锂电池组短路测试失败案例分析与探讨

李炳坤

（ 苏州UL美华认证有限公司，江苏 苏州 215000 ）

0 引言

随着电动工具行业的技术进步，性能稳定、携带方便的充电式电动工具被越来越多的用户所接受。目前，市场中以锂离子电池组为动力源的工具产品占据了较大的市场份额，这也使得制造商对工具产品搭配的电池组安全性能加以重视。本文依据相关测试标准，对锂电池组短路测试时的失败案例作分析。

1 概述

近年来，美国保险商试验所（UL）加快了相关标准的更新步伐。2013年5月，UL在UL 2575的基础上，发布了UL 2595安全标准——电池供电器具的通用要求第一版，针对使用电池供电的电器提出了更严格的安全要求。2015年9月更新为第二版，协同IEC/UL 62841-1附录K对电池产品的要求，于2015年4月被吸尘器标准UL 1017 Ed 9率先采纳并执行。苏州UL美华认证有限公司自2011年开始与UL 2595标准起草的制造商合作，进行了大量标准发布前的验证测试工作，提供关键数据及依据。

2 现状

目前，UL 2595 Ed 2已被传统的UL园林工具类产品安全标准，如UL 82电动园林器具、UL 1447电动割草机、UL 1090电动扫雪机以及UL 1017吸尘器等采纳，作为专门针对电池系统的安全要求。此外，最新推出的UL 1576手电筒标准也直接指向UL 2595，预期会有水泵，风扇等更多最终产品的安全标准采纳UL 2595作为针对电池系统的要求。

同步地， IEC新发布的IEC 62841系列标准中，在附录 K章节等同采纳了UL 2595的要求。随着IEC 62841对应的手持式工具、可移式工具和园林工具标准的陆续发布与生效，以及北美、欧洲及澳洲对应于该系列标准的UL/CSA/IEC/AS/NZS 62841系列和中国对应的GB/T 3883系列标准的陆续发布与生效，全球市场对电池供电类工具和电器产品的安全性要求日益提高，欧美市场更是迅速采纳了这些标准，对锂离子电池供电类电器产品设定了更严格的检测项目。

3 测试准备

3.1 试件信息

某制造商的锂离子电池组（Battery），参数如下：

电池组类型：可拆卸式

标称电压：36 V

额定容量：2.5 Ah

连接方式：10串一并

配备电池为主流制造商的18650锂离子电池，电池参数见表1：

表1 18650锂离子电池参数

3.2 适用标准

1）UL 2595第二版，发布日期：2015.09

2）CSA C22.2 No.0.23，第一版，发布日期：2015.09

3）UL 62841-1/CSA C22.2 No.CAN/CSA-C22.2 No.62841-1-15，第一版，发布日期：2016.02

4）IEC 62841-1，第一版，发布日期：2014.03

3.3 测试项目

1）UL 2595/CSA C22.2 No.0.23，第11.8章节

2）IEC/UL 62841-1，第K.18.202章节，锂离子电池短路测试

3.4 应用场合

电池供电的园林工具如链锯、割草机、打草机、绿篱机、树叶吹吸机等。

3.5 测试设置

出于安全考虑，该电池组被设计为两层过放保护。第一层是电子电路保护，MCU通过采样电阻从主放电回路监控电流，当主回路中出现超过安全阈值的大电流时， MCU切断主回路中的放电MOS，实现电池组过放保护功能；第二层是硬件保护，在主放电回路中，制造商有意设计了可熔断的电池连接片（相当于保险丝作用的薄弱点），当大电流通过，该连接片熔断从而断开主回路，实现电池组过放保护功能。

根据UL 2595及IEC/UL 62841 Annex K的要求，如果依赖保护电子电路的功能通过测试，则认为其提供了关键功能安全（Safety Critical Function, SCF），作为第一层保护的该电子电路应符合UL 2595/IEC/UL 62841 18.8章节中对 PL=a的SCF要求（PL:性能等级，Performance Level），这就可能涉及软、硬件相差的可靠性评估。该制造商并不希望进行关键功能安全的评估，就意味着无法依靠上述电路的功能来通过测试。因此，在测试前，工程师短路了放电MOS，让其保持常通状态，从而将电子电路过放保护失效。

4 方法与过程

进行测试前，电池组10节电池中的1节电池完全放电至截止电压，其余9节为满电状态。将电池组放置在盖有双层绢纸的软木面上，并盖有单层未经处理的纯医用纱布。

在某节电池上布一根热电偶监控测试状态。以≤10 mΩ电阻短路电池组的输出端子，测试进行至最终结果出现。

短路后，电池温度缓慢上升，约1.5 h温度急剧上升至200℃，然后在短时间内上升至500℃，观察到电池组起火现象，外置纱布和绢纸均被引燃，最终电池组烧毁。

根据标准对该测试结果的判定要求为“不应有着火或爆炸的危险”，最终结果判定测试失败。

图1为测试后的样品残余部分，可见箭头所指电芯开始起火，其结构已经破坏。图2为测试温度曲线。

图1 测试样品分析

图2 测试温度曲线

5 原因分析

判断电池连接片在电池组短路瞬间即熔断并断开主回路的依据在于：短路瞬间该薄弱点若未熔断，随即将产生大电流导致电池温度急剧上升。

从样品分析和温度曲线来看，被监控的电池温度在测试开始后的前1.5 h内仅为缓慢上升，由此判断制造商设计的作为电池组第二层放电保护的可熔断电池连接片在短路的瞬间已经熔断并断开主回路，但最终还是起火并燃烧。该现象表明，可熔断电池连接片并未达到设计的理想状态，薄弱点设置的位置不尽合理。见图3。

图3 电池连接片

图4为制造商提供的电路图，图中可见电池连接片即使断开主回路，电路仍会通过RGND至采样电阻，经过其中数节电芯后形成另一条放电回路。分析认为：新回路的持续放电造成小电阻发热，一段时间后某个电阻被烧毁短路，形成另一个短路回路，瞬间产生巨大的短路电流导致电芯过热起火，最终造成测试失败。

图4 测试品电路

该分析通过以下测试得到验证：取一只新的电池组样品，人为地断开可熔断电池连接片后，在电池组输出端子间可测得约30.8 V电压，从而可以判定其仍存在闭环回路。从监控的电池温度曲线可以看出，新形成的放电回路持续缓慢放电，且在样品电路板上发现部分电阻出现毁损现象。

6 改进方法

按照前述分析及判断，制造商将可熔断电池连接片调整至适当位置，理论上当其断开后，所有放电回路均被切断，无新回路产生，见图5。

图5 改进后的电路

再次测试制造商更改设计后的样品发现，电池组短路之后，该连接片断开，电池温度≤3℃，持续7 h（标准要求的测试结束条件之一）后，电池组电压为0。取多个样品重复测试，结果相同。

7 结语

综上是电池系统新标准测试过程中遇到的典型案例，相关产品制造商应严格按照标准要求，对应自身产品，充分理解并满足各项测试要求，与检测机构携手提高充电式电动工具产品的安全性。