锂离子动力电池安全性试验检测方法

杨杰 张凯庆 史瑞祥 夏晴

（重庆车辆检测研究院；国家客车质量监督检验中心）

随着电动汽车保有量的与日俱增，电动汽车也频发起火事故，引发了社会各界对电动汽车动力电池安全性的担忧和质疑，其试验检测技术受到世界各国的高度重视。在概述国内外锂离子动力电池安全性相关技术标准的基础上，以QC/T 743-2006为例，结合实际经验，探讨其试验检测方法并提出建议，为开展相关试验检测提供参考，以促进锂离子动力电池试验检测技术的发展，提高其安全性。

1 国内外相关技术标准

目前，国内外涉及锂离子动力电池安全性的技术标准主要有 ISO 12405 系列[1-3]、IEC 62660 系列[4-5]、SAE J2929[6]、UL 2580[7]和 QC/T 743[8]，其标准代号、颁布日期、适用范围及技术特点，如表1所示。

表1 国内外相关技术标准对比

综合对比表1所列的技术标准，主要存在以下4个方面的差异。

1）在颁布日期方面：国外标准大多在2011年以后颁布，个别标准（如ISO/CD 12405-3）还正在制定中，而国标QC/T 743在2006年8月就已颁布，从2009年7月开始作为我国锂离子动力电池的强制性检验依据。

2）在适用范围方面：QC/T 743只针对单体电池及电池模块，范围较窄，而UL 2580作为UL认证的依据，涵盖内容全面，既包含了单体电池、电池模块、电池包及电池系统的电性能、环境适用性和安全性方面的要求，又包含了生产线上针对电池组零部件的基本安全测试，如外壳耐燃和金属材料耐腐蚀等，同时在电池管理系统、冷却系统以及保护线路设计方面加强了安全性审查要求[9]。

3）在技术特点方面：除IEC 62660系列无技术要求外，其余标准都涵盖了试验方法和技术要求两方面内容，且SAE J2929引用了国际上相对成熟的标准方法，是专门针对电池包及电池系统的安全性标准。

4）在标准内容方面：SAE J2929相比QC/T 743增加了浸水、火灾模拟及机械冲击等试验内容，更好地模拟和评估动力电池的安全性。

2 试验检测方法

我国从2008年才开始大规模发展电动汽车，以磷酸铁锂电池为代表的锂离子动力电池也是2008年以后才得以广泛应用，而QC/T 743早在2006年就已颁布，标准尚缺乏大量实践基础，从2009年开始作为强制性检验依据实施至今，难免存在不足之处。在QC/T 743全部13项安全性试验检测项目中（单体电池7项，电池模块6项），过放电、加热和跌落等试验项目的问题不大，存在的主要问题有：容易发生起火、爆炸的过充电、短路、针刺和挤压等关键试验项目的相关试验检测方法[10-11]。

2.1 过充电试验2种方法的确定

QC/T743过充电试验给出了2种方法，方法1：以3I3（A）电流充电，即以3倍的3h率放电电流充电，至蓄电池电压达到5V或充电时间达到90min（其中一个条件优先达到即停止试验）；方法2：以9I3（A）电流充电，即以9倍的3h率放电电流充电，至蓄电池电压达到10 V即停止试验。图1示出相同电池在2种方法下的试验结果。

从图1可以看出，方法2电池在较短时间内表面温度达到72℃，是方法1电池表面温度23℃的3倍多，且试验结束时电压瞬时最高达到11.5 V，是方法1的2倍多。可见，方法2比方法1的考核更为苛刻。此外，相比而言，方法1对设备能力要求不高，结束试验时的电池电压也较低，即对试验设备和试验人员的安全性较好，且试验时间最多为90min，实际操作性较强。而方法2对于部分加装有保护电路的电池，实际可能达不到10V的试验结束条件，适用性不强。

建议：在实际试验检测中，作为对电池的基本考核以及部分加装有保护电路的电池，应优先选择方法1，若是加严考核，则可选择方法2。

2.2 短路试验中电池状态的确定

QC/T 743短路试验要求电池经外部短路时间为10min，而对于部分加装了热敏电阻PTC等保护电路的圆柱形电池或极耳处连接片横截面较小的方形电池，在短路试验中电流过大后，由于PTC等保护电路作用或连接片承受电流有限被熔断，通常在3min左右就会切断电流，致使剩余的短路试验时间没有实际考核意义。值得注意的是：类似以上电池状态的出现也不排除是企业为了通过检测，故意为之。

建议：在实际试验检测中，应结合实际装车情况确定短路试验中的电池状态。对于“故意为之”的电池，应采取去除保护电路和增加连接片等措施后再进行短路试验。

2.3 针刺试验条件的确定

QC/T 743针刺试验要求钢针直径为3～8mm，针刺速度为10～40mm/s，电池模块针刺至少贯穿3个单体电池。由于不同的钢针直径、针刺速度和贯穿电池个数对试验结果影响很大，而且标准给出的范围又较大，在实际试验检测中容易造成试验结果的不可比和不准确。

其中，钢针直径和贯穿电池个数对试验结果的影响比较确定，针刺速度对试验结果的影响尚不明确。钢针直径越大，与电池内部正负极材料、隔膜及电解液等组成部分的接触面积越大，且能够承受的内部短路电流越大，导致电池内部的化学与电化学反应越剧烈，越容易发生起火、爆炸。贯穿电池个数越多，即电池模块内部短路电流越大，也会导致电池内部的化学与电化学反应越剧烈，越容易发生起火、爆炸。而针刺速度的影响与电池的材料体系、电解液配方有很大关系，加之标准并未规定试验保持时间及观察时间，故针刺速度对不同电池试验结果的影响还需进一步分析研究。

建议：在实际试验检测中，作为对电池的基本考核，应选择φ3mm钢针，贯穿3个单体电池，若是加严考核，则可选择较大钢针直径和贯穿较多单体电池。而对于针刺速度的选择，鉴于目前其影响规律尚不明确，可选择标准规定范围的中值（25mm/s）进行试验。

2.4 挤压试验中挤压方向的确定

QC/T 743电池模块的挤压试验要求挤压方向为垂直于单体电池排列方向施压，而对于不同排列方向的电池，其挤压方向对试验结果的影响很大，在实际试验检测中容易造成试验结果的不可比和不准确。

由于动力电池目前还处于发展阶段，受到装车后的结构布置、散热及充放电效率等因素影响，其单体电池的排列方向也有较多类型。图2示出单体电池排列方向与挤压方向示意图。

从图2可知，挤压方向1为平行于单体电池排列方向，挤压方向2，3均为垂直于单体电池排列方向，且挤压方向3直接与电池极耳接触，更容易引起电池的内、外部短路，考核更为苛刻。考虑到挤压试验主要是考核电池装车后受到挤压的情形，挤压方向理论上应与实际装车后最易受到挤压的方向一致，然而实际车辆运行工况复杂多变，该方向通常不可获得。如图2a，2b，2c中的挤压方向3以及图2d中的挤压方向1，都对应于整车垂直方向上受到挤压的情形，显然相较于其余2个挤压方向，该方向不容易受到挤压，而除了图2d中的挤压方向3比挤压方向2考核更为苛刻，图2a，2b，2c中的其余2个挤压方向对试验结果的影响尚不明确，还需要进一步分析研究。

建议：在实际试验检测中，应结合电池装车后的布局，考虑前碰、后碰及侧碰等情况确定挤压方向。对于图2a，2b，2c中的情形，可在挤压方向1和挤压方向2下分别做试验，全面考核电池受到挤压变形后的安全性。对于图2d中的情形，作为基本考核，可选择挤压方向2，若是加严考核，则可选择挤压方向3。

3 结语

依据2012年6月国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量将力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力将达200万辆、累计产销量将超过500万辆。可以预见，国家及地方政府对电动汽车产业的扶持力度还将持续加大，动力电池的安全性问题势必会更加凸显。国内相关单位应继续加强完善动力电池的标准体系，不断提升其安全性试验检测技术，进而增强动力电池的安全性水平。