新国标下新能源汽车动力电池检测评价

杨进峰

广东工程职业技术学院，广东 广州 510520

0 引言

2014年5月24日上午，习近平在上海汽车集团考察时强调，汽车行业是市场很大、技术含量和管理精细化程度很高的行业，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，要加大研发力度，认真研究市场，用好用活政策，开发适应各种需求的产品，使之成为一个强劲的增长点。新能源汽车技术研发能不能占领制高点，已经成为当今世界汽车行业竞争的焦点。

动力电池系统作为新能源汽车的关键零部件，其性能直接影响整车动力系统性能。另外，消费者对于新能源汽车动力性能、可靠性能、环境适应性能和安全性能等要求也越来越高。因此，全方位地测试评价动力电池系统的能力，提供安全可靠的动力电池系统在新能源汽车开发的过程中尤为重要[1]。

1 新能源汽车动力电池系统组成和功能

新能源动力电池系统包含由电池单体（SC）组成的电池模块、电池包（BP）、电池管理模块（BCM）、热管理装置、监测电芯电压、温度和均衡电芯的电池管理单元（BMU）、高压电路、低压电路、绝缘检测模块、保险丝、继电器和连接线缆等元器件。典型的电池系统结构如图1所示。

图1 含集成电池控制单元的电池系统

新一代动力电池主要包括新一代锂离子电池、燃料电池、锂硫电池以及金属-空气电池。其中，新一代锂离子电池在众多新能源汽车车型上已实现商业化应用；燃料电池汽车虽然具有一定的应用领域和良好的应用前景，但是短期内难以解决的关键技术瓶颈制约其商业化推广；锂硫电池与金属-空气电池尚处于实验室研究阶段，实际应用为时尚早[2]。随着锂离子电池的大量推广使用，因锂离子电池引发的新能源汽车事故也越来越多。高工产业研究院（GGII）根据公开报道不完全统计得出，2020年上半年国内共发生电动汽车起火事故20起，具体统计结果如表1所示。

新能源汽车产品车辆使用状态可以分为普通行驶、正常停放、碰撞、水侵和充电5种。其中，风险较高且频繁出现的为充电状态。新能源车辆在充电过程中，出现事故的主要原因是充电滥用行为，包括电池过充和使用不符合要求的充电设备进行操作两个方面，过充会导致电芯损伤甚至彻底失效，而电芯的失效可能会导致电池包整体密封失效直至机械结构的破坏，同时可能会造成电芯模组间的短路、发热、热失控直至燃烧，最终导致动力电池起火[3]。由表1可知，三元锂离子电池引起的新能源汽车自燃仍是新能源汽车发生起火事故的首要原因。

表1 2020年上半年我国电动汽车起火事故统计

2 新能源汽车动力电池新国标

频繁的新能源汽车燃烧事故，关于锂离子电池安全性能检测和试验方法再次成为广大新能源汽车用户关注的焦点。我国早在2015年，由国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）发布了《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》（GB/T 31484—2015）、《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》（GB/T 31485—2015）、《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》（GB/T 31486—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 31467.1—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 31467.2—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》（GB/T 31467.3—2015）等一系列国家标准，对电动汽车电池安全，特别是锂离子动力电池的性能要求和试验检测进行了严格的规定，而在2020年5月国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）发布了第11号国家标准公告，包括《电动汽车安全要求》（GB 18384—2020）、《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031—2020）等。2020年9月又再次发布了《电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法》（GB/T 39086—2020）。这些新标准由中华人民共和国工业和信息化部提出，参与起草单位包括电池巨头如宁德时代新能源科技股份有限公司等多家动力电池生产厂商，研究中心包括中国汽车技术研究中心有限公司、中国电子科技集团公司第十八研究所，以及整车厂如比亚迪、上汽集团、一汽集团、广汽集团等共计33个单位和部门，分别从电池单体、电池包或系统等方面制定了动力电池的安全性及可靠性标准，最终形成了比较科学、合理的动力电池标准法规体系。

《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031—2020）代替2015年版《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》（GB/T 31485—2015）及《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》（GB/T 31467.3—2015），在电池单体模块方面，修改了电池单体过放电的安全要求、电池单体过充电的试验方法、电池单体挤压的试验方法3个方面，删除了电池单体跌落的安全要求和试验方法、电池单体针刺的安全要求和试验方法、电池单体海水浸泡的安全要求和试验方法、电池单体低气压的安全要求和试验方法、电池模块的安全要求和试验方法5个方面。在电池包或系统方面，共修改了电池包或系统振动的安全要求和试验方法等14个方面，删除了包括电池包或系统电子装置振动的安全要求和试验方法等3个方面，增加了包括电池包或系统热扩散安全要求和试验方法、电池包或系统过流保护的安全要求和试验方法2个方面的内容。

3 新标准下动力电池单体试验方法及要求

电池单体的安全要求就是不起火、不爆炸，不涉及生产、运输、维护和回收安全，也不涉及性能和功能特性[4]。锂离子电池在遭遇机械滥用、电滥用、热滥用时极易发展成热失控，对其安全性产生极大威胁[5]。因此，新标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031—2020）对电池单体设计了6个试验，分别是过放电、过充电、外部短路、加热、温度循环、挤压。电池单体在进行试验前都需要进行标准充电和预处理。标准充电即电池单体先以制造商规定且不小于1I3[I3为3 h率放电电流（A），其数值等于额定容量值的1/3]的电流放电至制造商技术条件中规定的放电终止电压，搁置1 h（或制造商提供的不大于1 h的搁置时间），然后按制造商提供的充电方法进行充电，充电后搁置1 h（或制造商提供的不大于1 h的搁置时间）。若制造商未提供充电方法，则由检测机构和制造商协商确定合适的充电方法，或依据以下方法充电：以制造商规定且不小于1I3的电流恒流充电至电池单体达制造商技术条件中规定的充电终止电压时转恒压充电，至充电电流降至0.05I1[I1为1 h率放电电流（A），其数值等于额定容量值]时停止充电，充电后搁置1 h（或制造商提供的不大于1 h的搁置时间）。预处理即正式测试开始前，电池单体需要先进行预处理循环，以确保试验对象的性能处于激活和稳定的状态。动力电池单体试验主要方法如下。

3.1 过放电

（1）试验过程：将试验样品电池单体先进行标准充电，以1I1的电流即额定容量值大小的放电电流放电90 min。完成以上试验步骤后，在试验环境温度下观察1 h后结束试验。

（2）试验要求：试验过程中电池不爆炸、不起火。

（3）试验目的：电滥用下的测试。

3.2 过充电

（1）试验过程：将试验样品电池单体先进行标准充电，以制造商规定且不小于1I3的电流即额定容量值的1/3大小的恒定电流充电至制造商规定的充电终止电压的1.1倍或115%荷电状态（SOC）后，停止充电。完成以上试验步骤后，在试验环境温度下观察1 h后结束试验。（2）试验要求：试验过程中电池不爆炸、不起火。（3）试验目的：电滥用下的测试。

3.3 外部短路

（1）试验过程：将试验样品电池单体先进行标准充电，再将正极端子和负极端子经外部导线短路10 min。注意，外部线路电阻应小于5 mΩ。完成以上试验步骤后，在试验环境温度下观察1 h后结束试验。（2）试验要求：试验过程中电池不爆炸、不起火。（3）试验目的：电滥用下的测试。

3.4 加热

（1）试验过程：将试验样品电池单体先进行标准充电，稳定1 h后将试验对象放入温度箱，按下面的步骤加热。

3.5 温度循环

（1）试验过程：将试验样品电池单体先进行标准充电，放入温度箱中，温度箱温度设置循环范围为-40～85 ℃。温度循环试验一个循环的温度和时间如表2所示，温度循环试验示意图如图2所示。各个温度点保持时间、升温速率等按照表2、图2进行调节，循环次数为5次，每个循环8 h。完成以上试验步骤后，在试验环境温度下观察1 h后结束试验。

表2 温度循环试验一个循环的温度和时间

（2）试验要求：试验过程中电池不爆炸、不起火。

（3）试验目的：热滥用下的测试。

3.6 挤压

（1）试验过程：将试验样品电池单体先进行标准充电，按下列条件进行试验。①挤压方向垂直于电池单体极板方向施压，或与电池单体在整车布局上最容易受到挤压的方向相同。②挤压板形式为半圆柱体（半径为75 mm），半圆柱体的长度L大于被挤压电池单体的尺寸，挤压板形式示意图如图3所示。③挤压速度不大于2 mm/s。④电压达到0 V或变形量达到15%或挤压力达到100 kN或1 000倍试验对象重量后停止挤压。⑤保持10 min。完成以上试验步骤后，在试验环境温度下观察1 h后结束试验。

图3 挤压板形式示意图

（2）试验要求：无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象。

（3）试验目的：机械滥用下的测试。

4 结束语

对比旧国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》（GB/T 31485—2015）和新国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031—2020）的具体试验方法和要求，新国标在试验方法方面进行了较大的修改。旧国标中单体电池的检测与试验多是在理想状态下进行的，对实际应用过程中的复杂性涉及较少，电池长期使用的损耗问题也未涉及[6]。新国标中试验准备阶段强调了电池单体的预处理，确保电池试验样品性能处于激活或稳定状态。同时，对电池单体和电池包或系统的试验方法也进行了优化，对电池单体试验项目进行了删减，而对电池包或系统试验方法有增有减，也有修改，这种调整优化能更进一步推动动力电池安全性能的提升。

新能源汽车动力电池单体、电池包或系统的安全性与电池选用的材料、电池的设计以及电池的使用有关。电池的使用不仅包括正常使用、可以预料的误用和故障条件下的使用，还包括牵涉安全的环境条件，比如温度、海拔等影响因素。新能源汽车动力电池的检测，应在尽可能接近实际情况环境下进行温度、高压和衰减能力的检测，从单体电池到电池模组和整个电池包，在实训室和具体实际环境下进行多方面的测试，才能更加有效真实地反映动力电池的真实性能，保障其使用安全和工作可靠性。我国需要制定更加完善、严格的动力电池检测标准，设计更加科学的动力电池检测方法。文章对现有新国标中动力电池安全的试验方法及要求进行了对比和分析，为新能源汽车动力电池安全检测评价方法的建立提供了参考，促进了我国新能源汽车产业的进一步发展。