0、引言
動力鋰離子電池必須通過一系列安全測試，才能在電動汽車上應(yīng)用。這些安全測試是為了解和識別電池在非正常狀況時的潛在弱點(diǎn)和脆弱性，并確定電池在嚴(yán)酷的惡劣條件下的表現(xiàn)。由于篇幅所限，本文作者僅對國內(nèi)外電動汽車動力鋰離子電池電氣安全和嚴(yán)苛環(huán)境測試的標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)進(jìn)行了分析和歸納，對標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題進(jìn)行了探討。
1、國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)概述
涉及電動汽車動力鋰離子電池氣安全和嚴(yán)苛環(huán)境測試的國際標(biāo)準(zhǔn)主要包括:
IEC62660-2:2011 《電動道路車輛用鋰離子動力蓄電池單體第2部分:可靠性和濫用性測試》;
ISO6469-1:2019《電驅(qū)動道路車輛安全要求，第一部分:可再充能量貯存系統(tǒng)》;(ISO12405-3:2014《電動道路車輛鋰離子牽引電池組和系統(tǒng)的測試規(guī)范，第3部分：安全性能要求》目前已撤回，被ISO6469-1:2019替代)；
SAEJ2464:2009《電動和混合動力電動汽車可再充能量儲存系統(tǒng)的安全和濫用性測試》；
SAEJ2929:2013《電動和混合動力電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)———鋰基可充電電池》。
歐盟成員國采用聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會2013年7月15日頒布的技術(shù)法規(guī)ECEＲ100.02《關(guān)于就電力傳動系統(tǒng)特殊要求方面進(jìn)行車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。
第一部分適用于M類和N類公路車輛的電力傳動系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)最大車速超過25km/h，并配備一臺或多臺電動牽引電機(jī);第二部分適用于配備一臺或多臺電動牽引電機(jī)且未永久連接到電網(wǎng)的M類和N類公路車輛可充電儲能系統(tǒng)(ＲEESS)的安全要求。
為了適應(yīng)國內(nèi)電動汽車及動力電池的發(fā)展，2015年國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)。其中涉及電氣安全和嚴(yán)苛環(huán)境測試項(xiàng)目的測試標(biāo)準(zhǔn)為：
GB/T31485—2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》和GB/T31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)包和測試規(guī)程第3部分安全性要求與測試方法》。
對于電動汽車CCC認(rèn)證中電池的電氣安全和嚴(yán)苛環(huán)境測試，CQC-C1101-2018《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施細(xì)則汽車》中做如下規(guī)定，鋰離子電池單體和模塊應(yīng)符合GB/T31485—2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》(6.3.7電池模塊的擠壓試驗(yàn)暫不執(zhí)行;6.2.8、6.3.8針刺試驗(yàn)暫不執(zhí)行)；
GB/T31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)包和測試規(guī)程第3部分安全性要求與測試方法》(對于由車體包覆并構(gòu)成電池包箱體的，要帶箱體/車體測試;電池包或系統(tǒng)尺寸較大，無法進(jìn)行臺架安裝測試時，可進(jìn)行子系統(tǒng)測試)的要求。
2、汽車用鋰離子動力電池電氣安全和嚴(yán)苛環(huán)境測試
文中主要分析討論鋰離子動力電池作為汽車零部件的安全測試標(biāo)準(zhǔn)，未涉及整車級別的測試標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)。表1總結(jié)了電動汽車用鋰離子動力電池相關(guān)的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)中規(guī)定的最常見的試驗(yàn)項(xiàng)目(文中僅討論電氣安全性能測試和嚴(yán)苛環(huán)境測試)。有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:在某些情況下，可以根據(jù)制造商和客戶之間的協(xié)議進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)可以在各種級別下分別進(jìn)行，將參考被測設(shè)備(DUT)進(jìn)行分級:電池單體(C)、電池模塊(M)、電池包或系統(tǒng)(P)和車輛(V)。標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)為每個試驗(yàn)設(shè)置了通過、失敗要求，將“不著火”、“不爆炸”、“不破裂”和“不泄漏”作為試驗(yàn)的接受準(zhǔn)則，而防火的通過、失敗標(biāo)準(zhǔn)僅是“不爆炸”。
2.1、電氣安全測試
2.1.1、外部短路測試
測試的目的是評估在外部短路時DUT的安全性能。該試驗(yàn)用于評估過電流保護(hù)設(shè)備的激活狀態(tài)或電池承受電流而不會達(dá)到危險情況(例如熱失控、爆炸、著火)的能力。主要危險因素是由于產(chǎn)生大量的熱量而導(dǎo)致熱失控、產(chǎn)生電弧可能導(dǎo)致?lián)p壞電路或絕緣電阻降低。表2中列出了最相關(guān)的測試參數(shù)。
在測試期間，把電池正負(fù)極從外部連接一個低電阻元件(例如5、10或20mΩ)，在不到1s的時間內(nèi)使其從外部短路，并保持規(guī)定的時間(例如10min)或直到過電流保護(hù)裝置(如果有)起作用。通常，保險絲，斷路器(無源元件)和接觸器(有源元件)用于防止電池模塊或電池包級別的過電流。
內(nèi)置的電流中斷設(shè)備或正熱系數(shù)設(shè)備用于電池單體級別的過電流保護(hù)，如果內(nèi)部壓力和/或溫度達(dá)到限值，則可以斷開內(nèi)部電路與其端子的連接或限制通過的電流。這些保護(hù)設(shè)備的時間特性決定了斷開或限制電流的響應(yīng)時間，電流越高，能夠中斷的速度就越快。
如果電流不夠高(例如，低SOC)或電流迅速下降，則電流可能不會被中斷，但這些可能導(dǎo)致發(fā)生危險。因此，標(biāo)準(zhǔn)要求在外部硬短路時的短路電阻應(yīng)最小，或者在外部電阻與DUT的內(nèi)部電阻相當(dāng)時進(jìn)行軟短路。
如前所述，標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)要求固定的外部電阻，與DUT的尺寸無關(guān)。但初始短路電流受DUT的大小及其連接類型(即并行、串行或其組合)的影響。因此，對具有不同尺寸和連接類型的DUT使用相同的外部電阻連接，可能會導(dǎo)致每個電池單體的初始短路電流不具有可比性。因此，某些標(biāo)準(zhǔn)針對硬短路又規(guī)定:外部電阻必須遠(yuǎn)小于DUT直流阻抗。對于軟短路，由于外部短路電阻高于DUT的電阻，初始短路電流主要由外部電阻控制，因此，產(chǎn)生的初始短路電流與電池儲能系統(tǒng)的大小無關(guān)。
溫度會影響電池的內(nèi)阻，即電化學(xué)反應(yīng)和傳輸速度;因此，初始電流越高越會導(dǎo)致高溫，從而產(chǎn)生更多的熱量。而且溫度越高，DUT溫度越接近熱失控的溫度。表2中的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)都沒有要求在高于室溫的溫度下進(jìn)行短路測試。但在高于室溫的溫度下執(zhí)行短路測試是合理的，因?yàn)槠囋谑彝馔７?、駕駛過程中或冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時很可能會達(dá)到高于室溫的溫度。
影響測試結(jié)果的另一個參數(shù)是荷電狀態(tài)(SOC)。最壞的情況是在高SOC下實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楫a(chǎn)生的初始短路電流最大，容易導(dǎo)致熱失控。因此，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求以額定容量的100%進(jìn)行測試。但是對于UN/ECE-Ｒ100.02:2013，可以在50%SOC(或更高)下進(jìn)行測試。
2.1.2、過充電/過放電測試
為了評估過充電/過放電保護(hù)系統(tǒng)的功能，使電池的充電或放電超出制造商建議的限值時，比如由于充電器故障等可能發(fā)生的情況。幾乎所有的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)都規(guī)定該試驗(yàn)項(xiàng)目，表3列出了試驗(yàn)測試參數(shù)。
過充電期間的主要安全隱患是電解質(zhì)的分解、陰極和陽極的擊穿、隔板的退化以及鋰鍍層放熱分解，導(dǎo)致電池過熱和熱失控。如果達(dá)到足夠的溫度(例如200℃)，則氟化黏合劑會與鋰化碳發(fā)生放熱反應(yīng)。影響測試結(jié)果的因素包括充電率和最終達(dá)到的SOC。
對于過充電測試，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的充電電流給電池充電，直至達(dá)到設(shè)定的結(jié)束充電條件(如200%SOC，130%SOC等)，或者保護(hù)裝置起作用(如斷開充電、降低電流等)。表3所列標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)對過充電電流、充電結(jié)束條件的規(guī)定存在較大差別，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果可能存在較大差異，不同標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的測試結(jié)果不具有可比性。過度充電的電池(SOC＞100%)熱失控起始溫度顯示出較低的起始溫度(65～80℃范圍內(nèi))。
嚴(yán)重事故一般發(fā)生在具有嚴(yán)重過充電(例如，兩倍的額定容量)的電池單體上，但在中等過充電(110%SOC)下重復(fù)充電/放電循環(huán)也可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路或故障。
過放電(或強(qiáng)制放電)測試也是非常重要的。過度放電期間的安全隱患是極性反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致陽極集電器的氧化并在陰極側(cè)鍍覆。即使微小的過放電也會導(dǎo)致枝晶形成并最終導(dǎo)致短路。在過放電測試期間，將充滿電的電池放電(例如1C速率持續(xù)1.5h，或C/3速率放電直到被測設(shè)備中斷或限制放電)。表3中不同標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的測試參數(shù)差異很大，可以得出這樣的結(jié)論:即測試的結(jié)果可能取決于所遵循的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。因此，需要統(tǒng)一測試參數(shù)以進(jìn)行可比較的測試。
2.2、嚴(yán)苛環(huán)境測試
環(huán)境測試旨在評估溫度變化等條件下系統(tǒng)的安全性能，例如不同地區(qū)的環(huán)境溫度導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)或極端天氣導(dǎo)致的事故等。下面將介紹最常見的嚴(yán)苛環(huán)境測試:溫度沖擊和循環(huán)測試、熱穩(wěn)定性測試、過溫測試以及外部火燒測試。
2.2.1、溫度沖擊和循環(huán)測試
此試驗(yàn)主要評估由于暴露于極端和突然的溫度變化(例如，在運(yùn)輸過程中車輛進(jìn)入或離開加熱或冷凍的車庫時，導(dǎo)致電池組件的膨脹和收縮)而引起的DUT完整性的變化。在溫度沖擊和循環(huán)試驗(yàn)期間，DUT會經(jīng)受高溫和低溫兩個溫度限值，并在每個溫度限值下保持指定的時間。標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中描述的溫度沖擊和循環(huán)測試具有不同的最高溫度限制(請參見表4)。所有標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的溫度下限均為－40°C(IEC62660-2在帶電操作情況，是最低溫度為－20℃)，盡管溫度上限不相同。
值得注意的是，UN/ECE-Ｒ100.02:2013允許在此測試期間操作保護(hù)設(shè)備，我國的這兩個標(biāo)準(zhǔn)中未提及相關(guān)要求。而在其他國際標(biāo)準(zhǔn)中，保護(hù)設(shè)備被禁用，這使測試條件更加嚴(yán)格。
2.2.2、熱穩(wěn)定性測試
該測試主要評估高溫下電池的穩(wěn)定性，以識別電池?zé)崾Э亻_始溫度或在高溫下的穩(wěn)定性。測試中，電池的溫度以5℃/min的步長依次增加，升至規(guī)定溫度并保持30min，或直到DUT發(fā)生的重大損壞。
標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2464:2009的規(guī)定更加嚴(yán)格，不僅要求5℃/min升溫速率，而且在每個溫度步驟要保持30min，而且要求最高溫度為300℃(高于電池最高工作溫度)，直至溫度達(dá)到300℃或出現(xiàn)自加熱(大于1.0℃/min)。用于評估電池的熱失控開始時間及熱穩(wěn)定性。
其他標(biāo)準(zhǔn)則評估電池在高溫下的性能，其目的不是達(dá)到熱失控狀態(tài)，而是評估DUT在該溫度下的熱穩(wěn)定性。電池從室溫以5℃/min的步長依次增加，升高至130℃，該溫度下放置30min。盡管熱穩(wěn)定性對儲能系統(tǒng)的安全性相當(dāng)重要，它們并未在表5所示的標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛的要求。
2.2.3、過溫測試
過熱測試(也稱為快速充電/放電、過熱保護(hù)測試)旨在評估溫度控制故障或其他保護(hù)功能故障時對電池發(fā)生內(nèi)部過熱的影響。表6列出了標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的測試參數(shù)。
對于此項(xiàng)測試，歐盟和國際標(biāo)準(zhǔn)都要求關(guān)閉DUT的主動熱控制系統(tǒng)(例如，冷卻系統(tǒng))，GB/T31467.3—2015未提及該要求(要求測試對象的所有控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài))，連續(xù)進(jìn)行充放電試驗(yàn)，充電和放電之間沒有時間間隔，結(jié)果將導(dǎo)致DUT的溫度升高。3個國際標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)必須在密閉空間中進(jìn)行，以評估在測試過程中從電池釋放的任何氣體材料的可燃性。
對于UN/ECE-Ｒ100.02:2013和GB/T31467.3—2015未要求試驗(yàn)在密閉空間中進(jìn)行。所有標(biāo)準(zhǔn)都要求在DUT損壞(例如，電解液泄漏、破裂、著火或爆炸)時終止試驗(yàn)。
2.2.4、外部火燒試驗(yàn)
外部火燒試驗(yàn)的目的是在電池或車輛暴露于高溫或外火焰時，評估其爆炸的危險?；鹪纯赡苁擒囕v本身或附近車輛泄漏的燃料引起的。表7列出了測試參數(shù)，主要描述了3種類型的測試:
(1)輻射熱測試:SAEJ2464:2009將電池(100%SOC)
放置在圓柱形金屬裝置內(nèi)，該金屬裝置通過輻射加熱。溫度應(yīng)在90s的時間內(nèi)達(dá)到890℃，并保持10min。記錄電池試驗(yàn)過程或試驗(yàn)后的情況，包括變形、泄漏、著火、爆炸等。
(2)彈丸測試:SAEJ2929:2013將DUT暴露于均勻火中并使DUT被鋼絲網(wǎng)篩包圍，使電池爆炸產(chǎn)生的碎片不能穿透網(wǎng)篩，網(wǎng)篩為直徑為0.25mm的退火鋁線，網(wǎng)格密度為每厘米6至7根線。整個電池系統(tǒng)要經(jīng)受高溫和火焰的環(huán)境，直到電池系統(tǒng)完全著火。達(dá)到此條件后，將外部熱源和火焰源移除，并使電池系統(tǒng)繼續(xù)燃燒。當(dāng)沒有可見的火焰時，測試完成并且測試后觀察期開始。
(3)油盤燃燒試驗(yàn):GB/T31467.3—2015、UN/ECEＲ100.02:2013、ISO6469-1:2019中所述的試驗(yàn)是通過在燃油盤中燃燒燃料而產(chǎn)生火焰。DUT放置在位于裝有燃料的試驗(yàn)盤上方的摩擦桌上。試驗(yàn)時首先將試驗(yàn)盤中的燃料在距離DUT至少3m處點(diǎn)燃，對DUT進(jìn)行60s的預(yù)熱。然后將燃油盤置于DUT下方(距離為50cm，或?yàn)檐囕v空載狀態(tài)下測試對象底面的離地高度，或制造商與客戶商定)，將DUT直接暴露在火焰中并持續(xù)70s。將耐火材料蓋板蓋在油盤上，DUT在該狀態(tài)下測試60s。移走油盤，然后GB/T31467.3—2015要求觀察2h，UN/ECEＲ100.02:2013、ISO6469-1:2019要求觀察3h或直至DUT達(dá)到環(huán)境溫度。如果在測試過程中沒有爆炸的跡象，則表明該測試通過。
表7中所示標(biāo)準(zhǔn)的測試條件和要求的相差較大，明顯不能保證測試結(jié)果的可比性。
3、結(jié)論
文中對電動汽車用鋰離子電池安全性能的各種標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)在電氣安全和嚴(yán)苛環(huán)境測試項(xiàng)目進(jìn)行了全面的對比分析。比較這些標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中描述的試驗(yàn)方法中采用的測試參數(shù)和條件。從執(zhí)行的分析得出以下結(jié)論:
有些試驗(yàn)(例如，過充電、熱沖擊、外部火燒等)的測試條件(例如SOC，溫度)相當(dāng)寬泛。這使得不同標(biāo)準(zhǔn)不具有獲得的數(shù)據(jù)的可能，參數(shù)的差異可能是由于標(biāo)準(zhǔn)制定者所考慮的場景不同。為了進(jìn)行公平和等效的測試，建議將試驗(yàn)的參數(shù)、條件等統(tǒng)一。由于最壞的情況通常對應(yīng)于最大SOC，因此在這種情況下執(zhí)行相關(guān)試驗(yàn)是合乎邏輯的。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)要求100%SOC，但是法規(guī)UN/ECE-Ｒ100.02:2013允許以不小于50%SOC進(jìn)行測試。
還應(yīng)注意電池單、體模塊和電池包的組件測試的可比性。例如，已證明短路測試中產(chǎn)生的初始電流受DUT的尺寸及其連接類型(即并行或串行)的影響。
單從電動汽車用鋰離子電池(電池單體、電池模塊、電池包或系統(tǒng))電氣安全和嚴(yán)苛環(huán)境測試要求來看，我國試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的大部分測試要求是與歐盟法規(guī)相當(dāng)或略高于歐盟法規(guī)的，但與國際標(biāo)準(zhǔn)相比可能還有差距。而且由于不同標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求的試驗(yàn)條件不一致，使得相同試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果不具有可比性。
