动力锂离子电池安全性能检测标准化综述

2023-01-17陈志斌王志远王德新

电池 2022年6期

陈志斌,王志远,邵丹,王德新

[1.佛山绿色发展创新研究院,广东佛山 528000; 2.广州能源检测研究院,广东广州 511447;3.中氢绿源(广东)科技有限公司,广东佛山 528010]

2021年,我国新能源汽车全年产销分别完成354.5万辆和352.1万辆,同比均增长1.6倍[1],同时新能源汽车保有量也呈现快速增长的势头,但自燃、起火等安全事故也相应增加。动力电池是新能源汽车的“心脏”,其安全问题一直是新能源汽车行业的关注重点,相关标准化工作已成为国内外标准化机构的重点工作之一。

动力锂离子电池使用寿命长、比能量高,是目前电动汽车主要的动力电池类型[2]。本文作者整理目前国内外动力锂离子电池安全性能检测的相关标准,并对其进行分析和总结,以期为完善动力锂离子电池安全性能检测标准化体系提供借鉴和参考,提升我国新能源汽车动力电池产业的产品整体质量和国际竞争力。

1 国外动力锂离子电池检测标准现状

在国际标准化领域,国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)等组织针对锂离子电池、铅酸电池、碱性蓄电池和燃料电池制定了一系列标准。美国、日韩及欧美等动力电池产业较为发达的国家和地区,结合自身国情与产业发展情况,紧跟国际标准,建立了适用于自身的动力电池标准体系。表1为部分国外动力锂离子电池的检测标准。

表1 部分国外动力锂离子电池检测标准Table 1 Parts of foreign testing standards of traction Li-ion battery

1.1 国际标准

ISO下辖各标准化组织中,道路车辆技术委员会电动车辆分技术委员会(ISO/TC22/SC37)负责制定电动道路车辆、电力推进系统、相关部件和车辆集成等方面的标准,其中与动力锂离子电池安全检测相关的标准为ISO 12405-4:2018和ISO 6469-1:2019。

ISO 12405-4:2018整合并且替代了ISO 12405-1和ISO 12405-2,规定了用于纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、混合动力电动汽车(HEV)和某些类型燃料电池汽车(FCV)的高功率或高能量应用的电池组和系统的性能、可靠性和电气功能等基本特性的测试程序,目的是为了整车厂供应可选择的测试项和测试方法[3]。ISO 6469-1:2019整合并且替代了ISO 12405-3和ISO 6469-1:2009,规定了用于保护人员的电动道路车辆的RESS的安全要求,为制造、维护和维修人员提供全面的安全信息[4]。

IEC下辖各标准化组织中,主要是由蓄电池和电池组技术委员会(IEC/TC21)负责电动道路车辆锂离子电池性能和安全标准的制修订。IEC/TC21和电动道路车辆和电动载货车技术委员会(IEC/TC69)成立了JWG 69 Li联合工作组,专注于车用锂离子电池。IEC公布的车用锂离子电池标准主要有IEC 62660-1、IEC 62660-2和IEC 62660-3。

IEC 62660系列标准第一部分规定了用于获得车用锂离子电池容量、功率密度、能量密度、存储寿命和循环寿命等基本特性的测试方法;第二部分规定了用于获得车用锂离子电池的可靠性和滥用行为基本数据的测试方法;第三部分规定了用于车用锂离子动力电池和电池组的安全性能的测试程序和验收标准,旨在确定在电动汽车正常运行期间,电池组和系统中使用的电池在预期用途和合理可预见的误用或事故中的基本安全性能[5-7]。

UN 38.3是指《联合国危险物品运输试验和标准手册》的第3部分38.3款,是使用广泛的电池安全测试方法,关注电池在运输过程中的安全要求,测试内容包括热测试、振动、冲击和外部短路等[8]。该标准在国际上被广泛采纳并引用,是国际上制定电池的航空、航海、公路、铁路运输标准的主要依据。

1.2 美国标准

电池作为电气产品的零部件进入美国市场,需要通过美国保险商实验室(UL)认证。目前,锂电池UL认证所采用的标准主要为UL 1642和UL 2054,分别针对锂电池芯和锂电池包。UL 1642的主要测试项目包括室温短路测试、过充测试、挤压测试、机械冲击测试和振动测试等[9]。UL 2054的测试项目主要包括电测试、机械测试、电池组外壳测试、跌落撞击测试、250 N静力测试、火烤测试和环境测试等[10]。UL 2580适用于电动车辆用电池、电池包、电容系统、混合动力系统以及子系统或模块,主要用于评估电池的滥用可靠性和在滥用出现危害时对人员的保护能力[11]。

国际自动机工程师学会(SAE)在汽车领域拥有庞大、完善的标准体系。SAE J1797通过对尺寸、端接、通风系统和电动汽车应用所需的其他特征的描述,提供了常见的电池设计和正确包装电池模块的指南[12]。SAE J1798为确定电动汽车电池模块的基本性能和电池模块是否符合车辆制造商或其他购买者制定的最低性能规格,提供了常用的测试和验证方法[13]。SAE J2380是电动汽车电池的振动测试较经典的标准,以实际车辆道路行驶的振动载荷谱采集统计结果为基础依据,测试方法更符合实际车辆的振动情况,具有重要的参考价值[14]。SAE J2464是应用于北美和全球地区的车用电池滥用测试手册,明确指出了每个测试项的适用范围及要采集的数据,也针对测试项目所需样品数量给出了建议[15]。SAE J2929是SAE在总结之前颁布的各种动力锂电池相关标准上提出的安全性标准,包括电动汽车在行驶过程中可能出现的常规情况测试和异常情况测试两部分[16]。

2002年,美国政府成立了自由车(FreedomCAR)项目,颁发了DOE/ID-11069与SAND 2005-3123。SAND 2005-3123规定了一套模拟实际使用和滥用条件的完整的滥用测试,该标准对SAE J2464中提出的测试描述进行了改进,包括对滥用测试的改编,以解决电动汽车应用和其他储能技术(即电容器)的问题。DOE/ID-11069规定了一些测试来验证混合动力电动车用电池的性能和循环寿命等特性。这些测试方法直接应用于完整的电池系统,但大部分测试方法也可适当地应用于单体、电池模块或低于全尺寸电池的测试[17-18]。

1.3 其他组织标准

日本国家标准局(JIS)的JISC 8715-2规定,道路车辆用电池优先适用IEC 62660系列标准[19]。

进入韩国市场的电动汽车的动力电池没有单品强制认证需求,但需要在整车认证时,依据《韩国机动车辆安全标准》KMVSSArticle 18-3及测试规程KMVSSTP 48进行测试,测试项目主要包括跌落测试、浸水测试、火烧测试、短路测试、过充电保护、过放电保护和高温保护等[20]。

欧洲经济委员会(ECE)针对电动汽车制定的具体要求ECE R100.02,整体上分为两部分:第一部分对整车在电机防护、可再充电储能系统、功能安全和氢气排放等4个方面进行了规范;第二部分为增加的对可再充电储能系统的安全可靠性作出的具体要求[21]。

2 国内动力锂离子电池检测标准现状

全国汽车标准化技术委员会电动车辆分标委会(SAC/TC114/SC27)有多个标准工作组,分别负责动力电池、纯电动汽车和燃料电池汽车等方面的标准化工作。动力电池标准工作组主要针对电池系统、电池包、电池管理系统(BMS)和充电接口等开展标准化工作,专注电池安全性能、电性能等,不关注电池材料、原理和内部结构等。表2为部分国内动力锂离子电池的检测标准。

表2 部分国内动力锂离子电池检测标准Table 2 Parts of domestic testing standards for traction Li-ion battery

GB/Z 18333.1和QC/T 743被行业内广泛使用,但都是针对单体和模块级别的标准,应用范围较窄[22-23],且测试内容已不适应快速发展的电动汽车行业的需求。GB/T 31484是专门针对循环寿命的测试标准,单体和模块采用标准循环寿命,电池包和系统采用工况循环寿命[24]。GB/T 31486是针对动力电池电性能要求的测试标准[25]。GB/T 31467系列参照了ISO 12405系列,适用于锂离子动力电池包或电池系统的高功率和高能量应用测试[26-27]。

工业和信息化部组织制定的3项强制性国家标准GB 18384、GB 38031和GB 38032已于2021年1月1日起开始实施。这3项标准以原有的推荐性国标作为蓝本,对标联合国技术法规 UN GTR No.20《电动汽车安全全球技术法规》[31],与国际标准接轨,提高和优化了国内对动力电池及电动汽车整车的安全技术要求。

GB 18384以国内外相关标准为基础,结合近几年电动汽车事故场景及检测机构的测试经验,在综合考虑国内使用工况的特殊性、行业技术发展水平和技术路线的基础上加以制定。该标准主要规定了电动汽车的电气安全和功能安全要求,增加了电池系统热事件报警信号要求,可在第一时间给驾乘人员安全提醒;强化了整车防水、绝缘电阻及监控要求,以降低车辆在正常使用、涉水等情况下的安全风险;优化了绝缘电阻、电容耦合等试验方法,以提高试验检测精度,保障整车高压电安全[28]。

GB 38031将GB/T 31485和GB/T 31467.3两个分散的标准整合成一个试验对象和试验项目更为完整的国标,并且升级为强制性标准,对标了IEC 62660-2、IEC 62660-3、ECE R100.02和UN GTR No.20等国际标准。GB 38031取消了模组测试、电池单体的跌落、低气压、针刺及电池包或系统的跌落的测试要求,而对电池单体的海水浸泡试验和电池系统的翻转试验,则由各企业根据实际情况自行开展研究,并针对近几年热扩散造成的多起重大安全事故及快充快放等大电流使用场景高风险性的情况,新增了热扩散和电池系统过流保护试验,要求系统应具有热事件报警功能,在乘员舱发生危险前5min提供报警信号,使GB 38031定位更加清晰合理,更好地与国际标准接轨[29]。

GB 38032是根据工信部在2016年公布的《电动客车安全技术条件》的实施情况,并充分借鉴已有的传统客车标准、电动汽车整车与关键部件标准和最新的UN GTR No.20中关于电动商用车的要求,从水尘防护、火灾防护、充电安全、碰撞安全和远程监控等方面综合考虑,制定的强制性国家标准,旨在加强电动客车行业管理和提高产品安全要求[30]。

3 国内外标准对比与启示

3.1 国内外标准对比

3.1.1 适用范围

IEC 62660系列、GB/T 31484和GB/T 31486是针对电池单体和模块级别的测试,UL 2580、SAE J2929、ISO 12405-4、GB 38031和GB/T 31467系列则适用于电池组和电池系统的测试。国外标准除了IEC 62660系列,其他基本都涉及电池组或系统级别的测试,SAE J2929及ECE R100.02提到了整车级别的测试。两份强制性国家标准GB 18384和GB 38032与国际技术法规全面接轨,规定了电动汽车整车级别的要求和测试方法,体现了我国电动汽车行业的快速、高质量发展。

3.1.2 测试项内容

在电池包和电池系统的测试方面,不论是电性能还是可靠性,美国标准涵盖的测试项都最多。在电性能测试方面,DOE/ID-11069比其他标准多出的项目有混合脉冲功率特性(HPPC)、日历寿命、参考性能、阻抗谱、模块控制检验测试、热管理载荷和结合寿命验证的系统水平测试等。在可靠性方面,UL 2580比其他标准多出非平衡电池组充电、耐压、绝缘、持续性试验和冷却/加热稳定系统故障试验等项目,以及针对生产线上电池组零部件的安全测试和系统设计方面的安全性要求。SAE J2929要求对电池系统的各个部分进行故障分析,并保存相关材料,包括易识别故障的改进措施。

3.1.3 严格程度

关于相同的测试项,不同标准中规定的测试方法和判定准则也不尽相同,如振动试验的振动时间、频率范围等要求在不同标准中有所差异。ECE R100.02中规定,在垂直方向进行3 h正弦振动,频率为7～50 Hz;ISO 6469-1中规定,三轴向共36 h随机振动,频率为5～200 Hz;GB 38031中规定,三轴向共39 h随机及定向振动,频率为5～200 Hz。比较发现,ECE R100.02在振动方向、频率范围、时间上的要求更低。对于测试样品的荷电状态(SOC),各个标准的规定不尽相同,从20%到100%不等。

此外,在振动测试中,ECE R100.02、ISO 6469-1和GB 38031均要求振动后不漏液、不起火、不爆炸等;而 ECE R100.02特别提出,振动后的样品应进行一次充放电循环。这不仅要求电池在振动中不会发生危险,同时也考察电池振动后的电性能,要求更高、更全面。

3.2 启示

近年来,我国积极开展动力电池的研究工作,动力电池的标准化也取得长足的进步,但与国外标准相比仍有差距,主要体现在以下方面:

结果评价标准单一、扁平。目前的结果评价只有无泄漏、无外壳破裂、不起火和不爆炸等,较宽泛和单一,缺少可量化的评判体系。需要深入研究量化动力电池安全性能的检测与评价方法,建立并完善动力电池安全性能的检测和评价标准体系。欧洲汽车研究与技术发展委员会(EUCAR)将电池的危害程度划分成8个等级,有一定的借鉴意义[32]。

标准覆盖范围有待进一步提高和系统化。目前,动力电池生产环境方面的国家标准《动力电池数字化车间集成第1部分:通用要求》正在制定;在动力电池回收利用方面的相关国家标准也在不断地制定完善中。国内的动力电池标准对实际制造、运输、应用和维护等过程中的复杂性涉及较少,应尽可能地考虑动力电池整个生命周期的标准构成,建立全生命周期下的安全性检测方法[33]。