全面分析锂离子电池国内外测试标准

来源:锂离子电池   2019-07-23  阅读数:

  锂离子电池产品的标准,尤其是安全标准是约束锂离子电池产品质量的重要依据,也是规范锂离子电池市场秩序和推动技术进步的重要手段。这里我们针对国内外现有的锂离子电池常见标准,进行归纳和介绍,并对这些标准体系中存在的问题进行简单的探讨。

锂离子电池

  本文概述了国内外锂离子电池在性能及安全测试方面的标准,从适用范围、测试项内容及严格程度等几个方面进行分析比较。对国内锂离子电池标准体系的构建和发展进行总结和展望。

一、国外锂离子电池标准

  表1列举了国外常用的锂离子电池测试标准。标准颁发机构主要有国际电工委员会 ( IEC) 、国际标准化组织( ISO) 、美国保险商实验室 ( UL) 、美国汽车工程师学会( SAE) 以及欧盟相关机构等。

国外常用的动力锂离子电池标准

表1 国外常用的动力锂离子电池标准

1.锂离子电池国际标准

  IEC发布的动力锂离子电池标准主要有IEC 62660-1∶2010《电动道路车辆用锂离子动力蓄电池单体 第1部分: 性能测试》和IEC 62660-2∶2010《电动道路车辆用锂离子动力蓄电池单体 第2部分: 可靠性和滥用性测试》。联合国运输委员会颁布的UN 38. 3《联合国关于危险货物运输的建议书标准和试验手册》,对锂电池测试的要求是针对电池在运输过程中的安全性。

  ISO在动力锂离子电池方面制定的标准有ISO 12405-1∶2011《电驱动车辆———锂离子动力电池包及系统测试规程 第1部分: 高功率应用》、ISO 12405-2∶2012《电驱动车辆——锂离子动力电池包及系统测试规程第2部分: 高能量应用》及ISO 12405-3∶2014《电驱动车辆——锂离子动力电池包及系统测试规程 第3部分: 安全性要求》,分别针对高功率型电池、高能量型电池以及安全性能要求,目的是为整车厂提供可选择的测试项和测试方法。

2.锂离子电池美国标准

  UL 2580∶2011《电动汽车用电池》主要评估电池的滥用可靠性以及在滥用产生危害时对人员的保护能力,该标准于2013年进行修订。

  SAE在汽车领域拥有庞大、完善的标准体系。2009年颁布的SAE J2464: 2009《电动和混合动力电动汽车可再充能量储存系统的安全和滥用性测试》是很早一批应用于北美和全球地区的车用电池滥用测试手册,明确指出了每个测试项的适用范围及需要采集的数据,也针对测试项目所需样品数量给出建议。

  2011年颁布的SAE J2929: 2011《电动和混合动力电池系统安全标准》是SAE在总结之前颁布的各种动力电池相关标准上提出的安全性标准,包括两部分: 电动车在行驶过程中可能出现的常规情况测试和异常情况测试。

  SAE J2380: 2013《电动车电池的振动测试》是电动车电池的振动测试较经典的标准,以实际车辆道路行驶的振动载荷谱采集统计结果为基础依据,测试方法更加符合实际车辆的振动情况,具有重要的参考价值。

3.锂离子电池其他组织标准

  美国能源部( DOE) 主要负责能源政策制定、能源行业管理及能源相关技术研发等。2002年美国政府成立了“自由车”( Freedom CAR) 项目,先后颁发了Freedom CAR功率辅助型混合电动车电池测试手册与电动和混合动力汽车用储能系统滥用性测试手册。

  德国汽车工业协会( VDA) 是德国为统一国内汽车工业的各种标准而组成的协会,颁布的标准有VDA 2007《混合动力汽车用电池系统测试》,主要是针对混合动力汽车的锂离子电池系统的性能及可靠性测试。

  欧洲经济委员会( ECE) R100. 2《关于就电动车辆特殊要求方面批准车辆的统一规定》是ECE针对电动车制定的具体要求,整体分为两部分: 第一部分对整车在电机防护、可再充电储能系统、功能安全和氢气排放等4个方面进行了规范,第二部分为新增的对可再充电储能系统的安全可靠性作出的具体要求。

二、国内锂离子电池标准

  2001年,汽车标准化委员会颁布了我国第一个电动汽车的锂离子电池测试指导性技术文件GB/Z 18333. 1: 2011《电动道路车辆用锂离子蓄电池》。该标准制定时参考了IEC 61960-2∶2000《便携式锂电池和蓄电池组 第2部分: 锂电池组》,用于便携式设备的锂离子电池及电池组,测试内容包括性能和安全,但只适用于21.6V和14.4V的电 池。

  2006年,工业和信息化部颁发了QC/T 743《电动汽车用锂离子动力蓄电池》,被行业内广泛使用,并于2012年进行了修订。GB/Z 18333. 1: 2001 和 QC/T 743: 2006 都是针对单体和模块级别的标准,应用范围较窄,且测试内容已不适应快速发展的电动汽车行业的需求。

  2015年,国家标准化管理委员会颁布了一系列标准,GB/T 31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》、GB/T 31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》、GB/T 31486-2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》及 GB/T 31467. 1-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第1部分 高功率应用测试规程、GB/T 31467. 2-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第2部分 高能量应用测试规程、GB/T 31467. 3《电动汽车用锂离子动力蓄电池系统测试规程 第3部分 安全性要求与测试方法。

  GB/T 31485-2015及GB/T 31486-2015分别是针对单体/模块的安全及电性能测试,GB/T 31467-2015系列参照了ISO 12405系列,适用于电池包或电池系统的测试,而GB/T 31484-2015是专门针对循环寿命的测试标准,对于单体和模块采用标准循环寿命,对于电池包和系统采用工况循环寿命。

  2016年,工信部发布了《电动客车安全技术条件》,从人员触电、水尘防护、火灾防护、充电安全、碰撞安全、远程监控等方面综合考虑,充分借鉴了现有的传统客车、电动汽车相关标准和上海、北京等地方标准,对动力电池提出更高的技术要求,增加了热失控和热失控扩展两个测试项,已于2017年1月1日正式实施。

国内常用的动力锂离子电池标准

表2 国内常用的动力锂离子电池标准

三、国内外锂离子电池标准分析

  国内外动力锂离子电池标准分析国际上的大部分标准是在2010年前后颁布的,重新修订次数较多,且陆续有新的标准出台。GB/Z 18333. 1: 2001是在2001年颁发的,由此可见,我国的电动汽车锂离子电池标准在世界上起步并不算晚,但发展相对缓慢。自2006年QC/T 743标准发布后,我国有很长一段时间里没有标准更新,且在2015年新国标发布之前,没有关于电池包或系统的标准。上述国内外标准在适用范围、测试项内容、测试项严格程度及判定准则方面,都有所差别。

1.锂离子电池适用范围

  IEC 62660 系列、QC/T 743、GB/T 31486和GB/T 31485是针对电池单体和模块级别的测试,UL2580、SAE J2929、 ISO12405和GB/T 31467 系列则适用于电池组和电池系统的测试。国外除了IEC 62660,其他的标准基本都涉及电池组或系统级别的测试,SAE J2929及ECE R100. 2甚至提到了整车级别的测试。这说明国外的标准制定更多地考虑到了电池在整车上的应用,更符合实际应用的需求。

2.锂离子电池测试项内容

  所有的测试项从整体上来说,可分为电性能和安全可靠性两大类,而安全可靠性又可分为机械可靠性、环境可靠性、滥用可靠性和电气可靠性。

  机械可靠性,模拟了车辆在行驶过程中受到的机械应力,如振动模拟了车辆在路面上的颠簸; 环境可靠性,模拟了车辆在不同气候中的耐受力,如温度循环模拟了车辆在昼夜温差大或者在寒冷和炎热地区来回行驶时的情况; 滥用可靠性,如火烧,考察电池在遭受到不正当使用时的安全性; 电气可靠性,如保护类测试项,主要是考察电池管理系统( BMS) 在关键时候能否起到保护作用。

  在电池单体方面,IEC 62660分为两个独立的标准IEC 62660-1和IEC 62660-2,分别对应性能和可靠性测试。GB/T 31485和GB/T 31486是由QC/T 743演化而来,GB/T 31486中将耐振动归属为性能测试,因为该测试项是考察电池振动对电池性能的影响。相比于IEC 62660-2,GB/T 31485的测试项目更严苛,如增加了针刺和海水浸泡等。

  在电池包和电池系统的测试方面,不论是电性能还是可靠性,美国标准涵盖的测试项最多。在性能测试方面,DOE/ ID-11069比其他标准多出的测试项有混合脉冲功率特性( HPPC) 、运行设置点稳定性、日历寿命、参考性能、阻抗谱、模块控制检验测试、热管理载荷及结合寿命验证的系统水平测试等。

  在标准的附录中详细介绍了电性能测试结果的分析方法,其中,HPPC 测试可用于检测动力电池的峰值功率,由此衍生的直流内阻测试方法,已广泛用于电池的内阻特性研究。在可靠性方面,UL2580比其他标准多出的测试项有: 非平衡电池组充电、耐压、绝缘、连续性试验及冷却/加热稳定系统故障试验等,还包含了生产线上针对电池组零部件的基本安全测试,在 BMS、冷却系统及保护线路设计方面,加强了安全性审查要求。SAE J2929提出要对电池系统的各个部分进行故障分析,并保存相关的文档材料,包括易识别故障的改进措施。

  ISO 12405系列标准同时包含电池的性能和安全两方面,ISO 12405-1是针对高功率应用的电池性能测试标准,ISO 12405-2是针对高能量应用的电池性能测试标准,前者多了冷启动和热启动两项内容。GB/T 31467系列结合了我国动力电池发展状况,根据ISO 12405系列标准的内容修改而得。

  与其他标准不同的是: SAE J 2929与 ECE R100. 2都涉及高压防护的要求,属于电动汽车安全范畴。我国的相关测试项在GB/T 18384中,GB/T 31467. 3中指出电池包和电池系统在进行安全测试之前要满足GB/T 18384. 1和GB/T 18384. 3的相关要求。

3.锂离子电池严格程度

  对于相同的测试项,不同标准中规定的测试方法和判定准则也不尽相同。例如对于测试样品的荷电状态( SOC) ,GB/T 31467. 3中要求样品为满电态; ISO 12405中要求功率型电池SOC为50% ,能量型电池SOC为100% ; ECE R100. 2要求电池的SOC在50%以上; UN38. 3对于不同的测试项有不同的要求,某些测试项还需要循环过的电池。

  另外,还要求高度模拟、热试验、振动、冲击和外短路必须用同一个样品进行测试,相对更严格。对于振动测试,ISO 12405要求样品在不同的环境温度下振动,建议的高温和低温温度分别为75℃和-40℃,其他的标准没有此项要求。

  对于火烧试验, GB/T 31467. 3中的实验方法和参数设置与 ISO 12405. 3相差不大,都是采用点燃燃料的方式进行预热、直接火烧和间接火烧,但 GB/T 31467. 3要求样品若有火苗必须在2 min内熄灭,ISO 12405则没有要求火苗熄灭的时间,SAE J2929中的火烧试验与前两者不同,它要求将样品放置于热辐射容器中,90s内迅速升温至890℃ 并保持10 min,并且不得有任何组件或物质穿过置于测试样品外部的金属网罩。

四、现有国内锂离子电池标准的不足

  虽然相关国标的制定和发布填补了我国在动力锂离子电池组合系统方面的空白,并被广泛采用,但仍有不足。

  测试对象方面: 所有的标准都只规定了新电池的测试,对使用过的电池没有相关规定和要求,电池在出厂时没有问题,不代表使用一段时间后仍然安全,因此有必要对使用不同时间的电池进行同样的测试,相当于定期体检。

  结果判定方面: 目前的判定依据较宽泛和单一,只有无泄露、无外壳破裂、不起火和不爆炸的规定,缺少可量化的评判体系。欧洲汽车研究与技术发展委员会( EUCAR) 将电池的危害程度划分成8个等级,具有一定的借鉴意义。

  测试项方面: GB/T31467. 3缺少电池包和电池系统在热管理和热失控方面的测试内容,而热安全性能对电池至关重要,如何控制单体电池的热失控,使热失控的情况不蔓延,具有重要意义,《电动客车安全技术条件》的强制实施也说明了这一点。另外,从整车应用层面来说,对于非破坏性的可靠性测试,如环境可靠性,在试验结束之后有必要增加电性能测试,模拟车辆在经历了环境变化后,性能受到的影响。

  测试方法方面: 电池包和电池系统的循环寿命测试耗时太长,影响产品开发周期,难以很好地执行,如何开发合理的加速循环寿命测试是个难点。