车用锂电池安全性测试问题及涉及的标准/规范

二氧化碳减排是促进以更绿色能源替代传统内燃机的主要推动力。据资料报道，欧盟到2020年将有1 480万辆轻型车辆登记，其中7%为电动型。预计这一市场份额到2030年上升至31%，届时将由欧洲、日本和美国为主导。可望预见在2020年65%的电动型汽车将使用锂电池做动力。

锂电池是可再充电的储能设备，表1列举了构成锂电池的典型组分。许多因素会影响锂电池的安全性以及用于优化安全性的设计参数的评价。

为了实现特殊应用的安全保障，必须在综合考虑安全、性能及成本的基础上折衷地选择电池组分。

表1 锂离子电池的典型组分

特定用途的锂电池需要通过一系列的安全测试，进行安全测试旨在了解并识别当电池经历现实的异常条件时潜在的弱点和缺陷，从而判断电池在极端苛刻条件下的行为。比如汽车碰撞或热冲击，这种情况会导致热失控。热失控的产生取决于包括充电状态、充电／放电速度、电池形式、电池历史、阴极／阳极材料、电解质组成等因素。

曾专门设立了许多标准、规范，用来促进并规范电动车辆中锂电池的使用，现阶段有必要对其加以区分，原则上标准是由非政府机构拟定的自发性文件，例如，国际电工技术委员会（IEC），国际标准化组织（ISO），国际汽车工程师学会（SAE）等国际性组织，欧洲层面的欧洲标准化委员会（CEN）和欧洲电工技术标准化委员会(CEN ELEC)等，也有由国家机构如英国标准学会（BSI），日本工业标准委员会（JISC）或地区性组织颁发的标准。规范多为政府当局颁布具备法律效力性。陆路用车辆最相关的规范属联合国欧洲经济委员会（UNECE）发布的型式批准规范，这些规范对轮式车辆、部件、设备定义了统一的技术处置规定，并为互相承认由若干国家对稳态条件进行型式批准。在美国，国家公路交通安全管理局（NHTSA）以《联邦机动车辆安全标准》的方式发布规范，对机动车辆或机动车辆设备的物件设定了最低安全性能要求。

标准也可被法律和规范引用。在一些技术领域，目前欧洲遵循2008年7月采用的“新立法架构”（NLF），颁布的指令中只给出基本要求，而在那些指令所提及的欧洲标准中限定技术细节。机动车辆型式批准（EC指令）认可国家的型式批准，并确保这一批准得到其他欧盟成员国承认，即在其一成员国获型式批准的车辆，准许在任何其他成员国销售。

已有的标准、规范所涵盖的锂电池安全测试内容可按照折磨的性质分为力学、电学、环境和化学共四类，以下为现有的子目录：

1 力学试验

1.1 机械冲击试验

1.2 跌落试验

1.3 贯入度试验

1.4 浸渍试验

1.5 压裂/碰撞试验

1.6 翻转试验

1.7 振动试验

2 电试验

2.1 外部短路试验

2.2 内部短路试验

2.2.1 隔离剂关闭完整性试验

2.2.2 强制内短路或镍粒子试验

2.2.3 冲杆压痕试验

2.3 过度充电／过度放电试验

3 环境试验

3.1 热稳定性试验

3.2 热冲击试验

3.3 过热试验

3.4 极端低温试验

3.5 着火点测定

4 有害化学物质评价试验

4.1 释放物相关试验

4.2 可燃性试验

国际性关于动力锂电池的安全标准分别聚焦于电池层级状态和系统，由ISO和IEC负责建立。ISO已经颁布的文件包括ISO 12405-1：2011 和 ISO 12405-2：2012，分别为确定大功率电池和高能量电池的试验规定，并由新近发布的ISO 12405-3：2014对其加以完善。中国于2015年颁布了GB/T 31467.1，GB/T 31467.2 和 GB/T 31467.3。其间IEC于2011年颁布的IEC 62660-2表述了动力电池的安全试验程序，于2016年的IEC 62660-3：2016确定了电池的安全规定。还有新的标准IEC 62485-6提出了锂离子电池及其电池装备的安全要求。关于车辆安全，ISO 6469-4于2015年颁布了有关碰撞的安全问题。

表2将国际性标准、规范中关于车用锂电池折磨试验要求最频繁出现的项目进行了汇总。

表2 车用锂电池测试相关的标准／规范

最后，通过比照标准、规范所采纳的参数和条件，发现存在些许短板，经过分析归纳得出下面几个改进要点。

（1）现有绝大多数强调测试要求的标准、规范均源自传统车辆系列，显然大多针对电动车辆和混合动力车辆的分析及其数据评估均欲涵盖电气技术特征。

（2）组件测试性能与车辆测试之间的可比性是一个待考察因素。

（3）应考察在电池、模块和集打包这三种不同状态下组件测试的可比性。比如，已经证实短路试验中形成的起始电流受被测器件的大小以及连接形式（并联或串联）的影响。类似的影响还出现于向不同尺寸的被测件施加单一破碎力与用压碎板时的结果差异。

（4）测试条件（如充电状态、温度）的分散度涉及诸如过度充电、热冲击、短路等多数测试项目，这一点显著地影响着那些采用不同标准所得数据的可比性，尽管某种情况中的参数差别或许出自不同的场景因素，为了实现公平、等价的测试可做适当参数校准。最坏的情形属最大充电状态，理论上的折磨试验就在此等条件下进行。举个例子，在短路试验中，被测件的充电度越高，则生成的短路电流也越高，而热失控的起始温度却越低。多数标准要求100%充电态，而规范UN/ECE-R100.02:2013允许在≥50%充电态下做测试。

（5）现实中发生的事故属动态事件，系为电池移向冲击区域，然而组件测试时执行的静态装配却是冲击子移向电池。研究发现在力学载荷中，现行的标准、规范与动态碰撞测试之间并不相符，对此建议在标准框架内作必要的调整。

（6）车辆充电时如拆下电池，更换操作中或会跌落，而各种车用电池的规范、标准如UN/ECER100.02:2013,ISO 12405-1(2,3):2011(2012,2014)以及 ISO 62660-2:2011却均未含有跌落测试内容。

（7）内短路的发生是电池制造商的主要隐忧之一，然而相应的测试却没有在立法的基础上广泛实施。据悉这项测试的程序繁琐，其实施仍需大量的测试技术研究开发。

（8）尚仅有SAE J2464:2009，SAE J2929:2013和UL2580:2013强调检测有毒和可燃性释放物的重要性并且提供了适用的测试方法。此项特殊分析的实行尚未被其他主体机构所广泛采纳。考虑到问题的严重性，建议未来标准、规范的确立，应以和谐的测试指南或协定书来确保对车用电池的化学危险物进行适当评估，为的是保证车辆乘客以及周边人群的安全。

（9）关于安全测试，强烈推荐进行真实场景的评估，便于保证使用锂离子电池技术的未来安全。为此，应考虑添加一些测试项目于未来的标准和规范中，诸如翻转、跌落、浸液、低温危险、毒性、燃性等。

（10）应提供清楚明了的测试指南和原理说明作为试验方法的组成部分。具体例子包括用于设定充电状态、局部温度传感器、被测件处在各种测试中之准确位置的方法描述，再加上试验设备的最低公差要求。这些指南便于测试机构对标准、规范进行正确而和谐的解读，从而可改善试验结果之间的可比性。 （蔡荣欣编译）

注：文章摘译自 Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018（81）：1427-1452，原文标题为 A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles