王彩娟，朱相歡，秦劍峰，堵凡俊

(1.中華人民共和國(guó)吳江海關(guān)，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州市吳江區(qū)檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇 蘇州 215200)

固定式電池與便攜設(shè)備用鋰離子電池(便攜式電池)的使用環(huán)境和使用特性不盡相同，因此便攜式電池的標(biāo)準(zhǔn)并不完全適用于固定式電池。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在2017年發(fā)布了IEC 62619：2017 《含堿性或其他非酸性電解質(zhì)的鋰蓄電池和鋰蓄電池組 工業(yè)用鋰蓄電池和鋰蓄電池組的安全性要求》[1]，成為IEC電工產(chǎn)品合格測(cè)試與認(rèn)證組織(IECEE)電工產(chǎn)品測(cè)試證書(shū)互認(rèn)體系(CB)制度的重要認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)之一。我國(guó)現(xiàn)有強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全要求》[2]僅適用于便攜式電池，不適用于固定式電池。為滿足固定式電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，保障消費(fèi)者的使用安全，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2021年4月30日批準(zhǔn)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》[3]，并于2022年5月1日正式實(shí)施。

本文作者解析IEC 62619：2017和GB 40165-2021的適用范圍、測(cè)試要求及差異，助力相關(guān)企業(yè)及時(shí)了解國(guó)內(nèi)外固定式電池標(biāo)準(zhǔn)的不同要求，確保進(jìn)出口固定式電池符合準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，避免固定式電池及相關(guān)產(chǎn)品的進(jìn)出口貿(mào)易受影響。

1 適用范圍

IEC 62619：2017和GB 40165-2021標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的固定設(shè)備均包括電信基站、不間斷電源(UPS)和應(yīng)急電源等固定式用電設(shè)備，其中IEC 62619：2017適用于固定設(shè)備用和工具車用鋰離子電池，GB 40165-2021只適用于固定式電池。IEC 62619：2017的適用范圍更寬泛(見(jiàn)表1)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍比較Table 1 Comparison of application scope of standards

鋰離子電池根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景可分為3C電池、動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池[4]等。3C電池多為小型圓柱形或方形卷繞結(jié)構(gòu)，容量小于5 Ah；動(dòng)力電池一般用于電動(dòng)汽車等大功率要求場(chǎng)合，特點(diǎn)是比能量高、比功率高、壽命長(zhǎng)及成本低等；儲(chǔ)能電池一般用于通信基站、電網(wǎng)、微電網(wǎng)等場(chǎng)合，更注重高安全性、低成本和長(zhǎng)壽命等。從標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍看，固定式電池可能涵蓋3C電池、儲(chǔ)能電池和小部分非道路車輛用電池，涉及品類多，測(cè)試要兼顧便攜式電池、儲(chǔ)能電池及工具車輛電池的特性。

2 標(biāo)準(zhǔn)比較

IEC 62619：2017規(guī)范了二次鋰電池在工業(yè)用途的共通性試驗(yàn)項(xiàng)目及最低限度的安全需求，測(cè)試項(xiàng)目少于GB 40165-2021。該標(biāo)準(zhǔn)將安全要求分為產(chǎn)品安全和功能安全兩個(gè)部分。8項(xiàng)產(chǎn)品安全試驗(yàn)為外部短路(電池)、重物撞擊(電池或電池組)、跌落(電池或電池組)、熱誤用(電池)、過(guò)充電(電池)、強(qiáng)制放電(電池)、內(nèi)部短路(電池)和熱傳導(dǎo)(電池組)；3項(xiàng)功能安全試驗(yàn)為過(guò)充電電壓控制、過(guò)充電電流控制和過(guò)熱控制，以測(cè)試電池管理系統(tǒng)(BMS)的安全性能。

GB 40165-2021是我國(guó)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)固定式電子設(shè)備用鋰離子電池和電池組的安全工作參數(shù)、標(biāo)識(shí)和警示說(shuō)明、安全關(guān)鍵元器件、電池電安全和環(huán)境安全、電池組環(huán)境安全和系統(tǒng)功能性安全等都提出了明確的要求。規(guī)定了電池電安全試驗(yàn)3項(xiàng)，電池環(huán)境安全試驗(yàn)8項(xiàng)，電池組環(huán)境試驗(yàn)4項(xiàng)，電池組系統(tǒng)功能性安全測(cè)試8項(xiàng)，其中，低氣壓、溫度循環(huán)、振動(dòng)、沖擊、擠壓和重物撞擊測(cè)試方法，與聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)第38.3章[5]相同。IEC 62619：2017和GB 40165-2021各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的差異比較見(jiàn)表2～5。

表2 GB 40165-2021與IEC 62619：2017的電池(芯)電安全試驗(yàn)差異Table 2 Differences of electrical safety test of battery(cell) between GB 40165-2021 and IEC 62619：2017

表3 GB 40165-2021與IEC 62619：2017的電池組環(huán)境安全試驗(yàn)差異Table 3 Differences of environmental safety test of battery pack between GB 40165-2021 and IEC 62619：2017

續(xù)表3

表4 GB 40165-2021與IEC 62619：2017的電池組系統(tǒng)功能性安全要求差異Table 4 Differences of functional safety requirements for battery pack system between GB 40165-2021 and IEC 62619：2017

表5 GB 40165-2021與IEC 62619：2017的電池(芯)環(huán)境安全試驗(yàn)差異Table 5 Differences of environmental safety test of battery(cell) between GB 40165-2021 and IEC 62619：2017

工業(yè)用鋰離子電池往往需要長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，BMS的穩(wěn)定性是電池長(zhǎng)效運(yùn)行的重要保障，因此，IEC 62619：2017和GB 40165-2021都對(duì)BMS的功能安全(過(guò)充電電壓控制、過(guò)充電電流控制和過(guò)熱控制)測(cè)試方法做出了明確的規(guī)定。GB 40165-2021不但對(duì)電池(芯)規(guī)定了更多測(cè)試項(xiàng)目，而且提出了對(duì)BMS的欠壓放電控制、過(guò)載控制、短路控制、反向充電控制和靜電放電的測(cè)試要求，說(shuō)明GB 40165-2021更加強(qiáng)化了固定式電池(芯)部件和整體電池系統(tǒng)的安全性能。這是由于我國(guó)第5代移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)鋰離子電池的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，為保證鋰離子電池安全，優(yōu)質(zhì)的內(nèi)部電芯與良好外部BMS缺一不可。GB 40165-2021對(duì)外部BMS的要求涵蓋了大部分的電路保護(hù)機(jī)制，比IEC 62619：2017的要求更加全面。

IEC 62619：2017和GB 40165-2021都結(jié)合了固定式電子產(chǎn)品用鋰離子電池的使用環(huán)境，考慮到固定式電子產(chǎn)品在固定場(chǎng)所使用容易導(dǎo)致熱量積蓄的問(wèn)題，增加了過(guò)熱控制(即熱失控)測(cè)試。該測(cè)試項(xiàng)目在其他便攜設(shè)備電池標(biāo)準(zhǔn)中較少出現(xiàn)，相關(guān)企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。熱管理設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是在有限的空間內(nèi)使大量高容量電池工作在合適的溫度區(qū)間內(nèi)，且溫度均勻分布。改造空冷系統(tǒng)流道、改變流向等，可以提高溫度分布的均勻性；研制導(dǎo)熱性能好的阻燃型液態(tài)冷卻劑，能夠更好地散熱；研發(fā)經(jīng)濟(jì)型熱管冷卻技術(shù)，有利于降溫；利用可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的軟件，可消除電池單體差異和成組后的不匹配。

3 鋰離子電池的熱失控

3.1 試驗(yàn)要求

如表4中“過(guò)熱控制”所示，GB 40165-2021和IEC 62619：2017實(shí)際都是要求電池組在溫度上升至比最大工作溫度高5 ℃的狀態(tài)下能夠繼續(xù)充電，直至BMS的過(guò)溫保護(hù)裝置工作，考量的是試驗(yàn)過(guò)程中BMS的所有功能是否能按設(shè)計(jì)的要求發(fā)揮作用。當(dāng)電芯或電池組的溫度超過(guò)電池制造商設(shè)定的溫度限值時(shí)，BMS的溫度保護(hù)裝置能否切斷充電。如果溫度保護(hù)裝置無(wú)法在電池組過(guò)熱時(shí)切斷充電，電池組可能被過(guò)度充電，引發(fā)熱失控而起火、爆炸。

3.2 原因分析

鋰離子電池的熱失控一般分為兩個(gè)階段：①單體電池的熱失控；②電池組的熱失控。在過(guò)充電過(guò)程中，內(nèi)部電芯的電壓不斷上升，正負(fù)極、電解液和隔膜等材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料變性，產(chǎn)生熱量和氣體，引發(fā)熱失控，加劇電芯的不一致性。歐陽(yáng)明高[8]提出了高比能量鋰離子電池?zé)崾Э胤磻?yīng)時(shí)序和反應(yīng)的機(jī)理：負(fù)極與電解液反應(yīng)生成還原性氣體→還原性氣體攻擊正極晶胞引發(fā)相變→正極固相反應(yīng)產(chǎn)生CO2，固-氣-液反應(yīng)產(chǎn)生氧氣→正極氧與電解液反應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)熱觸發(fā)→正負(fù)極間的物質(zhì)交換反應(yīng)→電池?zé)崾Э匕l(fā)生。由此可見(jiàn)，正負(fù)極材料、電解液和隔膜的化學(xué)穩(wěn)定性，是防止單體電池?zé)崾Э氐幕A(chǔ)。

電芯內(nèi)部發(fā)生熱失控后，材料之間也會(huì)發(fā)生內(nèi)部短路，導(dǎo)致相互之間的不一致性加劇。此時(shí)，由于整個(gè)電池組外部還處于過(guò)充電狀態(tài)，溫度會(huì)急劇上升，快速積蓄大量氣體，導(dǎo)致電池組起火、爆炸。相比于單體電池，電池組的熱失控更快，也更嚴(yán)重。儲(chǔ)能系統(tǒng)聚集了數(shù)量眾多的比能量和比功率很高的電池，且緊密排列在一個(gè)有限的空間內(nèi)。各單體電池在使用中，電流、電壓和溫度等運(yùn)行工況不一致，且衰減特性不同，因此，隨著電池組充放電的深入，產(chǎn)熱不均勻、電池之間溫差變大和熱不均衡性等問(wèn)題會(huì)逐漸變得嚴(yán)重，導(dǎo)致部分電池的充放電性能、容量和壽命下降，安全隱患增大。電池組需要高效的電壓、電流和溫度控制系統(tǒng)，來(lái)降低單體電池之間的不一致性，避免熱失控的發(fā)生。

4 結(jié)論

IEC 62619：2017和GB 40165-2021都適用于固定式電池，但I(xiàn)EC 62619：2017的適用范圍更廣，GB 40165-2021的測(cè)試項(xiàng)目更多。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)固定式電池(芯)和BMS設(shè)置了安全測(cè)試方法，其中，IEC 62619：2017有11項(xiàng)，GB 40165-2021有23項(xiàng)。相較而言，GB 40165-2021的項(xiàng)目設(shè)置更加全面，兼顧了鋰離子電池運(yùn)輸和使用安全測(cè)試，對(duì)安全的評(píng)估也更加嚴(yán)苛。與便攜式電池的標(biāo)準(zhǔn)不同，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都考慮到固定式電池多在固定場(chǎng)所使用，散熱慢，容易熱積蓄，因此專門(mén)設(shè)置了過(guò)熱控制測(cè)試。這一測(cè)試的要求，值得重點(diǎn)關(guān)注。

固定式鋰離子電池國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，并都從內(nèi)部電芯和管理系統(tǒng)兩個(gè)層面規(guī)范了固定式電池的技術(shù)要求：內(nèi)部電芯的一致性、熱穩(wěn)定性和濫用安全性缺一不可；BMS的精準(zhǔn)性、有效性和可恢復(fù)性也必不可少。固定式鋰離子電池生產(chǎn)和使用企業(yè)，應(yīng)盡快對(duì)標(biāo)國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和對(duì)標(biāo)測(cè)試，致力于提高生產(chǎn)水平，制造質(zhì)量合格的產(chǎn)品。同時(shí)，還應(yīng)注意國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的差異，保證迭代產(chǎn)品的性能優(yōu)化，避免相關(guān)產(chǎn)品在后續(xù)市場(chǎng)準(zhǔn)入時(shí)受到影響。