中國儲能網訊：作者：胡建 林春景 郝維健 鄭天雷
單位：中國汽車技術研究中心有限公司
引用： 胡建,林春景,郝維健等.動力電池標準體系建設現狀及建議[J].儲能科學與技術,2022,11(01):313-320.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0391
摘 要 動力電池是新能源汽車的核心零部件，對新能源汽車的動力性、安全性、續(xù)駛里程和使用壽命起著決定性作用。當前，國內外標準化組織機構相繼制定并發(fā)布了多項動力電池標準，但現有標準內容仍然不足以覆蓋動力電池全生命周期、實際復雜應用場景以及新技術等多方面使用需求。對此，本文系統(tǒng)歸納了國內外動力電池標準化組織機構及其發(fā)布、在研標準進展和主要內容，同時綜合標準分類和實際應用場景等方面內容對比分析了國內外動力電池標準在制定原則、編制思路以及技術要求和試驗方法設定等方面的差異性及主要考量因素。進一步，結合現有國內外動力電池標準現狀以及技術發(fā)展趨勢，重點從動力電池全生命周期的安全性、壽命及殘余價值評估、全氣候綜合性能、綠色低碳循環(huán)要求、兼容互換要求以及現有標準體系對于新技術的適用性等六方面內容論述了現有標準體系的主要缺失項目和標準化新需求，同時在此基礎之上提出了標準制修訂建議，為優(yōu)化完善我國動力電池標準體系提供借鑒和參考。
關鍵詞 動力電池；標準體系；標準需求
隨著新一輪科技革命與產業(yè)變革的不斷推進，汽車與能源、交通、信息通信等領域有關技術加速融合，電動化、網聯(lián)化、智能化成為汽車產業(yè)的發(fā)展潮流和趨勢。動力電池作為新能源汽車的核心部件，其技術發(fā)展水平是汽車產業(yè)電動化轉型的關鍵支撐。當前，面對全球汽車工業(yè)向新能源汽車加速轉型的發(fā)展形勢，世界各主要新能源汽車生產國均在積極推進動力電池的技術研發(fā)和產能擴增，競爭態(tài)勢日趨激烈。
標準化作為行業(yè)發(fā)展的技術性基礎工作，在便利經貿往來、支撐產業(yè)發(fā)展、促進科技進步、規(guī)范社會治理中的作用日益凸顯。早在20世紀90年代末，我國便由全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會(SAC/TC114/SC27)組織行業(yè)開展動力電池標準化研究工作，20余年間我國先后制定并發(fā)布了QC/T 743、GB/T 31485、GB/T 31486、GB 38031等一系列重要標準，有力支撐了新能源汽車及動力電池產業(yè)的快速發(fā)展。然而現階段，伴隨著產業(yè)化進程的不斷推進以及新技術、新模式、新平臺的不斷出現，動力電池標準化工作也必將被賦予新的內涵與要求。
本文旨在通過梳理分析國內外動力電池標準現狀、動態(tài)以及最新需求，進一步細化完善我國現有動力電池標準體系，為后續(xù)更好開展動力電池標準研制工作提供參考依據。
1 國內外動力電池標準
1.1 國內動力電池標準現狀
1.1.1 國家標準和行業(yè)標準
全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會(SAC/TC114/SC27)于1998年正式成立，負責電動車輛領域標準化工作和技術歸口管理任務。在動力電池領域，我國已經構建了較為完善的動力電池標準體系，其中現行有效標準共計22項(國家標準15項、行業(yè)標準7項)，在研標準共計8項(國家標準5項、行業(yè)標準3項)，涵蓋安全性、電性能、循環(huán)壽命以及回收利用等多方面內容，在規(guī)范安全性、促進新技術應用以及協(xié)調產業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。見表1。
表1 動力電池國家標準和行業(yè)標準
1.1.2 團體標準
以中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國汽車工程學會、吉林省汽車電子協(xié)會等為代表的行業(yè)組織積極開展動力電池團體標準研制工作，標準內容涉及動力電池規(guī)格尺寸、低溫電性能、壽命、熱管理系統(tǒng)性能、安全性以及梯次利用等，成為現有動力電池標準體系的有益補充。見表2。
表2 動力電池團體標準
1.2 國外動力電池標準現狀
1.2.1 國際法規(guī)
聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調論壇(UN/WP.29)是聯(lián)合國機制下的永久性工作組，主要開展國際范圍內汽車技術法規(guī)和汽車產品認證的協(xié)調和統(tǒng)一工作。UN/WP.29管理三份協(xié)定書，即《1958年協(xié)定書》《1998年協(xié)定書》以及《1997年協(xié)定書》。其中，《1958年協(xié)定書》旨在歐洲范圍內對汽車產品制定和實施統(tǒng)一汽車技術法規(guī)(即UN法規(guī)，原ECE法規(guī))，《1998年協(xié)定書》旨在全球范圍內按照該協(xié)定書中規(guī)定的程序規(guī)則制定和實施全球統(tǒng)一的汽車技術法規(guī)(即GTR法規(guī))。在動力電池領域，暫無專項國際法規(guī)，相關安全性要求及試驗方法主要以章節(jié)或條款形式在UN R100、UN GTR No.20等整車法規(guī)中進行了規(guī)定。見表3。其中，UN GTR No.20正在修訂中，研究重點主要聚焦于在動力電池熱失控熱擴散、浸水、振動以及有毒氣體等內容。同時，聯(lián)合國針對危險品運輸專門制定了《聯(lián)合國危險物品運輸試驗和標準手冊》，其中該手冊第38.3款規(guī)定了鋰電池運輸安全要求，即鋰電池在運輸前，必須要通過高低溫循環(huán)、振動、沖擊、外短路、過充電試驗以及強制放電等試驗。除上述三項現行法規(guī)外，目前WP.29下設的電動汽車與環(huán)境非正式工作組(electric vehicles and the environment，EVE)正在開展電池耐久性法規(guī)研制工作。
表3 動力電池國際法規(guī)
1.2.2 國際標準
動力電池領域國際標準主要由國際標準化組織/道路車輛技術委員會/電動道路車輛分技術委員會(ISO/TC22/SC37)和國際標準化組織/蓄電池和電池組技術委員會(IEC/TC21)組織制定，其中現行有效標準共計8項(ISO標準4項、IEC標準4項)，在研標準共計3項(ISO標準1項、IEC標準2項)，重點聚焦于動力電池安全性和可靠性等方面內容。其中，ISO 6469-1 AMENDMENT正在制定中，該標準主要涉及動力電池熱失控觸發(fā)方法和熱擴散風險緩解兩部分內容。見表4。
表4 動力電池國際標準
1.2.3 區(qū)域標準
歐盟于2021年1月通報了《關于電池和廢電池的法規(guī)提案；撤銷指令2006/66/EC和修訂法規(guī)(EU) No 2019/1020(COM(2020)798)》，該法規(guī)草案作為前一版指令2006/66/EC(已廢除)的替代，實施方式由“指令”變?yōu)椤胺ㄒ?guī)”。新法規(guī)草案擬對可持續(xù)性和安全性、標簽和信息、電池廢棄物管理、電子信息交換四個方面提出強制性要求，以達到可持續(xù)發(fā)展、綠色交通、清潔能源和氣候中和的發(fā)展目的。
1.2.4 其他國外標準
除上述標準外，以美國汽車工程師學會(SAE)、美國保險商試驗所(UL)等為代表的團體或者組織也發(fā)布了SAE J2464、SAE J292、UL 2580、USABC以及FreedomCAR多項動力電池專項標準，涵蓋安全性、電性能以及壽命等多方面內容。
1.3 國內外動力電池標準對比分析
國內外標準化組織機構相繼制定并發(fā)布了多項動力電池標準，內容涉及安全性、電性能、循環(huán)壽命以及回收利用等，對于提高產品質量、推動技術進步具有重要作用。然而，受限于標準分類、實際應用場景等因素，各類標準在制定思路或具體內容上存在一定差異性。
1.3.1 標準分類
按制定宗旨、制定主體、標準化對象的基本屬性、標準的約束力以及標準信息載體等不同，標準可以有多種不同劃分方式。以世界貿易組織《技術性貿易壁壘協(xié)定》(WTO/TBT)中的分類為例，廣義標準主要包括“技術法規(guī)”和“標準”兩種文件(按標準的約束力，我國標準分為強制性標準和推薦性標準)。其中，“技術法規(guī)”是強制性文件，體現了國家對貿易的干預；“標準”是自愿性、非強制執(zhí)行的，更多反映的是市場對貿易的要求。例如，在熱失控觸發(fā)方法方面，當前UN GTR No.20修訂工作組主流意見是采用小面積、高功率加熱片觸發(fā)電池熱失控，即“外部加熱”，在減少外部引入能量的同時，提高觸發(fā)成功率。與此同時，ISO 6469-1 AMENDMENT也正在制定中，區(qū)別于UN GTR No.20，該標準不具備強制約束力，因此在熱失控觸發(fā)方面允許存在多種方法，例如“外部加熱”“內部加熱”以及“針刺”等。
1.3.2 實際應用場景
動力電池標準主要圍繞整車需求而制定，而整車使用情況又與當地環(huán)境、氣候等因素密切相關，因此在相關標準制定過程中，需要統(tǒng)籌考慮或結合當地技術水平以及實際應用場景設定各項技術要求和實驗方法。例如，以中國、韓國、俄羅斯等為代表的國家，部分地區(qū)常年發(fā)生內澇或積水等問題，在此環(huán)境下動力電池包或系統(tǒng)可能由于密封性不足或降低等問題存在安全隱患。對此，ISO 6469-1、GB 38031、KMVSS 48結合實際應用場景，在振動試驗測試后增加電池包或系統(tǒng)浸水安全試驗，主要解決動力電動包或系統(tǒng)在長期使用過程中由于密封性降低而引發(fā)線路短路漏電或者整車起火燃燒等安全事故。然而，在UN GTR 20、UN R100等制修訂過程中，以歐盟、日本等代表的工作組成員認為由城市內澇等自然災害引發(fā)的泡水問題不屬于一般車輛使用需要考慮的情況，為此不建議在技術法規(guī)當中對動力電池包或系統(tǒng)浸水試驗進行強制要求。
2 動力電池標準需求分析與建議
當前，我國已經構建了較為完善的動力電池標準體系，但相關標準內容仍然不足以覆蓋動力電池全生命期、復雜場景使用需求。對此，本文結合現有國內外動力電池標準現狀以及技術發(fā)展趨勢，重點從安全、壽命、性能以及環(huán)保等方面分析了動力電池標準化需求，為優(yōu)化完善我國動力電池標準體系提供參考建議。
2.1 全生命周期的安全性
作為電化學儲能裝置，電池安全涉及材料、結構、電氣、化學等多方面內容，不僅要保證正常使用情形下的安全性能，還要考慮到全生命周期可能遇到的各種濫用情形，例如過充、過放、機械沖擊、溫度異常等，避免對車內外人員以及周圍環(huán)境造成傷害。目前，GB 38031、GTR 20、ISO 6469-1等國內外標準僅考慮動力電池最基本的安全要求以提供對人身的安全保護，不涉及生產、運輸、維護和回收安全。同時，國內外標準主要聚焦新品電池安全測試，暫無相關標準對在用車輛或者動力電池安全性能做出特殊規(guī)定和要求。對此，在原有動力電池安全標準基礎之上，需要持續(xù)優(yōu)化完善動力電池安全標準體系研究，重點開展動力電池在線無損檢測、循環(huán)后安全性評價、排氣安全以及安全預警等方面標準研制，拓寬現有動力電池安全性評價維度和手段。
2.2 壽命及殘余價值
電池壽命或容量衰減程度直接影響車輛使用性能和殘余價值。在表征方式方面，電池壽命可分為日歷壽命、循環(huán)壽命和服役壽命。其中日歷壽命通常也稱為擱置壽命，是指電池在某環(huán)境溫度、SOC下擱置存儲直至達到壽命終止所需的時間，該參數主要是用來評估電池在最低程度使用條件下時間累計對電池老化的影響。循環(huán)壽命是指在一定充放電策略和容量衰減限值下，電池所能完成的充放電次數。目前，GB/T 31484、IEC 62660-1、ISO 12405-4等國內外標準給出了不同的試驗方法，但均與實際存在較大出入。例如圖1所示，依據GB/T 38146.1—2019《中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》對某電動汽車進行轉鼓測試，記錄動力電池輸出電壓和電流。試驗結果表明，電動汽車對于電池的功率需求是動態(tài)變化的，采用恒定電流或者靜態(tài)測試方法不能真實反映電池所經歷的劇烈工況，一般難以用于電池壽命評估或預測。因此，需要基于典型道路行駛工況，開展整車道路工況向動力電池工況的轉化工作，研究建立動力電池循環(huán)壽命試驗方法和量化評價方法。服役壽命是指從生產之日到電池壽命終止所經歷的時間，是前述日歷壽命和循環(huán)壽命的集合。該參數與電池充放電策略、擱置和使用時間比以及使用環(huán)境等多因素密切相關，目前暫無通用方法評測該參數。
圖1 中國汽車行駛工況下某車型動力電池電流/電壓隨時間變化
2.3 全氣候綜合性能
鋰離子電池對外界環(huán)境溫度的變化比較敏感，其適宜工作溫度范圍通常為10～45 ℃，溫度過高或過低都會對電池的充放電性能、容量特性、循環(huán)壽命以安全性造成一定的影響。如圖2所示，在不同溫度環(huán)境或放電倍率下分別測量磷酸鐵鋰和三元體系電池放電容量。實驗結果表明，無論是磷酸鐵鋰還是三元體系電池，當環(huán)境溫度下降時，特別是低于0 ℃之后，由于離子和電子擴散速度下降，會導致電池放電性能顯著下降。目前，盡管GB/T 31486、GB/T 31467等國家標準中都涉及相關高、低溫性能要求，但與實際情況存在出入，不足以覆蓋全生命周期和全氣候環(huán)境使用要求。同時，為保障電動汽車及動力電池處于相對適宜的工作溫度，避免發(fā)生過熱自燃、過冷性能下降等問題，越來越多的企業(yè)開始重視電動汽車熱管系統(tǒng)的設計，然而目前行業(yè)暫無現行有效標準對電動汽車熱管理系統(tǒng)技術要求進行測試和評價。
圖2 不同款鋰離子電池高低溫放電性能對比
2.4 綠色低碳循環(huán)
鑒于電池產業(yè)的蓬勃發(fā)展，以及電池的整個生命周期對資源、能源和環(huán)境造成的巨大潛在影響，各國紛紛出臺各項政策推進動力電池的碳中和。其中，以歐盟為代表的地區(qū)組織在最新電池法規(guī)草案中對電池供應企業(yè)的供應鏈管控、有害物質削減、再生材料使用、廢舊電池收集率和材料回收利用水平、節(jié)能降耗以及減少碳排放等多方面提出了更高的要求。反觀國內，盡管我國已經發(fā)布了多項綠色低碳循環(huán)等方面的推薦性國家標準，但相關內容仍然不能滿足動力電池全生命周期管理要求。同時，對于動力電池而言，碳足跡不僅涉及制造過程中的碳排放，還包括上游原材料的生產、運輸等各環(huán)節(jié)的碳排放，目前國際上已經形成了動力電池全生命周期足跡評價細則，而國內尚無相關標準。
2.5 兼容互換
規(guī)格尺寸作為動力電池的重要技術參數，是整車、電池企業(yè)重點關注指標。早在2017年，我國先后制定發(fā)布GB/T 34013—2017《電動汽車用動力蓄電池產品規(guī)格尺寸》、GB/T 34014—2017《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》等國家標準，規(guī)范了電池單體、模塊、包的規(guī)格和尺寸，以及動力蓄電池編碼規(guī)則，為電池單體及電池包的生產、安裝、使用、維修、更換、回收、報廢全生命周期管理奠定基礎。然而，從標準實施效果來看，受制于車型定位、車輛尺寸、整車布置等因素，動力電池在電池能量、外形和尺寸方面存在較大差異，難以在短時間內統(tǒng)一其規(guī)格尺寸。但值得關注的是，換電作為一種新型的電池能量補充方式，推動了“車電分離”模式的嘗試及運行，可以一定程度解決新能源汽車初次購置成本高、二手車殘值低等問題，有利于新能源汽車市場化發(fā)展。目前，換電車輛在車型、質量、尺寸等車輛參數方面較為接近，有相似的使用場景和性能需求，該類車輛統(tǒng)一動力電池規(guī)格尺寸具有一定的可能性。對此，建議可針對換電等特殊場景，加快推進換電電氣接口、冷卻接口、機械機構以及電池包外形規(guī)格尺寸等關鍵標準研制，促進換電設施的共享使用。
2.6 標準適用性研究
近年來，伴隨我國新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展，動力電池產業(yè)在市場規(guī)模、產業(yè)鏈完整度以及技術水平等方面都取得了長足進步，新技術、新模式、新平臺不斷涌現。但與此同時，以高鎳無鈷電池、全氣候電池、固態(tài)/半固態(tài)電池等為核心的前沿電池技術也對動力電池標準化工作提出了新的要求。對此，在系統(tǒng)評估現有標準體系對于新技術產品適用性的前提下，要加快制修訂相關標準，明確術語定義、安全性、電性能以及回收利用等多方面內容。
3 結論
本文系統(tǒng)歸納了國內外動力電池標準現狀，并重點分析了各類標準在編制原則和思路等方面的差異性以及主要考量因素，可以看出由于標準性質、使用目的以及實際應用場景等方面內容的不同，相關標準在具體技術要求和實驗方法方面會存在差異。同時，本文基于現有標準實施效果、動力電池技術發(fā)展趨勢等重點論述了動力電池在安全、壽命、性能以及綠色循環(huán)等方面的標準需求，并在此基礎之上提出以支撐行業(yè)管理、引領產業(yè)發(fā)展、規(guī)范產品生產為目標，以動力電池產業(yè)的規(guī)?；l(fā)展需求和新技術創(chuàng)新發(fā)展為導向，持續(xù)開展標準體系研究與標準制修訂工作，支撐新能源汽車產業(yè)高質量可持續(xù)發(fā)展。
第一作者：胡建（1989—），男，碩士，工程師，從事動力電池標準化工作，E-mail：hujian@catarc.ac.cn。
