出口欧盟电动车用电池系统的测试标准对比研究

2021-04-02王佳琪陈立铎尚庆波

电源技术 2021年3期

王佳琪，陈立铎，尚庆波

(1.爱驰汽车(上海)有限公司，上海200082；2.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津300300；3.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300；4.TÜV 南德意志大中华集团，上海200070)

在一系列国家政策支持下，国内电动汽车保有量日益增长。电动化、网联化、智能化、共享化的汽车“新四化”发展趋势在影响人们日常出行和车辆使用的同时，正加速对传统汽车行业产生冲击。随着消费者和业界对续驶里程的要求不断提高，动力电池能量密度持续攀升，高镍材料的使用使得电池热稳定性降低，在外界环境影响下发热、失控、起火等安全问题日渐突出[1-3]。电动汽车成为了汽车行业发展趋势，不仅在技术上带来了更高的要求，更是对安全提出了考验[4]。我国新能源汽车新车型申报中，对车载能源动力电池系统的安全性进行了强制要求，只有满足了基本环境安全、机械安全、电安全性要求后方可量产面向市场和消费者。

新能源车企在积极提升自身技术实力及产品品质、拓展国内市场的同时，还希望布局海外市场，将产品推向更广阔的世界舞台。而迈向海外市场，产品获得相关出口国家标准法规是企业需要面临的首要问题。

联合国欧洲经济委员会(the United Nations Economic Commission for Europe，以下简称ECE)于1947 年成立，旨在促进56 个成员国经济整合与合作的多边平台。ECE 认证(也称E-mark 认证)是欧洲经济委员会成员国市场内，对汽车及其零配件产品按照ECE 法规(Regulation)开展的一种通用认证，产品符合认证要求，即授予型式认证证书，表示其通过了行车安全法规。E-mark 证书是由各成员国交通部颁发，它表示产品已经符合相应的法令与法规的要求，可以合法地进口和销售，发证机关是各成员国交通部。

ECE Regulation No.100(ECE R100)是由ECE 制定的市场准入公告法规，要求申请欧盟的整车型式认证(WVTA)时必须通过第二版ECE R100.02 的要求。从2016 年7 月起，电动汽车及其所装配的车载可充电储能系统(如动力电池、超级电容等)必须通过ECE R100 才能在欧洲及其他一些ECE 协议国家注册并上市销售，性质类似于我国的强制性认证测试。由此可见，准确理解并把握ECE R100 测试标准对于国内传统车企、造车新势力均具有重要意义。

作为电动汽车的核心部件，也是车辆的能量携带载体，电池系统的安全在整车认证测试领域属于重中之重。本文从电池系统安全角度出发，对出口欧盟电动车用电池系统的测试标准ECE R100 与国内现行动力电池系统安全性认证标准GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分：安全性要求与测试方法》和2020 版GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，以及国际安全认证法规ISO 12405-3：2014《Electrically propelled road vehicles Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems Part 3: Safety performance requirements》进行对比分析。通过聚焦测试项目、测试方法与性能评价指标差异性，有针对性地给出ECE R100 标准下的电池系统测试关键环节。

1 欧盟新能源车用电池系统法规与测试标准

从2016 年7 月起，欧盟理事会要求申请欧盟的整车型式认证时必须满足ECE R100 要求，法规采用的是2013 年第二版修订内容，包含两个部分：第一部分是对整车车辆电气安全的要求；第二部分是针对零部件级别车载可充电储能系统(REESS)的安全要求。

ECE R100 Part II 对电动车搭载的REESS 安全性提出了明确要求，测试项目主要包括电安全性、环境安全性及机械安全性等3 部分测试内容，其分类依据如表1 所示。

表1 电池系统安全性的测试项目分类、评价指标及验证规程

动力电池系统作为电动汽车的核心系统，ECE R100 标准从系统层级统筹考虑安全要求，对于可能导致动力电池故障发生事故的风险进行验证分析，测试方法核心部分概要如表2所示。

2 国内新能源车用电池系统法规与测试标准

国内标准版图下，由全国汽车标准化技术委员会归口、中国国家质量监督检验检疫总局联合中国国家标准化管理委员会，于2015 年重磅发布了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 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统安全性要求与测试方法》，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》。这些电池国家标准的发布，促使电池生产企业朝着高安全、高性能、长寿命方向发展，对促进动力电池发展起到有据可依的重要作用。

表2 ECE R100 Part II 测试方法

2017 年7 月，GB/T 31467.3-2015 第1 号修改单开始实施[5]，对原标准修订内容主要体现在振动、挤压部分内容，修订后执行的电池系统挤压力由原200 kN 到100 kN，振动由原21 h 3 个方向共63 h 随机振动到3 h 正弦振动，对振动和挤压试验条件的严苛性、必要性进行重新考量。

2020 年5 月，作为我国第一个电动汽车用动力蓄电池强制性国标，GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》正式发布。在考虑到正常使用场景、可预见的故障条件、可能出现的安全隐患的基础上，充分理解电动汽车安全失效模式与提前防范措施。强标取消了翻转和跌落项目，同时也新增或调整了关键测试项目。对于M1、N1 及以外的车辆电池包振动分三个轴进行，每个轴向均进行12 h 随机及1 h 定频振动，并规定了振动试验后的电池包需进行浸水实验，该项新要求对机械结构试验后电池包的气密提出了要求，不仅考虑到测试中样品的安全，更综合考虑了机械安全后的密封情况。强标挤压项目扩充了三个半圆柱体的挤压版形式许可。同时，新增了热扩散测试项目，将行业内关注度较高的安全测试项目纳入强制性检验，企业必须确保在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5 min，应提供一个热事件报警信号，用以保障成员安全。电安全类项目中充分考虑应用场景，新增过流保护项，在高于企业规定的电流时，电池管理系统应具备相关响应机制。

3 中欧电动车用动力蓄电池系统测试方法与评价

ECE R100.02 与ISO 12405-3、GB/T 31467.3 及其第1 号修改单和GB 38031-2020 同为锂离子电池系统安全性标准，通过对这些标准的测试项目、测试方法、性能评价指标加以分析，得出ECE R100.02 与ISO 12405-3、GB/T 31467.3 及其第1号修改单、GB 38031-2020 存在以下区别。

3.1 测试项目的差异

ECE R100 共9 项安全性测试，GB/T31467.3 共16 项测试，GB 38031-2020 共16 项，ISO 12405-3 共12 项测试。可以看出，三项标准在测试项目要求上相近，但欧洲相对于中国更集中关注机械可靠性和保护功能类验证，考虑到试验周期、试验成本、产品结构强度等因素，对环境安全类验证比重偏小(以高海拔、海水浸泡、盐雾、湿热循环为代表)。条件满足情况下试验周期可缩短至1～2 周，需要提供的试验样件数相对较低，从这两个角度可为企业减轻认证所需经济负担。但同时减少环境安全类验证也给产品质量保证带来了一定风险，具体表现如：高海拔下电池系统散热性能降低，充放电过程中温升、温差增大，热稳定性受到影响[6]；自然界的雨水、井水、河水等均是混有杂质的非纯净水，溶解有电解质，一旦蓄电池包或系统的气密存在缺陷，将可能造成线束密集区或金属接插件内部短路，甚至发生冒烟起火爆炸[7]，浸水防水等级关乎电池安全。此外，GB 38031-2020 中新增了热扩散测试项目，ECE R100 中并无此安全法规测试项。ECE R100 与ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 号修改单、GB 38031-2020在测试项目上的对比如表3 所示。

表3 ECE R100与ISO 12405-3、31467.3-2015及其第1号修改单、GB 38031-2020测试项目对比

3.2 关键测试项目方法差异

关键测试项目之挤压，ECE R100 中规定使用半径为75 mm 的3 个半圆柱体组成的挤压板，挤压力为100～105 kN，在挤压板和挤压力上与ISO 12405-3：2014 保持一致。GB/T 31467.3 及其第1 号修改单在挤压板上存在不同，其规定使用半径75 mm 的单半圆柱体，挤压截止条件也稍有不同，规定为挤压力达到100 kN 或整体尺寸的30%。而2020 版GB 38031 在挤压板上则兼容了单半圆柱体挤压板和3 个半圆柱体组成的挤压板，挤压截止条件与GB/T 31467.3 及修改单保持一致。实际测试中值得关注的是，单半圆柱体挤压板布置方式不同，电池系统接触点位受力情况也不一样，纵向挤压时接触面积更窄，局部受力更大，通过这种挤压方式电池系统的最大挤压变形量将会高于横向挤压变形。相较于国内标准，ECE R100 更倾向于综合考虑受力情况，要求横向挤压最大程度覆盖受力面积。

关键测试项目之振动，ECE R100 中规定在垂直方向进行3 h 正弦振动，振动频率范围在7～50 Hz，这一方法与GB/T 31467.3 及其第1 号修改单一致。但相比三轴向、每个轴向进行21 h 随机振动，三轴向共63 h 的ISO 12405-3：2014 和三轴向、每个轴向进行12 h 随机及1 h 定频振动，三轴向共39 h 的GB 38031-2020，无论在振动方向还是振动频率范围，亦或是振动时间上，ECE R100 的执行标准均明显低于其他标准。

关键测试项目之火烧，ECE R100 和ISO 12405-3 中火烧试验规定燃油温度小于20 ℃时需进入60 s 的预热，若燃油温度不低于20 ℃，可直接进入测试阶段，省去前期准备工作，测试阶段的直接暴露和间接暴露于火焰时间各个标准规定一致。GB/T 31467.3 及修改单和GB 38031-2020 两份国内标准保持一致，在直接暴露和间接暴露于火焰之前，均要预先对燃油预热60 s。

关键测试项目之热扩散，ECE R100、ISO 12405-3 及GB/T 31467.3 均未对整车中动力电池热扩散提出要求。为保障事故发生时的乘员人身安全，提升产品品质，GB 38031-2020提出并明确了热扩散详细测试规程，推荐使用加热或针刺作为热扩散试验触发方法。同时也允许制造商提供实验程序，包括试验方法、试验对象、触发对象、监控点布置方案、热失控触发判定条件、改动清单。

ECE R100 与ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 号修改单、GB 38031-2020 关键测试项目方法对比如表4 所示。

3.3 关键测试项目性能评价指标差异

挤压项目中，ECE R100 合格判定要求为不起火、不爆炸，同时无漏液现象，GB/T 31467.3 及修改单和GB 38031-2020 挤压合格要求为不起火、不爆炸即可，允许挤压后电池包内部电芯漏液存在电解液质量损失，ISO 12405-3 除了要求试验后样品不起火、不爆炸，还要求外壳不出现破裂及其他机械破坏，对挤压壳体提出了更高的要求。

振动项目中，ECE R100 和GB/T 31467.3 对比ISO 12405-3：2014 和GB 38031-2020，除了规定振动后不起火、不爆炸、无漏液等通用要求外，比较明显的特征在于对振动后的样品提出能够进行一次充放电循环，即在振动项目中，不仅要求振动过程本身不发生危险，同时考察振动后电池的电功能，实现全面考虑与验证，相对来说要求更高更严谨。

火烧项目中，ECE R100 和ISO 12405-3：2014 及GB 38031-2020 判定要求均为不爆炸即可，GB/T 31467.3 试验评价指标为不爆炸，若有火苗，应在火源移开2 min 内熄灭。两者最大区别是对火源移除后现象的判定，ECE R100 关注试验过程中测试样件本身状态，GB/T 31467.3 则考虑更加全面，不仅考虑到测试中的样品安全，更考虑了非金属件阻燃等级水平。分析电动汽车火灾事故统计数据发现，在外部火源下，材料过热、超过耐温引起局部燃烧起火事故频发，火苗超过2 min 未熄灭就很有可能造成车辆行驶过程中自燃，使用高阻燃等级的材料可以降低起火失效的风险[8]。

热扩散项目中，ECE R100、ISO 12405-3 及GB/T 31467.3均未对整车中动力电池热扩散提出要求。GB 38031-2020 要求单个电池在热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5 min，提供一个热事件报警信号。

ECE R100 与ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 号修改单、GB 38031-2020 关键测试项目性能评价指标对比如表5 所示。

表4 ECE R100 与ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 号修改单、GB 38031-2020 关键测试项目方法对比

表5 ECE R100与ISO 12405-3、31467.3-2015及其第1号修改单、GB 38031-2020关键测试项目性能评价指标对比

4 结语

ECE R100.02 作为欧盟市场准入公告法规，测试内容、方法、评价指标也是目前行业内许多企业困惑之处。本文对出口欧盟电动车用电池系统的测试标准ECE 100 进行研究讨论，将其与国内现行动力电池系统安全性认证标准GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法》和2020 版GB 38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，以及国际安全认证法规ISO 12405-3：2014《Electrically propelled road vehicles Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems Part 3:Safety performance requirements》进行对比分析。通过聚焦测试项目、测试方法与性能评价指标差异性，有针对性地给出ECE R100 标准下的电池系统测试关键环节。

通过对比发现，在测试项目上ECE R100 共9 项安全性测试，GB/T31467.3 共16 项测试，GB 38031-2020 共16 项，ISO 12405-3共12项测试。ECE R100集中关注机械可靠性和保护功能类验证，可降低试验成本、缩短试验周期，但以高海拔、海水浸泡、盐雾、湿热循环项目为代表，ECE R100对环境安全类验证比重偏小，且无热扩散乘员保护项；在关键测试项目方法和评价指标上，ECE R100 中挤压允许使用3 个半圆柱体组成的挤压板，振动方向仅考察垂直轴向、扫频范围限定在7～50 Hz、振动时间3 h 相比之下最短，其他项目也无更加严苛的规定，方法和用于判定的评价指标相对宽松。