GB 40165-2021与IEC 62619-2017标准差异研究

戴加诚 黄 鲲 庄宇迪 柳 震 邓俊钊

（1.嘉兴威凯检测技术有限公司 嘉兴 314000； 2.威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

近年来，我国储能电池装机量一直保持高速增长的趋势。储能电池下游应用范围非常广，包括电力系统、通信基站、数据中心、轨道交通等。但是，电化学储能存在一个最重要的问题，那就是安全性。而且，随着电池比能量和比功率越来越高，发生事故的危险性也将越来越大。目前国际上IEC 62619-2017标准是工业用锂电池CB认证的重要依据标准，而国内对用于固定式电子设备（主要为工商业使用）中的电池和电池组尚未出台相应的国家标准，为此，2021年4月30日国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会联合发布了GB 40165-2021《固定式电子设备用锂离子电池和电池组-安全技术规范》（以下简称国标）。该国标作为强制性标准，将于2022年5月1日正式实施，对提高固定式电子设备及工业应用的锂离子电池和电池组质量水平、产品优化，提高对人身和财产安全保护，规范行业市场等方面都有着重大意义。IEC 62619-2017与国标在标准适用范围和测试方法上有着一定的相似，两者都对固定式设备做出了规范，例如通信设施、不间断电源、储能系统、应急电源等。但是IEC 62619-2017标准还涵盖了动力应用产品如叉车、高尔夫球车、自动导引车等。下面就对两个标准的差异详细的分析和研究。

1 标准差异概述

IEC 62619-2017与GB 40165-2021这两个标准的简要差异见表1。

表1 IEC 62619-2017与GB 40165-2021测试项目差异列表

在电安全方面，IEC 62619-2017比国标多了两个试验项目，分别是内部短路和热蔓延。另外在相同试验项目上也有较大的差异，主要体现在测试条件、测试参数、终止条件等方面。

在环境安全方面，国标的试验项目相较于IEC 62619-2017多了温度循环、振动、加速度冲击、低气压这4项试验，这4项试验模拟了：高低温环境之间不断变化（比如中国有多种气候环境，部分地区的昼夜温差非常大）；运输、装运或者工作时遇到的振动、冲击等异常状况；高海拔环境下和航空运输时的低气压等各种环境。考验电池在这些环境下的安全性能，以提高对人身和财产的安全保护。而IEC 62619-2017在这方面只有跌落、重物冲击、热滥用这三项试验，可以看出IEC 62619-2017和国标这两个虽然都是安全性方面的标准，但IEC 62619-2017更偏向于电安全性，国标的话不管是电安全还是环境安全都有覆盖，相对来说更加全面。

IEC 62619-2017在电池系统层级的安全试验相对较少，分别是过压充电控制、过流充电控制、过温充电控制，而国标规定了8项电池系统层级的安全试验。电池系统在实际设备应用场景中占据主导，因此电池系统的保护功能是设备安全性的第一道防线，也是最主要的保护措施。电池系统的保护功能主要是由BMS电池管理系统（有时也叫BMU电池管理单元）来实现，它是一种与电池组相连的，在电池组过充、过流、过放以及过热下能够切断电路的电子系统，可以用来监控和管理电池组的状态，也可以称为电池的守护者。BMS电池管理系统主要由各类传感器、执行器、控制器以及信号线等组成。通常具有以下功能：电池参数检测；电池状态估计；在线故障诊断；电池安全控制与报警；充放电控制；电池均衡；热管理等等。

2 电安全试验差异

2.1 外部短路

外部短路是电池安全事故主因之一，也是触发电池热失控的重要诱因之一，国标中将外部短路的试验温度设置为（55±5）℃[2]，IEC 62619-2017中则为（25±5）℃[3]的常温环境，考虑到有相当数量的固定式设备长期工作在户外场所，在夏季高温天气的工作环境温度较高，国标与实际情况也比较贴合。另外国标中总外部电阻限制为不大于30 mΩ[2]，而IEC 62619-2017则将其规定在（30±10）mΩ[3]范围内即可。通过对某款磷酸铁锂电芯在相同SOC状态，不同外部电阻下短路测试发现，更小的外部电阻下短路电流峰值和温度峰值更高，如图1所示，灰线表示电流，黑线表示温度。可见国标的条件相对更加严格。

图1 不同外部电阻下温度、电流曲线对比

2.2 过充电

电池的过充电也是引起电池热失控的主要原因之一，在实际使用场景中，人们接触的最多的就是充电，大部分安全事故均是在过充过程过发生的。锂电池由于材料特性，充电会有一个上限电压值，钴酸锂、锰酸锂、三元锂的上限一般在4.2 V，磷酸铁锂材料的上限一般在3.65 V，如果充电超出了这个上限电压继续充电，会导致过量的锂从正极脱出，从而引起正极结构坍塌，放出热量和释放出氧。同时锂在负极不断沉积，表面会生长出锂枝晶，锂枝晶可能会刺穿隔膜引起内部短路。过充引起电池内部一系列的化学反应放出大量的热量和烟气，最终会导致热失控[1]。图2为某锂电池组过充测试中发生起火爆炸的过程。

图2 锂电池组过充电测试不合格发生起火爆炸过程照片

国标和IEC 62619-2017过充电项目的区别主要在试验样品状态和试验终止条件，IEC 62619-2017是针对电池系统中完全放完电的电芯充电至保护电压，终止条件为温度达到稳定（30 min内变化小于10 ℃）或降至室温[3]。而国标是对满电电芯充电至1.2倍充电上限电压或5 V中的较大值，终止条件为持续1 h或温度降到峰值温升50 %[2]。国标的测试更加严苛，对电芯制造商有着更高的技术要求，并促使电池过充安全性的研究。

2.3 强制放电

在强制放电项目上，国标和IEC 62619-2017的测试方法较为相似，唯一的区别是IEC 62619-2017考虑了最大放电电流小于1 C的情况，不像动力电池具有较大的放电倍率，储能用电池更注重寿命和稳定。

2.4 内部短路

内部短路简单来说就是电芯内部的正负极之间发生接触造成短路。IEC 62619-2017的内部短路试验参考了IEC 62133，通过在棱柱形电芯内部正负极之间放置镍片并对电池施加400 N的挤压力[3]，来模拟内部金属毛刺或者锂枝晶刺破隔膜，引起内部短路。

2.5 热蔓延

锂电池的安全事故中通常都不是整个电池系统直接发生爆炸或者起火，而是由于内部个别电芯的异常升温和热失控引起了周围其他电芯温度升高，使热失控逐步蔓延至整个电池系统，从而造成最终的爆炸或起火。这项测试会用加热块加热电池系统内某个电芯直至热失控，停止加热并观察1 h，要求火焰不蔓延至电池系统外部或者电池系统外壳不破裂。这项测试与GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中的热扩散相似，都是通过外部手段触发中间某个单体热失控，不同点在于：如果热扩散会导致乘员舱发生危险，电池系统应在这之前5 min发出热事件报警信号，提醒乘员疏散[4]，这对乘员的人身安全至关重要。IEC 62619-2017对这项测试的规定具有很强的现实意义，对电池企业提出了严格要求，对周围人员的人身安全以及其他重要设备的财产安全起到了一种保护作用，一旦火焰蔓延至电池系统外部，将会引燃周围其他可燃物，对设备和人身安全造成无法挽回的后果。

3 环境安全试验差异

3.1 跌落

两个标准的跌落试验基本一致，但是在7 kg≤样品重量＜20 kg这个范围时，IEC 62619-2017的跌落高度统一为10 cm[3]，国标的话需要根据公式[100-90（m-7）/13]cm，用样品重量计算跌落高度[2]。

3.2 重物冲击

对于这项试验，两个标准的主要区别为IEC 62619-2017对棱柱形电芯和圆柱形电芯都适用，并且对棱柱形电芯的宽面和窄面进行测试[3]，而国标只适用于直径大于等于18 mm的圆柱形电芯[2]。

3.3 热滥用

热滥用模拟了电池在异常高温条件下的安全性，电池在异常高温环境中可能会引起内部材料和电解液的分解，内部一系列的化学反应使温度进一步升高，造成热失控。IEC 62619-2017对热滥用的试验温度要求为（85±5）℃下保持3 h[3]，国标要求了更高的试验温度（130±2）℃[2]，但保持时间缩短了。IEC 62619-2017侧重了保持时间，国标侧重了高温温度。

4 系统层级功能安全试验

4.1 过压充电控制

前文提到大部分安全事故均是在过充过程过发生的，因此避免发生过充尤为重要。这需要对充电时的电压进行监控，制造商要设定一个电压保护值，当充电到该保护电压时，电池管理系统就要发出报警信号并中断充电，对电池起到保护作用。为了验证试验样品电池管理系统的保护功能，IEC 62619-2017和国标都规定了这项试验，并且两个标准在这项试验上非常相似，唯一的区别是IEC 62619-2017只要求进行一次测试即可判定结果，而国标要求进行三次测试，并且国标在另外几个系统层级的试验同样要求三次测试，这更能考验电池管理系统在保护功能上的可靠性。图为IEC 62619-2017过压充电控制测试曲线，可以看到单体电芯从完全放完电状态开始充电，温度逐渐升高，当充电至单体电压4.2 V时，电压出现了陡降，并且温度开始下降，此时可判断电池管理系统起作用，中断了充电。

4.2 过流充电控制

制造商通常会规定电池系统能够安全工作的最大持续充电电流，但是当电池系统由于故障等原因，以超过最大持续充电电流充电时，电池系统内的电芯温度会快速升高，如果没有得到控制，当温度到达一定值，电芯内部材料、电解液、隔膜等会分解放出大量热量和可燃烟气，最终引发热失控。因此，电池管理系统需要能够监控充电电流，当充电电流超过了设定的充电保护电流值，应发现过流情况并采取相应动作来控制。在这一点上，IEC 62619-2017和国标的要求不同，IEC 62619-2017要求电池管理系统应当通过自动断开主接触器来中断充电电流[3]，更偏向于保护；而国标则规定将充电电流控制在最大充电电流以下，同时也允许符合保护策略的中断，并且进行3次测试[2]，国标的规定更加偏向于控制，更符合实际场景。在实际运行过程中，如果一旦发生了过流现象，管理系统立即中断电路了，将对整个电池系统造成影响，但是管理系统发现了过流后将其控制到最大充电电流以下的话，这样即能保证正常运行，也能对电池系统起到保护作用。

图4为IEC 62619-2017过流充电控制测试曲线，可以看到完全放电的单体电芯过流充电时电压瞬间升高后立刻出现了陡降，此时可判断电池管理系统起作用，中断了充电。

图3 IEC 62619-2017过压充电控制测试曲线

图4 IEC 62619-2017过流充电控制测试曲线

4.3 过温控制

高温过热也是引起锂电池热失控的主要原因之一，电池储能系统通常由多个电池组组合而成，在运行过程中会产生大量热量，特别是集装箱储能系统内电池排布紧密，且集装箱内部相对封闭，电池充放电产生的热量容易积累导致温度过高，影响电池的使用寿命和安全性能。这就需要对这些电池进行散热，目前行业中主要的散热方式为强制风冷和液冷，其中强制风冷占比较大，强制风冷的散热方式是通过安装空调和风扇进行制冷，满足了常规储能系统的散热要求，且成本在可接受范围内。液冷的技术要求和成本较高，还不适合大规模应用。

当散热装置无法控制住温度或者电池本身在充电过程中发生了异常导致温度超过了允许的最大工作温度，这就需要电池管理系统来发现并中断，从而避免导致更严重的后果。

对于过温控制这项试验，IEC 62619-2017和国标的主要区别在于使样品升温的方式不同，国标是先充满电后搁置10 min，再放出50 %SOC来使温度上升到超过最大工作温度5 ℃[2]；相反，IEC 62619-2017是先放完电后再充电到50 %SOC[3]，两者的目的都是将样品升温来超过制造商设定的最大工作温度，从而验证电池管理系统的过温控制功能。在测试结果上，两个标准都要求管理系统能够发现过高温并终止充电。

5 结论

GB 40165-2021《固定式电子设备用锂离子电池和电池组-安全技术规范》的发布对固定式电子设备用的锂离子电池和电池组在人身和财产安全保护方面有着重大意义，填补了我国在此之前的空白，这个强制性国家标准的实施，对相关适用产品和生产企业有了更高的要求，特别是该标准所述的电池和电池组适用的产品范围非常广，涉及到信息技术、通信技术、音视频、测量控制、应急电源、不间断电源等多种类别，该标准将对多个行业产生巨大影响，各大电池生产企业及配套企业应高度重视。希望本文通过将GB 40165-2021和IEC 62619-2017的对比，能帮助我们更好的学习标准，并为相关锂电池产品的技术改进提供一定的参照。