國內(nèi)外電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)安全性測試標準研究

張 松 賀文杰 吳廣順 李真鐵

（天津內(nèi)燃機研究所（天津摩托車技術(shù)中心） 天津 300072）

引言

動力電池作為電動摩托車的的核心部件，對電動摩托車的性能和使用安全產(chǎn)生重大影響，提高動力電池的安全性是電動摩托車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重，有效地開展動力電池的安全性測試和評價尤為重要[1]。

目前，我國的電動摩托車用動力電池以鉛酸電池為主。相比于鉛酸電池，鋰離子電池性能更優(yōu)、比功率和比能量更高、使用壽命更長[1-2]。目前，鋰離子電池在電動汽車用動力電池市場占支配地位。隨著技術(shù)的不斷進步，鋰離子電池必將在電動摩托車上得到廣泛應用。本文研究國內(nèi)外電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)的安全性測試標準及標準中存在的問題。

1 國內(nèi)外電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)安全性測試標準概述

電池系統(tǒng)是指由一個或多個電池模塊以及相應附件（管理系統(tǒng)、高壓電路、低壓電路、熱管理系統(tǒng)以及機械總成等）構(gòu)成的能量存儲裝置[3]。本文主要討論電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)機械安全、電氣安全以及環(huán)境安全等的安全性測試標準。

1.1 國外標準

國外關(guān)于電動摩托車用鋰離子電池安全性測試的標準主要有：ISO 18243：2017《電動摩托車和電動輕便摩托車：鋰離子電池系統(tǒng)的測試規(guī)范和安全要求》[4]，美國的UL 2271：2018《輕型電動車用鋰電池》[5]，歐盟的UN ECE R136：2016《L 類車輛批準的統(tǒng)一規(guī)定：電驅(qū)動車輛特定要求》第二部分：可充電儲能系統(tǒng)（REESS）安全要求[6]。

1.2 國內(nèi)標準

2018 年，我國發(fā)布了GB/T 36672-2018《電動摩托車和電動輕便摩托車用鋰離子電池》[3]。該標準中，有關(guān)鋰離子電池系統(tǒng)的過充電保護、過放電保護、過溫保護、短路保護、海水浸泡、外部火燒、跌落的測試方法均采用GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3 部分：安全性要求與測試方法》[7]中相應的測試方法。

2 電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)安全性測試要求

電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)安全性測試旨在驗證鋰離子電池系統(tǒng)保護自身的能力以及在危險情況下對駕乘人員的保護能力，包括機械安全測試、電氣安全測試和環(huán)境安全測試。ISO 18243：2017 和UN ECE R136：2016 只適用于電池系統(tǒng)，UL 2271：2018和GB/T 36672-2018 適用于電池系統(tǒng)、電池模塊以及電池單體。對于電池系統(tǒng)，UL 2271：2018 還要求進行不均衡充電測試、翻轉(zhuǎn)測試和擠壓測試。

強調(diào)電池系統(tǒng)的安全是國內(nèi)外標準的發(fā)展趨勢，電動汽車動力電池標準GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》就是從電池系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮電池的安全性[1]。因此，本文主要研究電池系統(tǒng)的安全性測試，不涉及電池單體和電池模塊，也不涉及整車。

國內(nèi)外電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)標準中最常見的安全性測試項目見表1[3-6]。

表1 電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)安全性測試項目

UL 2271：2018 要求在表1 中的所有試驗以及擠壓試驗完成后，還必須進行耐電壓或絕緣電阻測試。

2.1 機械安全測試

機械安全測試旨在驗證電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)在機械沖擊、跌落、振動等情況下的可靠性。

2.1.1 機械沖擊測試

機械沖擊測試的目的是評估電動摩托車突然加速和/或減速、或受到意外沖擊時鋰離子電池系統(tǒng)的堅固性。機械沖擊測試條件和要求見表2[3-6]。

表2 機械沖擊測試條件和要求

從表2 可知，在所有標準中，被測樣品承受的沖擊方向和次數(shù)一致，都是3 個互相垂直的方向、正負向各沖擊3 次，總計18 次。在峰值加速度、沖擊時間上，ISO 18243：2017、UN ECE R136：2016、GB/T 36672-2018 3 者相同，與UL 2271：2018 差別很大。在沖擊波形上，ISO 18243：2017、UN ECE R136：2016、GB/T 36672-2018 三者相同，均為正弦波，而UL 2271：2018對于質(zhì)量＞12 kg 的電池系統(tǒng)沒有沖擊波形測試要求。在試驗開始時的電池荷電狀態(tài)（SOC）上，UN ECE R136：2016 只要求SOC＞50%即可，而ISO 18243：2017、UL 2271：2018、GB/T 36672-2018均要求完全充電狀態(tài)（100%SOC）。

4 個標準中的沖擊參數(shù)基本上是從傳統(tǒng)燃油摩托車甚至汽車測試中提取的，電動摩托車的電池系統(tǒng)由于有殼體、車架等保護，其加速度可能有所不同。

2.1.2 跌落測試

跌落測試是模擬更換或維修電池系統(tǒng)時，裝卸過程中意外掉落的情況。跌落測試條件和要求見表3[3-6]。

表3 跌落測試條件和要求

從表3 可知，所有標準中，被測樣品掉落在水泥地面上，跌落高度都為1 m，但在跌落次數(shù)上有較大差別。UN ECE R136：2016、ISO 18243：2017 都要求跌落6 次，UL 2271：2018 要求跌落3 次。UN ECE R136：2016 對于每次跌落是否更換樣品由制造商決定，而ISO 18243：2017 要求每個樣品跌落3 次，GB/T 36672-20128 只要求每個樣品跌落1 次即可。因此，可以預期，測試結(jié)果會有較大差別。

2.1.3 振動測試

振動測試是從耐久性、確定設計缺陷的角度來評估長期振動對鋰離子電池系統(tǒng)的影響。標準中使用的振動曲線為正弦波和隨機振動曲線。正弦掃頻測試用于識別被測樣品共振，隨機振動測試則模擬被測樣品日常行駛中可能經(jīng)歷的情況。

這些標準中的振動曲線基本上是參考電動汽車用動力電池的振動曲線取得的，而電動汽車用動力電池的振動曲線基本上是從傳統(tǒng)燃油汽車選取的。振動測試時，電池系統(tǒng)可能會受到現(xiàn)有標準評估范圍之外的振動[8]。

振動測試條件和要求見表4[3-6]。

表4 振動測試條件和要求

GB/T 36672-2018 的編寫說明中提及振動測試按照ISO 18243：2017“第8.1 節(jié) 振動試驗方法”進行，標準文本中未提及振動方向、振動時間，本文假定GB/T 36672-2018 對振動方向、振動時間的要求與ISO 18243：2017 一致。雖然UN ECE R136：2016 與ISO 18243：2017 及GB/T 36672-2018 的振動要求基本一致，但UN ECE R136：2016 只要求在垂直方向上進行振動測試，而其他3 個標準則需要在3 個方向上進行振動測試。UN ECE R136：2016 中，在振動試驗開始時，SOC 僅要求大于50%[6]，是4 個標準中要求最低的；ISO 18243：2017 中未明確提及振動測試開始時的SOC 狀態(tài)，但從嚴格測試的角度來看，SOC 應為100%[4]。UL 2271：2018 采用隨機振動，振動時間最長[5]，是4 個標準中要求最嚴格的。

GB/T 36672-2018、UN ECE R136：2016 及ISO 18243：2017 的振動類型均為正弦，可能更關(guān)注被測電池系統(tǒng)與車輛的共振情況，而UL 2271：2018 更關(guān)注被測電池系統(tǒng)在車輛日常行駛中受到的振動。

2.2 電氣安全測試

電氣安全測試是通過模擬電動摩托車在使用過程中可能發(fā)生的意外情況來驗證電池系統(tǒng)的保護功能。

2.2.1 外部短路測試

外部短路測試旨在評估外部短路時電池系統(tǒng)的安全性，即評估過電流保護裝置的激活狀態(tài)或電池系統(tǒng)承受過電流而不會引起熱失控、爆炸、著火等的能力。外部短路測試條件和要求見表5[3-6]。

表5 外部短路測試條件和要求

測試時，將電池系統(tǒng)的正負極外接一個低電阻（如5 mΩ、10 mΩ 或20 mΩ）元件，在不到1 s 的時間內(nèi)使其外部短路，且保持規(guī)定的時間（如10 min）或直到過電流保護裝置（如果有）起作用。

標準中規(guī)定采用固定的外部電阻，與被測樣品的大小無關(guān)。由于初始短路電流受被測樣品的大小及其連接類型（并聯(lián)，串聯(lián)或其組合）影響，如果不同尺寸和連接類型的被測樣品連接相同的外部電阻，可能導致每個電池單體的初始短路電流沒有可比性。在高SOC 下，由于產(chǎn)生的初始短路電流最大，容易引起熱失控，故大多數(shù)標準要求以額定容量的100%進行測試。而UN ECE R136：2016 可以在50%SOC（或更高）下進行測試，但其短路導線電阻為≤5 mΩ，遠低于其他標準[6]。

2.2.2 過充電/過放電測試

過充電/過放電測試旨在評估電池系統(tǒng)的充電/放電超出制造商規(guī)定的限值時可能發(fā)生的情況。

過充電期間，主要的安全隱患有電解質(zhì)分解、陰極和陽極擊穿、隔板退化以及鋰鍍層放熱分解，會導致電池系統(tǒng)過熱和熱失控[9]。影響過充電測試結(jié)果的因素有充電率和最終的SOC。

過充電測試條件和要求見表6[3-6]。

表6 過充電測試條件和要求

從表6 可知，4 個標準對過充電電流、充電結(jié)束條件的規(guī)定差別較大，導致過充電測試結(jié)果沒有可比性。

過放電期間，主要的安全隱患是極性反轉(zhuǎn)，會導致陽極集電器氧化并在陰極側(cè)鍍覆。即使是微小的過放電，也會導致枝晶形成，最終引起短路[10]。過放電測試條件和要求見表7[3-6]。

表7 過放電測試條件和要求

從表7 可知，不同標準的測試參數(shù)差異很大。過放電測試結(jié)果可能取決于所遵循的標準，需要統(tǒng)一測試參數(shù)才能進行可比較的測試。

2.2.3 過溫保護測試

過溫保護測試旨在通過快速充放電來評估溫度控制故障或其他保護功能故障時電池發(fā)生內(nèi)部過熱的情況。

過溫保護測試條件和要求見表8[3-6]。

表8 過溫保護測試條件和要求

從表8 可知，ISO 18243：2017 和UN ECE R136：2016 都要求關(guān)閉被測樣品的主動熱控制系統(tǒng)（如冷卻系統(tǒng)）[4，6]，GB/T 36672-2018 和UL 2271：2018 中未提及該要求，而是要求被測樣品的所有控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)[3，5]，連續(xù)進行充放電測試，充電和放電之間沒有時間間隔，結(jié)果將導致被測樣品的溫度升高。UL 2271：2018 中還要求監(jiān)控電池及部件（如把手、旋鈕、可能接觸到的外表面等）的溫度，且溫度不能超過規(guī)定值[5]。

2.3 環(huán)境測試

環(huán)境測試的目的是評估電池系統(tǒng)在高溫、低溫、溫度驟變、火燒、水浸等環(huán)境條件下的安全性。

2.3.1 溫度沖擊測試

溫度沖擊測試旨在評估由于暴露于極端溫度和突然的溫度變化而引起被測樣品變化的情況。溫度沖擊測試條件和要求見表9[3-6]。

表9 溫度沖擊測試條件和要求

從表9 可知，4 個標準中，每個極端溫度下的持續(xù)時間相差很大。在低溫下，電解質(zhì)的離子電導率很差，陽極會出現(xiàn)過高電勢，并可能導致枝晶形成，生長的樹枝狀晶體可能會使電池短路[11]。UN ECE R136：2016 中，最高溫度僅為（60±2）℃，而且只要求SOC＞50%即可[6]，是4 個標準中要求最低的。GB/T 36672-2018 中，每個極端溫度下的持續(xù)時間和SOC 狀態(tài)都是4 個標準中要求最嚴格的[3]。

2.3.2 海水浸泡試驗

海水浸泡試驗旨在評估電池浸入水中或電動摩托車上的電池組件被水全部或部分淹沒的情況。海水浸泡測試條件和要求見表10[3-5]，UN ECE R136：2016中并未包括該項測試[6]。

表10 海水浸泡測試條件和要求

從表10 可知，ISO18243：2017、UL2271：2018、GB/T36672-2018 的測試方法及相關(guān)測試參數(shù)基本相同。

2.3.3 防火測試

防火測試，即外部火燒測試。防火測試的目的是評估電池系統(tǒng)或電動摩托車暴露于高溫或外部火焰時電池系統(tǒng)爆炸的危險性。防火測試條件和要求見表11[3-4，6]。UL 2271：2018 中沒有規(guī)定電動摩托車用電池系統(tǒng)需要進行外部火燒測試，但UL 2580：2020《電動汽車用電池》[12]中規(guī)定了電動汽車用電池需要進行外部火燒測試。

表11 防火測試條件和要求

從表11 可知，3 個標準中，測試時，被測樣品的SOC 狀態(tài)不相同。UN ECE R136：2016 只要求SOC 大于50%即可[6]，ISO 18243：2017 中未明確提及測試時被測樣品的SOC 狀態(tài)（從嚴格測試的角度來看，SOC應為100%）[4]，而GB/T 36672-2018 中明確規(guī)定為100%SOC 狀態(tài)[3]，是3 個標準中要求最嚴格的。

3 結(jié)論

本文對國內(nèi)外電動摩托車用鋰離子電池系統(tǒng)的機械安全、電氣安全和環(huán)境安全測試標準進行了研究，得出以下結(jié)論：

1）目前，針對電動摩托車用動力電池的測試方法大多來自電動汽車的標準，而電動汽車用動力電池的安全測試要求和方法基本上是借鑒傳統(tǒng)燃油汽車的標準要求，有必要針對電動摩托車進行更多分析和評估，以充分考慮電動摩托車技術(shù)的特殊性。

2）各個標準所要求的測試條件和參數(shù)不完全相同，有些差別很大，使得測試結(jié)果不一定具有可比性。我國的GB/T 36672-2018 與歐盟的UN ECE R136：2016 和ISO 18243：2017 的判定標準雖有差別，但測試方法相差不大；而我國的GB/T 36672-2018 與美國的UL 2271：2018 無論是測試方法、還是判定標準差別都較大。