戴加誠 黃 鯤 莊宇迪 柳 震 鄧俊釗

（1.嘉興威凱檢測技術(shù)有限公司 嘉興 314000； 2.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

近年來，我國儲能電池裝機量一直保持高速增長的趨勢。儲能電池下游應(yīng)用范圍非常廣，包括電力系統(tǒng)、通信基站、數(shù)據(jù)中心、軌道交通等。但是，電化學(xué)儲能存在一個最重要的問題，那就是安全性。而且，隨著電池比能量和比功率越來越高，發(fā)生事故的危險性也將越來越大。目前國際上IEC 62619-2017標準是工業(yè)用鋰電池CB認證的重要依據(jù)標準，而國內(nèi)對用于固定式電子設(shè)備（主要為工商業(yè)使用）中的電池和電池組尚未出臺相應(yīng)的國家標準，為此，2021年4月30日國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會聯(lián)合發(fā)布了GB 40165-2021《固定式電子設(shè)備用鋰離子電池和電池組-安全技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱國標）。該國標作為強制性標準，將于2022年5月1日正式實施，對提高固定式電子設(shè)備及工業(yè)應(yīng)用的鋰離子電池和電池組質(zhì)量水平、產(chǎn)品優(yōu)化，提高對人身和財產(chǎn)安全保護，規(guī)范行業(yè)市場等方面都有著重大意義。IEC 62619-2017與國標在標準適用范圍和測試方法上有著一定的相似，兩者都對固定式設(shè)備做出了規(guī)范，例如通信設(shè)施、不間斷電源、儲能系統(tǒng)、應(yīng)急電源等。但是IEC 62619-2017標準還涵蓋了動力應(yīng)用產(chǎn)品如叉車、高爾夫球車、自動導(dǎo)引車等。下面就對兩個標準的差異詳細的分析和研究。

1 標準差異概述

IEC 62619-2017與GB 40165-2021這兩個標準的簡要差異見表1。

表1 IEC 62619-2017與GB 40165-2021測試項目差異列表

在電安全方面，IEC 62619-2017比國標多了兩個試驗項目，分別是內(nèi)部短路和熱蔓延。另外在相同試驗項目上也有較大的差異，主要體現(xiàn)在測試條件、測試參數(shù)、終止條件等方面。

在環(huán)境安全方面，國標的試驗項目相較于IEC 62619-2017多了溫度循環(huán)、振動、加速度沖擊、低氣壓這4項試驗，這4項試驗?zāi)M了：高低溫環(huán)境之間不斷變化（比如中國有多種氣候環(huán)境，部分地區(qū)的晝夜溫差非常大）；運輸、裝運或者工作時遇到的振動、沖擊等異常狀況；高海拔環(huán)境下和航空運輸時的低氣壓等各種環(huán)境?？简炿姵卦谶@些環(huán)境下的安全性能，以提高對人身和財產(chǎn)的安全保護。而IEC 62619-2017在這方面只有跌落、重物沖擊、熱濫用這三項試驗，可以看出IEC 62619-2017和國標這兩個雖然都是安全性方面的標準，但IEC 62619-2017更偏向于電安全性，國標的話不管是電安全還是環(huán)境安全都有覆蓋，相對來說更加全面。

IEC 62619-2017在電池系統(tǒng)層級的安全試驗相對較少，分別是過壓充電控制、過流充電控制、過溫充電控制，而國標規(guī)定了8項電池系統(tǒng)層級的安全試驗。電池系統(tǒng)在實際設(shè)備應(yīng)用場景中占據(jù)主導(dǎo)，因此電池系統(tǒng)的保護功能是設(shè)備安全性的第一道防線，也是最主要的保護措施。電池系統(tǒng)的保護功能主要是由BMS電池管理系統(tǒng)（有時也叫BMU電池管理單元）來實現(xiàn)，它是一種與電池組相連的，在電池組過充、過流、過放以及過熱下能夠切斷電路的電子系統(tǒng)，可以用來監(jiān)控和管理電池組的狀態(tài)，也可以稱為電池的守護者。BMS電池管理系統(tǒng)主要由各類傳感器、執(zhí)行器、控制器以及信號線等組成。通常具有以下功能：電池參數(shù)檢測；電池狀態(tài)估計；在線故障診斷；電池安全控制與報警；充放電控制；電池均衡；熱管理等等。

2 電安全試驗差異

2.1 外部短路

外部短路是電池安全事故主因之一，也是觸發(fā)電池?zé)崾Э氐闹匾T因之一，國標中將外部短路的試驗溫度設(shè)置為（55±5）℃[2]，IEC 62619-2017中則為（25±5）℃[3]的常溫環(huán)境，考慮到有相當數(shù)量的固定式設(shè)備長期工作在戶外場所，在夏季高溫天氣的工作環(huán)境溫度較高，國標與實際情況也比較貼合。另外國標中總外部電阻限制為不大于30 mΩ[2]，而IEC 62619-2017則將其規(guī)定在（30±10）mΩ[3]范圍內(nèi)即可。通過對某款磷酸鐵鋰電芯在相同SOC狀態(tài)，不同外部電阻下短路測試發(fā)現(xiàn)，更小的外部電阻下短路電流峰值和溫度峰值更高，如圖1所示，灰線表示電流，黑線表示溫度?？梢妵鴺说臈l件相對更加嚴格。

圖1 不同外部電阻下溫度、電流曲線對比

2.2 過充電

電池的過充電也是引起電池?zé)崾Э氐闹饕蛑唬趯嶋H使用場景中，人們接觸的最多的就是充電，大部分安全事故均是在過充過程過發(fā)生的。鋰電池由于材料特性，充電會有一個上限電壓值，鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰的上限一般在4.2 V，磷酸鐵鋰材料的上限一般在3.65 V，如果充電超出了這個上限電壓繼續(xù)充電，會導(dǎo)致過量的鋰從正極脫出，從而引起正極結(jié)構(gòu)坍塌，放出熱量和釋放出氧。同時鋰在負極不斷沉積，表面會生長出鋰枝晶，鋰枝晶可能會刺穿隔膜引起內(nèi)部短路。過充引起電池內(nèi)部一系列的化學(xué)反應(yīng)放出大量的熱量和煙氣，最終會導(dǎo)致熱失控[1]。圖2為某鋰電池組過充測試中發(fā)生起火爆炸的過程。

圖2 鋰電池組過充電測試不合格發(fā)生起火爆炸過程照片

國標和IEC 62619-2017過充電項目的區(qū)別主要在試驗樣品狀態(tài)和試驗終止條件，IEC 62619-2017是針對電池系統(tǒng)中完全放完電的電芯充電至保護電壓，終止條件為溫度達到穩(wěn)定（30 min內(nèi)變化小于10 ℃）或降至室溫[3]。而國標是對滿電電芯充電至1.2倍充電上限電壓或5 V中的較大值，終止條件為持續(xù)1 h或溫度降到峰值溫升50 %[2]。國標的測試更加嚴苛，對電芯制造商有著更高的技術(shù)要求，并促使電池過充安全性的研究。

2.3 強制放電

在強制放電項目上，國標和IEC 62619-2017的測試方法較為相似，唯一的區(qū)別是IEC 62619-2017考慮了最大放電電流小于1 C的情況，不像動力電池具有較大的放電倍率，儲能用電池更注重壽命和穩(wěn)定。

2.4 內(nèi)部短路

內(nèi)部短路簡單來說就是電芯內(nèi)部的正負極之間發(fā)生接觸造成短路。IEC 62619-2017的內(nèi)部短路試驗參考了IEC 62133，通過在棱柱形電芯內(nèi)部正負極之間放置鎳片并對電池施加400 N的擠壓力[3]，來模擬內(nèi)部金屬毛刺或者鋰枝晶刺破隔膜，引起內(nèi)部短路。

2.5 熱蔓延

鋰電池的安全事故中通常都不是整個電池系統(tǒng)直接發(fā)生爆炸或者起火，而是由于內(nèi)部個別電芯的異常升溫和熱失控引起了周圍其他電芯溫度升高，使熱失控逐步蔓延至整個電池系統(tǒng)，從而造成最終的爆炸或起火。這項測試會用加熱塊加熱電池系統(tǒng)內(nèi)某個電芯直至熱失控，停止加熱并觀察1 h，要求火焰不蔓延至電池系統(tǒng)外部或者電池系統(tǒng)外殼不破裂。這項測試與GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中的熱擴散相似，都是通過外部手段觸發(fā)中間某個單體熱失控，不同點在于：如果熱擴散會導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險，電池系統(tǒng)應(yīng)在這之前5 min發(fā)出熱事件報警信號，提醒乘員疏散[4]，這對乘員的人身安全至關(guān)重要。IEC 62619-2017對這項測試的規(guī)定具有很強的現(xiàn)實意義，對電池企業(yè)提出了嚴格要求，對周圍人員的人身安全以及其他重要設(shè)備的財產(chǎn)安全起到了一種保護作用，一旦火焰蔓延至電池系統(tǒng)外部，將會引燃周圍其他可燃物，對設(shè)備和人身安全造成無法挽回的后果。

3 環(huán)境安全試驗差異

3.1 跌落

兩個標準的跌落試驗基本一致，但是在7 kg≤樣品重量＜20 kg這個范圍時，IEC 62619-2017的跌落高度統(tǒng)一為10 cm[3]，國標的話需要根據(jù)公式[100-90（m-7）/13]cm，用樣品重量計算跌落高度[2]。

3.2 重物沖擊

對于這項試驗，兩個標準的主要區(qū)別為IEC 62619-2017對棱柱形電芯和圓柱形電芯都適用，并且對棱柱形電芯的寬面和窄面進行測試[3]，而國標只適用于直徑大于等于18 mm的圓柱形電芯[2]。

3.3 熱濫用

熱濫用模擬了電池在異常高溫條件下的安全性，電池在異常高溫環(huán)境中可能會引起內(nèi)部材料和電解液的分解，內(nèi)部一系列的化學(xué)反應(yīng)使溫度進一步升高，造成熱失控。IEC 62619-2017對熱濫用的試驗溫度要求為（85±5）℃下保持3 h[3]，國標要求了更高的試驗溫度（130±2）℃[2]，但保持時間縮短了。IEC 62619-2017側(cè)重了保持時間，國標側(cè)重了高溫溫度。

4 系統(tǒng)層級功能安全試驗

4.1 過壓充電控制

前文提到大部分安全事故均是在過充過程過發(fā)生的，因此避免發(fā)生過充尤為重要。這需要對充電時的電壓進行監(jiān)控，制造商要設(shè)定一個電壓保護值，當充電到該保護電壓時，電池管理系統(tǒng)就要發(fā)出報警信號并中斷充電，對電池起到保護作用。為了驗證試驗樣品電池管理系統(tǒng)的保護功能，IEC 62619-2017和國標都規(guī)定了這項試驗，并且兩個標準在這項試驗上非常相似，唯一的區(qū)別是IEC 62619-2017只要求進行一次測試即可判定結(jié)果，而國標要求進行三次測試，并且國標在另外幾個系統(tǒng)層級的試驗同樣要求三次測試，這更能考驗電池管理系統(tǒng)在保護功能上的可靠性。圖為IEC 62619-2017過壓充電控制測試曲線，可以看到單體電芯從完全放完電狀態(tài)開始充電，溫度逐漸升高，當充電至單體電壓4.2 V時，電壓出現(xiàn)了陡降，并且溫度開始下降，此時可判斷電池管理系統(tǒng)起作用，中斷了充電。

4.2 過流充電控制

制造商通常會規(guī)定電池系統(tǒng)能夠安全工作的最大持續(xù)充電電流，但是當電池系統(tǒng)由于故障等原因，以超過最大持續(xù)充電電流充電時，電池系統(tǒng)內(nèi)的電芯溫度會快速升高，如果沒有得到控制，當溫度到達一定值，電芯內(nèi)部材料、電解液、隔膜等會分解放出大量熱量和可燃煙氣，最終引發(fā)熱失控。因此，電池管理系統(tǒng)需要能夠監(jiān)控充電電流，當充電電流超過了設(shè)定的充電保護電流值，應(yīng)發(fā)現(xiàn)過流情況并采取相應(yīng)動作來控制。在這一點上，IEC 62619-2017和國標的要求不同，IEC 62619-2017要求電池管理系統(tǒng)應(yīng)當通過自動斷開主接觸器來中斷充電電流[3]，更偏向于保護；而國標則規(guī)定將充電電流控制在最大充電電流以下，同時也允許符合保護策略的中斷，并且進行3次測試[2]，國標的規(guī)定更加偏向于控制，更符合實際場景。在實際運行過程中，如果一旦發(fā)生了過流現(xiàn)象，管理系統(tǒng)立即中斷電路了，將對整個電池系統(tǒng)造成影響，但是管理系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了過流后將其控制到最大充電電流以下的話，這樣即能保證正常運行，也能對電池系統(tǒng)起到保護作用。

圖4為IEC 62619-2017過流充電控制測試曲線，可以看到完全放電的單體電芯過流充電時電壓瞬間升高后立刻出現(xiàn)了陡降，此時可判斷電池管理系統(tǒng)起作用，中斷了充電。

圖3 IEC 62619-2017過壓充電控制測試曲線

圖4 IEC 62619-2017過流充電控制測試曲線

4.3 過溫控制

高溫過熱也是引起鋰電池?zé)崾Э氐闹饕蛑唬姵貎δ芟到y(tǒng)通常由多個電池組組合而成，在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量，特別是集裝箱儲能系統(tǒng)內(nèi)電池排布緊密，且集裝箱內(nèi)部相對封閉，電池充放電產(chǎn)生的熱量容易積累導(dǎo)致溫度過高，影響電池的使用壽命和安全性能。這就需要對這些電池進行散熱，目前行業(yè)中主要的散熱方式為強制風(fēng)冷和液冷，其中強制風(fēng)冷占比較大，強制風(fēng)冷的散熱方式是通過安裝空調(diào)和風(fēng)扇進行制冷，滿足了常規(guī)儲能系統(tǒng)的散熱要求，且成本在可接受范圍內(nèi)。液冷的技術(shù)要求和成本較高，還不適合大規(guī)模應(yīng)用。

當散熱裝置無法控制住溫度或者電池本身在充電過程中發(fā)生了異常導(dǎo)致溫度超過了允許的最大工作溫度，這就需要電池管理系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)并中斷，從而避免導(dǎo)致更嚴重的后果。

對于過溫控制這項試驗，IEC 62619-2017和國標的主要區(qū)別在于使樣品升溫的方式不同，國標是先充滿電后擱置10 min，再放出50 %SOC來使溫度上升到超過最大工作溫度5 ℃[2]；相反，IEC 62619-2017是先放完電后再充電到50 %SOC[3]，兩者的目的都是將樣品升溫來超過制造商設(shè)定的最大工作溫度，從而驗證電池管理系統(tǒng)的過溫控制功能。在測試結(jié)果上，兩個標準都要求管理系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)過高溫并終止充電。

5 結(jié)論

GB 40165-2021《固定式電子設(shè)備用鋰離子電池和電池組-安全技術(shù)規(guī)范》的發(fā)布對固定式電子設(shè)備用的鋰離子電池和電池組在人身和財產(chǎn)安全保護方面有著重大意義，填補了我國在此之前的空白，這個強制性國家標準的實施，對相關(guān)適用產(chǎn)品和生產(chǎn)企業(yè)有了更高的要求，特別是該標準所述的電池和電池組適用的產(chǎn)品范圍非常廣，涉及到信息技術(shù)、通信技術(shù)、音視頻、測量控制、應(yīng)急電源、不間斷電源等多種類別，該標準將對多個行業(yè)產(chǎn)生巨大影響，各大電池生產(chǎn)企業(yè)及配套企業(yè)應(yīng)高度重視。希望本文通過將GB 40165-2021和IEC 62619-2017的對比，能幫助我們更好的學(xué)習(xí)標準，并為相關(guān)鋰電池產(chǎn)品的技術(shù)改進提供一定的參照。