《服务机器人用锂离子电池和电池组 通用规范》行标浅析

邢 琳 史运伟

( 1上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海，200063；2上海电器科学研究院，上海，200063；3上海机器人产业技术研究院有限公司，上海，200063)

0 引言

伴随人工智能、新型传感技术的快速发展，服务机器人产品种类、性能日益丰富，2019年我国服务机器人产量已达到346万套，同比增长38.9%。与此同时，服务机器人的性能及安全也越来越引起人们的关注。2018年12月，美国无人配送机器人突然起火自燃，事故原因是电池故障：电池发生热失控并引起机器人自燃，电池安全性由此愈发引起人们重视。

电池是服务机器人的核心零部件，伴随电池技术的快速发展，锂离子电池因其能量密度高、使用寿命较长和绿色环保的特点，已成为服务机器人的能量提供首选。电池的性能特性和安全特性直接影响服务机器人的推广和应用。目前电池国际常用标准主要有针对便携式电子产品用电池和电池组IEC62133-1:2017、IEC62133-2:2017、UN38.3，国内主要是GB31241《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》，专门针对服务机器人用电池和电池组的标准尚处于缺失状态，无法满足服务机器人行业快速发展的需求。基于此，国家机器人检测与评定中心挂靠单位牵头组织行业相关单位，起草了《服务机器人用锂离子电池和电池组通用规范》行业标准，以下简称《通用规范》，现已报批。本文就该标准主要技术内容进行解读。

1 服务机器人的分类和应用

国际ISO/TC299定义了服务机器人，即除工业自动化应用外，能为人类或设备完成有用任务的机器人。在我国，国家标准化管理委员会、国家发展和改革委员会、科学技术部、工业和信息化部印发《国家机器人标准体系建设指南》，将服务机器人分为个人/家用服务机器人、公共服务机器人和特种作业服务机器人。

在国内市场，服务机器人已经渗透至各行各业。在家用工具型服务机器人方面，家用扫地机器人早已被大众所接受和使用。在医疗领域内，机器人和医疗领域的结合也日渐紧密，为医疗水平的提高提供了充足的动力。此外，物流快递行业也有服务机器人的身影，智能配送车、智能配送无人机已经逐渐走入人们视野，服务机器人行业迎来空前的发展机会。

2 标准适用范围

《通用规范》规定了服务机器人用锂离子电池及电池组的术语和定义、要求、试验方法，但未包含特种作业机器人用锂离子电池和电池组，根据用途和使用环境其应具有附加要求。

《通用规范》规定的试验适用于用户可更换型电池组和非用户可更换型电池组及其组成电池。如果在标准内容约定的某一类电池或电池组因为产品的设计、结构、功能上的制约而明确对该产品的试验不适用时，可不进行该试验。

3 服务机器人电池的基本测试要求

《通用规范》中规定的服务机器人电池的试验环境、测量参数公差、温度测量方法、样品要求、样品预处理要求、模拟故障或异常工作条件与GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》相同。

《通用规范》明确了测试的充放电程序，推荐采取下列方式之一进行：

1）制造商规定的方法；

2）以 0.2ItA 充电，当电池或电池组端电压达到充电限制电压（Ucl）时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于 0.02ItA，停止充电。

需要注意的是，在充电前电池或电池组先以推荐放电电流（Icr）进行恒流放电至放电终止电压（Ude），并静置10 min。

优先推荐采用方法 1）。

4 服务机器人电池安全性要求

服务机器人的电池安全性问题可以分为：电安全、外部环境引起的安全、热滥用等，共11项测试项目。

4.1 电安全相关项目

服务机器人用电池电安全相关项目重点考核高温外部短路、过充电、强制放电三个项目，测试要求试后电池应不起火、不爆炸。

4.1.1 高温外部短路

本项目旨在考核电池在充满电后，外部达到高温条件时，在外接电阻不大于20 mΩ条件下用导线连接电池正负极端开始放电的过程中、过程后电池的安全性。

试验的高温要求为57 ℃±4 ℃，试验过程中监测电池温度变化，当出现以下两种情形之一时，试验终止。

1）电池温度下降值达到温度最大值的20%；

2）短接时间达到24 h。

当有争议时，1）和2）选较严者。

4.1.2 过充电

本项目旨在考核电池在电池经受过充电条件下的安全性，过充电试验电压见表2。

表2 过充电试验电压

测试步骤如下：

1）电池以推荐放电电流（Icr）进行恒流放电至放电终止电压（Ude）；

2）用最大充电电流（Icm）恒流充电至表1的试验电压，然后以该电压值恒压充电。

表1 服务机器人电池安全要求测试项目

3）试验过程中监测电池温度变化，当出现以下两种情形之一时，试验终止：

a)电池持续充电时间达到7 h或制造商定义充电时间中较大值；

b)电池温度下降值达到温度最大值的20%。

需要注意的是，当有争议时，a）和b）选较严者。

4.1.3 强制放电

强制放电项目是以强制还原正负极材料或者正负极集流体的形式，完成电荷转移和电子平衡，对电池是不可逆的破坏性的一种安全测试，目的是检验极端情况下的电池安全状况。

测试步骤：

1）电池以推荐放电电流（Icr）进行恒流放电至放电终止电压（Ude）；

2）以1It电流进行反向充电至负的充电上限电压，反向充电时间共计90 min。

如果在反向充电90 min内，电压达到负的电池充电上限电压，应当通过减小电流保持该电压继续进行反向充电，反向充电共计90 min后终止试验，如图1情况1所示。

如果在反向充电90min内，电压未达到负的电池充电上限电压，则反向充电共计90min后终止试验，如图1情况2所示。

图1 强制放电示意图

需要注意的是，图1中的线仅作示例，实际情况（除水平线部分）不一定是线性或直的。

4.2 外部环境引起的安全项

根据UN38.3国际航协《危险物品规则》的相关规定,该行标设定了低气压、温度循环、振动、加速度冲击、跌落、挤压、重物冲击，共7项测试项目，且试验要求与国际要求保持一致。

4.3 热滥用安全

当在热冲击、过充、过放、短路等滥用状态下，电池内部的活性物质及电解液等组分间将发生电化学反应，引起电解液的分解，产生大量的热量与可燃性气体，当积累到一定程度就会引起电池的着火、爆炸。

在进行该项测试时，先将电池充满电，再将电池放入防爆试验箱中。试验箱以（5±2） ℃/min的温升速率进行升温，当箱内温度达到130 ℃±2 ℃后恒温，并持续1 h，要求电池不起火、不爆炸。

5 服务机器人电池/电池组性能要求

电池是服务机器人的能量来源，直接影响服务机器人的动力性能、续航能力，间接影响工作周期，基于目前的技术水平，行标对服务机器人的电池性能从初始容量、高温容量、低温容量、倍率放电、荷电保持能力、容量回复能力、循环寿命、内阻等7个项目规定了测试方法和测试要求，其中容量回复能力、循环寿命、内阻测试的测试方法与QB/T 2502-2000《锂离子蓄电池总规范》相同，本文不展开介绍。

5.1 初始容量

电池的初始容量是服务机器人中性能续航的标称值，电池和电池组的初始容量不应低于制造商标定的额定容量。

电池和电池组的初始容量测试方法如下：

1）按照《通用规范》充电要求充满电，在23 ℃±2 ℃的环境温度下搁置1 h;

2）在23 ℃±2 ℃的环境温度下以0.2ItA恒流放电至放电终止电压，测量放电容量。

步骤1）、2）共进行3次，取3次测量得到的最小值。

5.2 高温容量

基于电池的运行环境和服务机器人结构考虑，行标高温容量的考虑温度为55℃或制造商推荐的最高放电温度取较低值。

测试时，电池/电池组充满电后在55 ℃或制造商推荐的最高放电温度下搁置2 h后，以0.2ItA恒流放电至放电终止电压，测量放电容量。要求电池高温放电容量不应低于初始容量的98%，电池组高温放电容量不应低于初始容量的95%。

值得注意的是，基于目前电池的技术水平，高温容量测试的温度最高为55 ℃，如制造商声明的最高放电温度较低，则应使用制造商推荐的温度。

5.3 低温容量

考虑到服务机器人使用地域及场景不同，低温下服务机器人具备良好性能是其基本要求之一，因此考量电池及电池组低温容量性能十分必要。

测试时，先将电池或电池组充满电，然后在环境温度为-10 ℃±2 ℃的低温箱中放置4 h，再以0.2It电流放电至终止电压，测量放电容量，要求电池的低温放电容量不应低于其初始放电容量的70%，电池组低温放电容量不应低于其初始放电容量的65%。

5.4 倍率放电

锂离子电池的充放电倍率，是衡量电池性能的一项关键指标。

行标规定，电池或电池组充电停止后,搁置0.5h～1h，在20 ℃±5 ℃的环境温度下以其最大放电电流（Idm）放电至终止电压，要求其放电容量不应低于制造商声明的倍率放电容量。

5.5 荷电保持能力

此项目主要考查长时间待机时，电池和电池组的荷电保持能力。

测试时，先将充满的电池/电池组在20 ℃±5 ℃的环境温度下储存28天，然后在23 ℃±2 ℃的环境温度下搁置1 h，再以0.2ItA的电流恒流放电至放电终止电压，测量放电容量，要求放电容量不应低于初始放电容量的90%。

6 电池组及一致性要求

由于电池组是由任意数量的锂离子电池组合而成且准备使用的组合体，该组合体包含保护电路，还可能含有封装材料、连接器、保护器件等。因此，行标对电池组增加了过压充电保护、欠压放电保护、过流充电保护、过载保护、高温保护、短路保护等测试项目。

值得一提的是，对于电池组，带BMS的电池充放电后可能会存在静电，因此每个项目试验前，样品预处理后还应按GB/T 17626.2的规定对电池组每个端子或者电路板的输出端子进行4 kV接触放电测试（±4 kV各10次）和8 kV空气放电测试（±8 kV各10次）。

《通用规范》发布后将作为服务机器人用锂电池和电池组的型式试验的依据，因此其还对电池或电池组每一节电池或电池并联块的一致性提出了要求，并规定了单级电池过充保护、单级电池过放保护测试方法及要求。

7 总结

目前我国服务机器人主要使用锂离子电池和电池组，以外购为主。还有服务机器人应用场景需求层出不穷，国内生产制造企业日益增多，但是国内服务机器人制造商规模小，电池作为其主要零部件目前仍属于卖方市场。《通用规范》作为行业标准为服务机器人电池/电池组提供了测试依据，有利于推动服务机器人行业的推广和应用。