电动车锂离子动力锂离子电池电气和环境探测标准及法规分解

动力锂电池非得通过一系列安全探测，才能在电动车上使用。这些安全探测是为知道和识别电池在非正常状况时的潜在弱点和脆弱性，并确定电池在严酷的恶劣条件下的表现。由于篇幅所限，本文作者仅对国内外电动车动力锂电池电气安全和严苛环境探测的标准及法规进行了分解和归纳，对标准中存在的问题进行了探讨。

1、国内外标准及法规概述

涉及电动车动力锂电池气安全和严苛环境探测的国际标准紧要包括:

IEC62660-2:2011《电动道路车辆用锂离子动力蓄电池单体第2部分:可靠性和滥用性探测》;

ISO6469-1:2019《电驱动道路车辆安全要求，第一部分:可再充能量贮存系统》;(ISO12405-3:2014《电动道路车辆锂离子牵引电池包和系统的探测规范，第3部分：安全性能要求》目前已撤回，被ISO6469-1:2019替代)；

SAEJ2464:2009《电动和混合动力电动车可再充能量储存系统的安全和滥用性探测》；

SAEJ2929:2013《电动和混合动力锂电池系统安全标准———锂基可充电电池》。

欧盟成员国采用联合国欧洲经济委员会2013年七月十五日颁布的技术法规ECEＲ100.02《有关就电力传动系统特殊要求方面进行车辆认证的统一规定》作为强制性标准。

第一部分适用于M类和N类公路车辆的电力传动系统，其设计最大车速超过25km/h，并配备一台或多台电动牵引电机;第二部分适用于配备一台或多台电动牵引电机且未永久连接到电网的M类和N类公路车辆可充电储能系统(ＲEESS)的安全要求。

为了适应国内电动车及动力锂电池的发展，2015年国家标准化委员会颁布了一系列标准。其中涉及电气安全和严苛环境探测项目的探测标准为：

GB/T31485—2015《电动车用动力蓄电池安全要求及实验办法》和GB/T31467.3—2015《电动车用锂离子动力蓄电池系统包和探测规程第3部分安全性要求与探测办法》。

有关电动车CCC认证中电池的电气安全和严苛环境探测，CQC-C1101-2018《强制性产品认证执行细则汽车》中做如下规定，锂电池单体和模块应符合GB/T31485—2015《电动车用动力蓄电池安全要求及实验办法》(6.3.7电池模块的挤压实验暂不执行;6.2.8、6.3.8针刺实验暂不执行)；

GB/T31467.3—2015《电动车用锂离子动力蓄电池系统包和探测规程第3部分安全性要求与探测办法》(有关由车体包覆并构成电池组箱体的，要带箱体/车体探测;电池组或系统尺寸较大，无法进行台架安装探测时，可进行子系统探测)的要求。

2、汽车用锂离子动力锂电池电气安全和严苛环境探测

文中紧要分解讨论锂离子动力锂电池作为汽车零部件的安全探测标准，未涉及整车级别的探测标准及法规。表1总结了电动车用锂离子动力锂电池相关的国际和国内标准及法规中规定的最常见的实验项目(文中仅讨论电气安全性能探测和严苛环境探测)。有些标准规定:在某些情况下，可以依据制造商和客户之间的协议进行实验。实验可以在各种级别下分别进行，将参考被测设备(DUT)进行分级:电池单体(C)、电池模块(M)、电池组或系统(P)和车辆(V)。标准和法规为每个实验设置了通过、失败要求，将“不着火”、“不爆炸”、“不破碎”和“不泄漏”作为实验的接受准则，而防火的通过、失败标准仅是“不爆炸”。

2.1、电气安全探测

2.1.1、外部短路探测

探测的目的是评估在外部短路时DUT的安全性能。该实验用于评估过电流保护设备的激活状态或电池承受电流而不会达到危险情况(例如热失控、爆炸、着火)的能力。紧要危险因素是由于出现大量的热量而导致热失控、出现电弧可能导致损坏电路或绝缘电阻降低。表2中列出了最相关的探测参数。

在探测期间，把电池正负极从外部连接一个低电阻元件(例如5、10或20mΩ)，在不到1s的时间内使其从外部短路，并保持规定的时间(例如10min)或直到过电流保护装置(倘若有)起用途。通常，保险丝，断路器(无源元件)和接触器(有源元件)用于戒备电池模块或电池组级别的过电流。

内置的电流中断设备或正热系数设备用于电池单体级别的过电流保护，倘若内部压力和/或温度达到限值，则可以断开内部电路与其端子的连接或限制通过的电流。这些保护设备的时间特性决定了断开或限制电流的应和时间，电流越高，能够中断的速度就越快。

倘若电流不够高(例如，低SOC)或电流迅速下降，则电流可能不会被中断，但这些可能导致发生危险。因此，标准要求在外部硬短路时的短路电阻应最小，或者在外部电阻与DUT的内部电阻相当时进行软短路。

如前所述，标准或法规要求固定的外部电阻，与DUT的尺寸无关。但初始短路电流受DUT的大小及其连接类型(即并行、串行或其组合)的影响。因此，对具有不同尺寸和连接类型的DUT使用相同的外部电阻连接，可能会导致每个电池单体的初始短路电流不具有可比性。因此，某些标准针对硬短路又规定:外部电阻非得远小于DUT直流阻抗。有关软短路，由于外部短路电阻高于DUT的电阻，初始短路电流紧要由外部电阻控制，因此，出现的初始短路电流与电池储能系统的大小无关。

温度会影响电池的内阻，即电化学反响应传输速度;因此，初始电流越高越会导致高温，从而出现更多的热量。而且温度越高，DUT温度越接近热失控的温度。表2中的标准和法规都没有要求在高于室温的温度下进行短路探测。但在高于室温的温度下执行短路探测是合理的，因为汽车在室外停放、驾驶过程中或冷却系统出现故障时很可能会达到高于室温的温度。

影响探测结果的另一个参数是荷电状态(SOC)。最坏的情况是在高SOC下实现的，因为出现的初始短路电流最大，容易导致热失控。因此，大多数标准要求以额定容量的100%进行探测。但是有关UN/ECE-Ｒ100.02:2013，可以在50%SOC(或更高)下进行探测。

2.1.2、过充电/过放电探测

为了评估过充电/过放电保护系统的功能，使电池的充电或放电超出制造商提议的限值时，比如由于充电器故障等可能发生的情况。几乎所有的标准和法规都规定该实验项目，表3列出了实验探测参数。

过充电期间的紧要安全隐患是电解质的分析、阴极和阳极的击穿、隔板的退化以及锂镀层放热分析，导致电池过热和热失控。倘若达到足够的温度(例如200℃)，则氟化黏合剂会与锂化碳发生放热反应。影响探测结果的因素包括充电率和最终达到的SOC。

有关过充电探测，按标准规定的充电电流给电池充电，直至达到设定的结束充电条件(如200%SOC，130%SOC等)，或者保护装置起用途(如断开充电、降低电流等)。表3所列标准和法规对过充电电流、充电结束条件的规定存在较大差别，导致实验结果可能存在较大差异，不同标准和法规的探测结果不具有可比性。过度充电的电池(SOC＞100%)热失控起始温度显示出较低的起始温度(65～80℃范围内)。

严重事故一般发生在具有严重过充电(例如，两倍的额定容量)的电池单体上，但在中等过充电(110%SOC)下重复充电/放电循环也可能导致电池内部短路或故障。

过放电(或强制放电)探测也是非常紧要的。过度放电期间的安全隐患是极性反转，导致阳极集电器的氧化并在阴极侧镀覆。即使微小的过放电也会导致枝晶形成并最终导致短路。在过放电探测期间，将洋溢电的电池放电(例如1C速率继续1.5h，或C/3速率放电直到被测设备中断或限制放电)。表3中不同标准和法规的探测参数差异很大，可以得出这样的结论:即探测的结果可能取决于所遵循的标准或规定。因此，要统一探测参数以进行可比较的探测。

2.2、严苛环境探测

环境探测旨在评估温度变化等条件下系统的安全性能，例如不同地区的环境温度导致发生火灾或极端天气导致的事故等。下面将解析最常见的严苛环境探测:温度冲击和循环探测、热稳定性探测、过温探测以及外部火烧探测。

2.2.1、温度冲击和循环探测

此实验紧要评估由于暴露于极端和猛然的温度变化(例如，在运输过程中车辆进入或离开加热或冷冻的车库时，导致电池包件的膨胀和收缩)而引起的DUT完整性的变化。在温度冲击和循环实验期间，DUT会经受高温柔低温两个温度限值，并在每个温度限值下保持指定的时间。标准和法规中描述的温度冲击和循环探测具有不同的最高温度限制(请参见表4)。所有标准和法规的温度下限均为－40°C(IEC62660-2在带电操作情况，是最低温度为－20℃)，尽管温度上限不相同。

值得留意的是，UN/ECE-Ｒ100.02:2013准许在此探测期间操作保护设备，我国的这两个标准中未提及相关要求。而在其他国际标准中，保护设备被禁用，这使探测条件更加严格。

2.2.2、热稳定性探测

该探测紧要评估高温下电池的稳定性，以识别电池热失控开始温度或在高温下的稳定性。探测中，电池的温度以5℃/min的步长依次新增，升至规定温度并保持30min，或直到DUT发生的重大损坏。

标准SAEJ2464:2009的规定更加严格，不仅要求5℃/min升温速率，而且在每个温度步骤要保持30min，而且要求最高温度为300℃(高于电池最高工作温度)，直至温度达到300℃或出现自加热(大于1.0℃/min)。用于评估电池的热失控开始时间及热稳定性。

其他标准则评估电池在高温下的性能，其目的不是达到热失控状态，而是评估DUT在该温度下的热稳定性。电池从室温以5℃/min的步长依次新增，升高至130℃，该温度下放置30min。尽管热稳定性对储能系统的安全性相当紧要，它们并未在表5所示的标准中得到广泛的要求。

2.2.3、过温探测

过热探测(也称为快速充电/放电、过热保护探测)旨在评估温度控制故障或其他保护功能故障时对电池发生内部过热的影响。表6列出了标准和法规的探测参数。

有关此项探测，欧盟和国际标准都要求封闭DUT的主动热控制系统(例如，冷却系统)，GB/T31467.3—2015未提及该要求(要求探测对象的所有控制系统处于工作状态)，继续进行充放电实验，充电和放电之间没有时间间隔，结果将导致DUT的温度升高。3个国际标准要求实验非得在密闭空间中进行，以评估在探测过程中从电池释放的任何气体材料的可燃性。

有关UN/ECE-Ｒ100.02:2013和GB/T31467.3—2015未要求实验在密闭空间中进行。所有标准都要求在DUT损坏(例如，电解液泄漏、破碎、着火或爆炸)时终止实验。

2.2.4、外部火烧实验

外部火烧实验的目的是在电池或车辆暴露于高温或外火焰时，评估其爆炸的危险。火源可能是车辆本身或附近车辆泄漏的燃料引起的。表7列出了探测参数，紧要描述了3种类型的探测:

(1)辐射热探测:SAEJ2464:2009将电池(100%SOC)

放置在圆柱形金属装置内，该金属装置通过辐射加热。温度应在90s的时间内达到890℃，并保持10min。记录电池实验过程或实验后的情况，包括变形、泄漏、着火、爆炸等。

(2)弹丸探测:SAEJ2929:2013将DUT暴露于平均火中并使DUT被钢丝网筛包围，使电池爆炸出现的碎片不能穿透网筛，网筛为直径为0.25mm的退火铝线，网格密度为每厘米6至7根线。整个电池系统要经受高温柔火焰的环境，直到电池系统完全着火。达到此条件后，将外部热源和火焰源移除，并使电池系统持续燃烧。当没有可见的火焰时，探测完成并且探测后观察期开始。

(3)油盘燃烧实验:GB/T31467.3—2015、UN/ECEＲ100.02:2013、ISO6469-1:2019中所述的实验是通过在燃油盘中燃烧燃料而出现火焰。DUT放置在位于装有燃料的实验盘上方的摩擦桌上。实验时首先将实验盘中的燃料在距离DUT至少3m处点燃，对DUT进行60s的预热。然后将燃油盘置于DUT下方(距离为50cm，或为车辆空载状态下探测对象底面的离地高度，或制造商与客户商定)，将DUT笔直暴露在火焰中并继续70s。将耐火材料盖板盖在油盘上，DUT在该状态下探测60s。移走油盘，然后GB/T31467.3—2015要求观察2h，UN/ECEＲ100.02:2013、ISO6469-1:2019要求观察3h或直至DUT达到环境温度。倘若在探测过程中没有爆炸的迹象，则声明该探测通过。

表7中所示标准的探测条件和要求的相差较大，分明不能保证探测结果的可比性。

3、结论

文中对电动车用锂电池安全性能的各种标准和法规在电气安全和严苛环境探测项目进行了全面的比较分解。比较这些标准和法规中描述的实验办法中采用的探测参数和条件。从执行的分解得出以下结论:

有些实验(例如，过充电、热冲击、外部火烧等)的探测条件(例如SOC，温度)相当宽泛。这使得不同标准不具有获得的数据的可能，参数的差异可能是由于标准制定者所考虑的场景不同。为了进行公平和等效的探测，提议将实验的参数、条件等统一。由于最坏的情况通常对应于最大SOC，因此在这种情况下执行相关实验是合乎逻辑的。大多数标准已经要求100%SOC，但是法规UN/ECE-Ｒ100.02:2013准许以不小于50%SOC进行探测。

还应留意电池单、体模块和电池组的组件探测的可比性。例如，已证明短路探测中出现的初始电流受DUT的尺寸及其连接类型(即并行或串行)的影响。

单从电动车用锂电池(电池单体、电池模块、电池组或系统)电气安全和严苛环境探测要求来看，我国实验标准的大部分探测要求是与欧盟法规相当或略高于欧盟法规的，但与国际标准相比可能还有差距。而且由于不同标准和法规要求的实验条件不一致，使得相同实验项目的实验结果不具有可比性。

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