陳志斌,王志遠(yuǎn),邵 丹,王德新

[1.佛山綠色發(fā)展創(chuàng)新研究院,廣東 佛山 528000; 2.廣州能源檢測(cè)研究院,廣東 廣州 511447;3.中氫綠源(廣東)科技有限公司,廣東 佛山 528010]

2021年,我國(guó)新能源汽車全年產(chǎn)銷分別完成354.5萬輛和352.1萬輛,同比均增長(zhǎng)1.6倍[1],同時(shí)新能源汽車保有量也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭,但自燃、起火等安全事故也相應(yīng)增加。動(dòng)力電池是新能源汽車的“心臟”,其安全問題一直是新能源汽車行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作已成為國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)工作之一。

動(dòng)力鋰離子電池使用壽命長(zhǎng)、比能量高,是目前電動(dòng)汽車主要的動(dòng)力電池類型[2]。本文作者整理目前國(guó)內(nèi)外動(dòng)力鋰離子電池安全性能檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié),以期為完善動(dòng)力鋰離子電池安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化體系提供借鑒和參考,提升我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品整體質(zhì)量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 國(guó)外動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)等組織針對(duì)鋰離子電池、鉛酸電池、堿性蓄電池和燃料電池制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)、日韓及歐美等動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū),結(jié)合自身國(guó)情與產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況,緊跟國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),建立了適用于自身的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)體系。表1為部分國(guó)外動(dòng)力鋰離子電池的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 部分國(guó)外動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Parts of foreign testing standards of traction Li-ion battery

1.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

ISO下轄各標(biāo)準(zhǔn)化組織中,道路車輛技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC22/SC37)負(fù)責(zé)制定電動(dòng)道路車輛、電力推進(jìn)系統(tǒng)、相關(guān)部件和車輛集成等方面的標(biāo)準(zhǔn),其中與動(dòng)力鋰離子電池安全檢測(cè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為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,規(guī)定了用于純電動(dòng)汽車(BEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)和某些類型燃料電池汽車(FCV)的高功率或高能量應(yīng)用的電池組和系統(tǒng)的性能、可靠性和電氣功能等基本特性的測(cè)試程序,目的是為了整車廠供應(yīng)可選擇的測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試方法[3]。ISO 6469-1:2019整合并且替代了ISO 12405-3和ISO 6469-1:2009,規(guī)定了用于保護(hù)人員的電動(dòng)道路車輛的RESS的安全要求,為制造、維護(hù)和維修人員提供全面的安全信息[4]。

IEC下轄各標(biāo)準(zhǔn)化組織中,主要是由蓄電池和電池組技術(shù)委員會(huì)(IEC/TC21)負(fù)責(zé)電動(dòng)道路車輛鋰離子電池性能和安全標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。IEC/TC21和電動(dòng)道路車輛和電動(dòng)載貨車技術(shù)委員會(huì)(IEC/TC69)成立了JWG 69 Li聯(lián)合工作組,專注于車用鋰離子電池。IEC公布的車用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 62660-1、IEC 62660-2和IEC 62660-3。

IEC 62660系列標(biāo)準(zhǔn)第一部分規(guī)定了用于獲得車用鋰離子電池容量、功率密度、能量密度、存儲(chǔ)壽命和循環(huán)壽命等基本特性的測(cè)試方法;第二部分規(guī)定了用于獲得車用鋰離子電池的可靠性和濫用行為基本數(shù)據(jù)的測(cè)試方法;第三部分規(guī)定了用于車用鋰離子動(dòng)力電池和電池組的安全性能的測(cè)試程序和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),旨在確定在電動(dòng)汽車正常運(yùn)行期間,電池組和系統(tǒng)中使用的電池在預(yù)期用途和合理可預(yù)見的誤用或事故中的基本安全性能[5-7]。

UN 38.3是指《聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)物品運(yùn)輸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》的第3部分38.3款,是使用廣泛的電池安全測(cè)試方法,關(guān)注電池在運(yùn)輸過程中的安全要求,測(cè)試內(nèi)容包括熱測(cè)試、振動(dòng)、沖擊和外部短路等[8]。該標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上被廣泛采納并引用,是國(guó)際上制定電池的航空、航海、公路、鐵路運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)。

1.2 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

電池作為電氣產(chǎn)品的零部件進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng),需要通過美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)認(rèn)證。目前,鋰電池UL認(rèn)證所采用的標(biāo)準(zhǔn)主要為UL 1642和UL 2054,分別針對(duì)鋰電池芯和鋰電池包。UL 1642的主要測(cè)試項(xiàng)目包括室溫短路測(cè)試、過充測(cè)試、擠壓測(cè)試、機(jī)械沖擊測(cè)試和振動(dòng)測(cè)試等[9]。UL 2054的測(cè)試項(xiàng)目主要包括電測(cè)試、機(jī)械測(cè)試、電池組外殼測(cè)試、跌落撞擊測(cè)試、250 N靜力測(cè)試、火烤測(cè)試和環(huán)境測(cè)試等[10]。UL 2580適用于電動(dòng)車輛用電池、電池包、電容系統(tǒng)、混合動(dòng)力系統(tǒng)以及子系統(tǒng)或模塊,主要用于評(píng)估電池的濫用可靠性和在濫用出現(xiàn)危害時(shí)對(duì)人員的保護(hù)能力[11]。

國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE)在汽車領(lǐng)域擁有龐大、完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。SAE J1797通過對(duì)尺寸、端接、通風(fēng)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車應(yīng)用所需的其他特征的描述,提供了常見的電池設(shè)計(jì)和正確包裝電池模塊的指南[12]。SAE J1798為確定電動(dòng)汽車電池模塊的基本性能和電池模塊是否符合車輛制造商或其他購(gòu)買者制定的最低性能規(guī)格,提供了常用的測(cè)試和驗(yàn)證方法[13]。SAE J2380是電動(dòng)汽車電池的振動(dòng)測(cè)試較經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)際車輛道路行駛的振動(dòng)載荷譜采集統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)依據(jù),測(cè)試方法更符合實(shí)際車輛的振動(dòng)情況,具有重要的參考價(jià)值[14]。SAE J2464是應(yīng)用于北美和全球地區(qū)的車用電池濫用測(cè)試手冊(cè),明確指出了每個(gè)測(cè)試項(xiàng)的適用范圍及要采集的數(shù)據(jù),也針對(duì)測(cè)試項(xiàng)目所需樣品數(shù)量給出了建議[15]。SAE J2929是SAE在總結(jié)之前頒布的各種動(dòng)力鋰電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上提出的安全性標(biāo)準(zhǔn),包括電動(dòng)汽車在行駛過程中可能出現(xiàn)的常規(guī)情況測(cè)試和異常情況測(cè)試兩部分[16]。

2002年,美國(guó)政府成立了自由車(FreedomCAR)項(xiàng)目,頒發(fā)了DOE/ID-11069與SAND 2005-3123。SAND 2005-3123規(guī)定了一套模擬實(shí)際使用和濫用條件的完整的濫用測(cè)試,該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SAE J2464中提出的測(cè)試描述進(jìn)行了改進(jìn),包括對(duì)濫用測(cè)試的改編,以解決電動(dòng)汽車應(yīng)用和其他儲(chǔ)能技術(shù)(即電容器)的問題。DOE/ID-11069規(guī)定了一些測(cè)試來驗(yàn)證混合動(dòng)力電動(dòng)車用電池的性能和循環(huán)壽命等特性。這些測(cè)試方法直接應(yīng)用于完整的電池系統(tǒng),但大部分測(cè)試方法也可適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于單體、電池模塊或低于全尺寸電池的測(cè)試[17-18]。

1.3 其他組織標(biāo)準(zhǔn)

日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(JIS)的JISC 8715-2規(guī)定,道路車輛用電池優(yōu)先適用IEC 62660系列標(biāo)準(zhǔn)[19]。

進(jìn)入韓國(guó)市場(chǎng)的電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池沒有單品強(qiáng)制認(rèn)證需求,但需要在整車認(rèn)證時(shí),依據(jù)《韓國(guó)機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)》KMVSSArticle 18-3及測(cè)試規(guī)程KMVSSTP 48進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)目主要包括跌落測(cè)試、浸水測(cè)試、火燒測(cè)試、短路測(cè)試、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)和高溫保護(hù)等[20]。

歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE)針對(duì)電動(dòng)汽車制定的具體要求ECE R100.02,整體上分為兩部分:第一部分對(duì)整車在電機(jī)防護(hù)、可再充電儲(chǔ)能系統(tǒng)、功能安全和氫氣排放等4個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)范;第二部分為增加的對(duì)可再充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠性作出的具體要求[21]。

2 國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分標(biāo)委會(huì)(SAC/TC114/SC27)有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作組,分別負(fù)責(zé)動(dòng)力電池、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作。動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)工作組主要針對(duì)電池系統(tǒng)、電池包、電池管理系統(tǒng)(BMS)和充電接口等開展標(biāo)準(zhǔn)化工作,專注電池安全性能、電性能等,不關(guān)注電池材料、原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。表2為部分國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 部分國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Parts of domestic testing standards for traction Li-ion battery

GB/Z 18333.1和QC/T 743被行業(yè)內(nèi)廣泛使用,但都是針對(duì)單體和模塊級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用范圍較窄[22-23],且測(cè)試內(nèi)容已不適應(yīng)快速發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)的需求。GB/T 31484是專門針對(duì)循環(huán)壽命的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),單體和模塊采用標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命,電池包和系統(tǒng)采用工況循環(huán)壽命[24]。GB/T 31486是針對(duì)動(dòng)力電池電性能要求的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[25]。GB/T 31467系列參照了ISO 12405系列,適用于鋰離子動(dòng)力電池包或電池系統(tǒng)的高功率和高能量應(yīng)用測(cè)試[26-27]。

工業(yè)和信息化部組織制定的3項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18384、GB 38031和GB 38032已于2021年1月1日起開始實(shí)施。這3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)以原有的推薦性國(guó)標(biāo)作為藍(lán)本,對(duì)標(biāo)聯(lián)合國(guó)技術(shù)法規(guī) UN GTR No.20《電動(dòng)汽車安全全球技術(shù)法規(guī)》[31],與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌,提高和優(yōu)化了國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)力電池及電動(dòng)汽車整車的安全技術(shù)要求。

GB 18384以國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),結(jié)合近幾年電動(dòng)汽車事故場(chǎng)景及檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn),在綜合考慮國(guó)內(nèi)使用工況的特殊性、行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平和技術(shù)路線的基礎(chǔ)上加以制定。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了電動(dòng)汽車的電氣安全和功能安全要求,增加了電池系統(tǒng)熱事件報(bào)警信號(hào)要求,可在第一時(shí)間給駕乘人員安全提醒;強(qiáng)化了整車防水、絕緣電阻及監(jiān)控要求,以降低車輛在正常使用、涉水等情況下的安全風(fēng)險(xiǎn);優(yōu)化了絕緣電阻、電容耦合等試驗(yàn)方法,以提高試驗(yàn)檢測(cè)精度,保障整車高壓電安全[28]。

GB 38031將GB/T 31485和GB/T 31467.3兩個(gè)分散的標(biāo)準(zhǔn)整合成一個(gè)試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)項(xiàng)目更為完整的國(guó)標(biāo),并且升級(jí)為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),對(duì)標(biāo)了IEC 62660-2、IEC 62660-3、ECE R100.02和UN GTR No.20等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。GB 38031取消了模組測(cè)試、電池單體的跌落、低氣壓、針刺及電池包或系統(tǒng)的跌落的測(cè)試要求,而對(duì)電池單體的海水浸泡試驗(yàn)和電池系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)試驗(yàn),則由各企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況自行開展研究,并針對(duì)近幾年熱擴(kuò)散造成的多起重大安全事故及快充快放等大電流使用場(chǎng)景高風(fēng)險(xiǎn)性的情況,新增了熱擴(kuò)散和電池系統(tǒng)過流保護(hù)試驗(yàn),要求系統(tǒng)應(yīng)具有熱事件報(bào)警功能,在乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)前5min提供報(bào)警信號(hào),使GB 38031定位更加清晰合理,更好地與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌[29]。

GB 38032是根據(jù)工信部在2016年公布的《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》的實(shí)施情況,并充分借鑒已有的傳統(tǒng)客車標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)汽車整車與關(guān)鍵部件標(biāo)準(zhǔn)和最新的UN GTR No.20中關(guān)于電動(dòng)商用車的要求,從水塵防護(hù)、火災(zāi)防護(hù)、充電安全、碰撞安全和遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面綜合考慮,制定的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),旨在加強(qiáng)電動(dòng)客車行業(yè)管理和提高產(chǎn)品安全要求[30]。

3 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比與啟示

3.1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3.1.1 適用范圍

IEC 62660系列、GB/T 31484和GB/T 31486是針對(duì)電池單體和模塊級(jí)別的測(cè)試,UL 2580、SAE J2929、ISO 12405-4、GB 38031和GB/T 31467系列則適用于電池組和電池系統(tǒng)的測(cè)試。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)除了IEC 62660系列,其他基本都涉及電池組或系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試,SAE J2929及ECE R100.02提到了整車級(jí)別的測(cè)試。兩份強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18384和GB 38032與國(guó)際技術(shù)法規(guī)全面接軌,規(guī)定了電動(dòng)汽車整車級(jí)別的要求和測(cè)試方法,體現(xiàn)了我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)的快速、高質(zhì)量發(fā)展。

3.1.2 測(cè)試項(xiàng)內(nèi)容

在電池包和電池系統(tǒng)的測(cè)試方面,不論是電性能還是可靠性,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的測(cè)試項(xiàng)都最多。在電性能測(cè)試方面,DOE/ID-11069比其他標(biāo)準(zhǔn)多出的項(xiàng)目有混合脈沖功率特性(HPPC)、日歷壽命、參考性能、阻抗譜、模塊控制檢驗(yàn)測(cè)試、熱管理載荷和結(jié)合壽命驗(yàn)證的系統(tǒng)水平測(cè)試等。在可靠性方面,UL 2580比其他標(biāo)準(zhǔn)多出非平衡電池組充電、耐壓、絕緣、持續(xù)性試驗(yàn)和冷卻/加熱穩(wěn)定系統(tǒng)故障試驗(yàn)等項(xiàng)目,以及針對(duì)生產(chǎn)線上電池組零部件的安全測(cè)試和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的安全性要求。SAE J2929要求對(duì)電池系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行故障分析,并保存相關(guān)材料,包括易識(shí)別故障的改進(jìn)措施。

3.1.3 嚴(yán)格程度

關(guān)于相同的測(cè)試項(xiàng),不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試方法和判定準(zhǔn)則也不盡相同,如振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)時(shí)間、頻率范圍等要求在不同標(biāo)準(zhǔn)中有所差異。ECE R100.02中規(guī)定,在垂直方向進(jìn)行3 h正弦振動(dòng),頻率為7～50 Hz;ISO 6469-1中規(guī)定,三軸向共36 h隨機(jī)振動(dòng),頻率為5～200 Hz;GB 38031中規(guī)定,三軸向共39 h隨機(jī)及定向振動(dòng),頻率為5～200 Hz。比較發(fā)現(xiàn),ECE R100.02在振動(dòng)方向、頻率范圍、時(shí)間上的要求更低。對(duì)于測(cè)試樣品的荷電狀態(tài)(SOC),各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不盡相同,從20%到100%不等。

此外,在振動(dòng)測(cè)試中,ECE R100.02、ISO 6469-1和GB 38031均要求振動(dòng)后不漏液、不起火、不爆炸等;而 ECE R100.02特別提出,振動(dòng)后的樣品應(yīng)進(jìn)行一次充放電循環(huán)。這不僅要求電池在振動(dòng)中不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn),同時(shí)也考察電池振動(dòng)后的電性能,要求更高、更全面。

3.2 啟示

近年來,我國(guó)積極開展動(dòng)力電池的研究工作,動(dòng)力電池的標(biāo)準(zhǔn)化也取得長(zhǎng)足的進(jìn)步,但與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)相比仍有差距,主要體現(xiàn)在以下方面:

結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)單一、扁平。目前的結(jié)果評(píng)價(jià)只有無泄漏、無外殼破裂、不起火和不爆炸等,較寬泛和單一,缺少可量化的評(píng)判體系。需要深入研究量化動(dòng)力電池安全性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法,建立并完善動(dòng)力電池安全性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。歐洲汽車研究與技術(shù)發(fā)展委員會(huì)(EUCAR)將電池的危害程度劃分成8個(gè)等級(jí),有一定的借鑒意義[32]。

標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍有待進(jìn)一步提高和系統(tǒng)化。目前,動(dòng)力電池生產(chǎn)環(huán)境方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《動(dòng)力電池?cái)?shù)字化車間集成 第1部分:通用要求》正在制定;在動(dòng)力電池回收利用方面的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地制定完善中。國(guó)內(nèi)的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)際制造、運(yùn)輸、應(yīng)用和維護(hù)等過程中的復(fù)雜性涉及較少,應(yīng)盡可能地考慮動(dòng)力電池整個(gè)生命周期的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成,建立全生命周期下的安全性檢測(cè)方法[33]。

4 結(jié)語

對(duì)動(dòng)力電池安全性在全生命周期范圍內(nèi)進(jìn)行有限檢測(cè)和管理,對(duì)電動(dòng)汽車安全、可靠運(yùn)行以及動(dòng)力電池梯次利用等都具有重大意義?？紤]車輛實(shí)際使用工況,建立從單體到系統(tǒng)、覆蓋全生命周期的動(dòng)力電池安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化體系,將有益于提升我國(guó)動(dòng)力電池及新能源汽車的安全性水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。