鋰電池性能測試：國內(nèi)外動力鋰電池測試標(biāo)準(zhǔn)深度剖析

電池產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是安全標(biāo)準(zhǔn)是約束質(zhì)量的重要依據(jù)，也是規(guī)范市場秩序和推動技術(shù)進步的重要手段。本文作者針對國內(nèi)外現(xiàn)有的常見標(biāo)準(zhǔn)，進行介紹和歸納分析，并對這些標(biāo)準(zhǔn)體系中存在的問題進行簡單的探討。

一、國外動力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

表1列舉了國外常用的鋰離子電池測試標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)頒發(fā)機構(gòu)主要有國際電工委員會 ( IEC) 、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織( ISO) 、美國保險商實驗室 ( UL) 、美國汽車工程師學(xué)會( SAE) 以及歐盟相關(guān)機構(gòu)等。

表 1 國外常用的動力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

1 國際標(biāo)準(zhǔn)

IEC發(fā)布的動力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 62660-1∶2010《電動道路車輛用鋰離子動力蓄電池單體第1部分: 性能測試》和IEC 62660-2∶2010《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》。聯(lián)合國運輸委員會頒布的UN 38. 3《聯(lián)合國關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書標(biāo)準(zhǔn)和試驗手冊》，對鋰電池測試的要求是針對電池在運輸過程中的安全性。

ISO在動力鋰離子電池方面制定的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 12405-1∶2011《電驅(qū)動車輛———鋰離子動力電池包及系統(tǒng)測試規(guī)程第1部分: 高功率應(yīng)用》、ISO 12405-2∶2012《電驅(qū)動車輛——鋰離子動力電池包及系統(tǒng)測試規(guī)程第2部分: 高能量應(yīng)用》及ISO 12405-3∶2014《電驅(qū)動車輛——鋰離子動力電池包及系統(tǒng)測試規(guī)程第3部分: 安全性要求》，分別針對高功率型電池、高能量型電池以及安全性能要求，目的是為整車廠提供可選擇的測試項和測試方法。
2 美國標(biāo)準(zhǔn)

UL 2580∶2011《電動汽車用電池》主要評估電池的濫用可靠性以及在濫用產(chǎn)生危害時對人員的保護能力，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年進行修訂。

SAE在汽車領(lǐng)域擁有龐大、完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。2009年頒布的SAE J2464: 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》是很早一批應(yīng)用于北美和全球地區(qū)的車用電池濫用測試手冊，明確指出了每個測試項的適用范圍及需要采集的數(shù)據(jù)，也針對測試項目所需樣品數(shù)量給出建議。

2011年頒布的SAE J2929: 2011《電動和混合動力電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)》是SAE在總結(jié)之前頒布的各種動力電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上提出的安全性標(biāo)準(zhǔn)，包括兩部分: 電動車在行駛過程中可能出現(xiàn)的常規(guī)情況測試和異常情況測試。

SAE J2380: 2013《電動車電池的振動測試》是電動車電池的振動測試較經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)，以實際車輛道路行駛的振動載荷譜采集統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)依據(jù)，測試方法更加符合實際車輛的振動情況，具有重要的參考價值。

3 其他組織標(biāo)準(zhǔn)

美國能源部( DOE) 主要負責(zé)能源政策制定、能源行業(yè)管理及能源相關(guān)技術(shù)研發(fā)等。2002年美國政府成立了“自由車”( Freedom CAR) 項目，先后頒發(fā)了Freedom CAR功率輔助型混合電動車電池測試手冊與電動和混合動力汽車用儲能系統(tǒng)濫用性測試手冊。

德國汽車工業(yè)協(xié)會( VDA) 是德國為統(tǒng)一國內(nèi)汽車工業(yè)的各種標(biāo)準(zhǔn)而組成的協(xié)會，頒布的標(biāo)準(zhǔn)有VDA 2007《混合動力汽車用電池系統(tǒng)測試》，主要是針對混合動力汽車的鋰離子電池系統(tǒng)的性能及可靠性測試。

歐洲經(jīng)濟委員會( ECE) R100. 2《關(guān)于就電動車輛特殊要求方面批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》是ECE針對電動車制定的具體要求，整體分為兩部分: 第一部分對整車在電機防護、可再充電儲能系統(tǒng)、功能安全和氫氣排放等4個方面進行了規(guī)范，第二部分為新增的對可再充電儲能系統(tǒng)的安全可靠性作出的具體要求。

二、國內(nèi)動力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

2001年，汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會頒布了我國第一個電動汽車的鋰離子電池測試指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z 18333. 1: 2011《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》。該標(biāo)準(zhǔn)制定時參考了IEC 61960-2∶2000《便攜式鋰電池和蓄電池組第2部分: 鋰電池組》，用于便攜式設(shè)備的鋰離子電池及電池組，測試內(nèi)容包括性能和安全，但只適用于21.6V和14.4V的電池。

2006年，工業(yè)和信息化部頒發(fā)了QC/T 743《電動汽車用鋰離子動力蓄電池》，被行業(yè)內(nèi)廣泛使用，并于2012年進行了修訂。GB/Z 18333. 1: 2001 和 QC/T 743: 2006 都是針對單體和模塊級別的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍較窄，且測試內(nèi)容已不適應(yīng)快速發(fā)展的電動汽車行業(yè)的需求。

2015年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》、GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》、GB/T 31486-2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》及 GB/T 31467. 1-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第1部分高功率應(yīng)用測試規(guī)程、GB/T 31467. 2-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分高能量應(yīng)用測試規(guī)程、GB/T 31467. 3《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程第3部分安全性要求與測試方法。

GB/T 31485-2015及GB/T 31486-2015分別是針對單體/模塊的安全及電性能測試，GB/T 31467-2015系列參照了ISO 12405系列，適用于電池包或電池系統(tǒng)的測試，而GB/T 31484-2015是專門針對循環(huán)壽命的測試標(biāo)準(zhǔn)，對于單體和模塊采用標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命，對于電池包和系統(tǒng)采用工況循環(huán)壽命。

2016年，工信部發(fā)布了《電動客車安全技術(shù)條件》，從人員觸電、水塵防護、火災(zāi)防護、充電安全、碰撞安全、遠程監(jiān)控等方面綜合考慮，充分借鑒了現(xiàn)有的傳統(tǒng)客車、電動汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和上海、北京等地方標(biāo)準(zhǔn)，對動力電池提出更高的技術(shù)要求，增加了熱失控和熱失控擴展兩個測試項，已于2017年1月1日正式實施。

表 2 國內(nèi)常用的動力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

三、國內(nèi)外動力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)分析

國內(nèi)外動力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)分析國際上的大部分標(biāo)準(zhǔn)是在2010年前后頒布的，重新修訂次數(shù)較多，且陸續(xù)有新的標(biāo)準(zhǔn)出臺。GB/Z 18333. 1: 2001是在2001年頒發(fā)的，由此可見，我國的電動汽車鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)在世界上起步并不算晚，但發(fā)展相對緩慢。自2006年QC/T 743標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，我國有很長一段時間里沒有標(biāo)準(zhǔn)更新，且在2015年新國標(biāo)發(fā)布之前，沒有關(guān)于電池包或系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、測試項內(nèi)容、測試項嚴(yán)格程度及判定準(zhǔn)則方面，都有所差別。

1 適用范圍

IEC 62660 系列、QC/T 743、GB/T 31486和GB/T 31485是針對電池單體和模塊級別的測試，UL2580、SAE J2929、 ISO12405和GB/T 31467 系列則適用于電池組和電池系統(tǒng)的測試。國外除了IEC 62660，其他的標(biāo)準(zhǔn)基本都涉及電池組或系統(tǒng)級別的測試，SAE J2929及ECE R100. 2甚至提到了整車級別的測試。這說明國外的標(biāo)準(zhǔn)制定更多地考慮到了電池在整車上的應(yīng)用，更符合實際應(yīng)用的需求。

2 測試項內(nèi)容

所有的測試項從整體上來說，可分為電性能和安全可靠性兩大類，而安全可靠性又可分為機械可靠性、環(huán)境可靠性、濫用可靠性和電氣可靠性。

機械可靠性，模擬了車輛在行駛過程中受到的機械應(yīng)力，如振動模擬了車輛在路面上的顛簸; 環(huán)境可靠性，模擬了車輛在不同氣候中的耐受力，如溫度循環(huán)模擬了車輛在晝夜溫差大或者在寒冷和炎熱地區(qū)來回行駛時的情況; 濫用可靠性，如火燒，考察電池在遭受到不正當(dāng)使用時的安全性; 電氣可靠性，如保護類測試項，主要是考察電池管理系統(tǒng)( BMS) 在關(guān)鍵時候能否起到保護作用。

在電池單體方面，IEC 62660分為兩個獨立的標(biāo)準(zhǔn)IEC 62660-1和IEC 62660-2，分別對應(yīng)性能和可靠性測試。GB/T 31485和GB/T 31486是由QC/T 743演化而來，GB/T 31486中將耐振動歸屬為性能測試，因為該測試項是考察電池振動對電池性能的影響。相比于IEC 62660-2，GB/T 31485的測試項目更嚴(yán)苛，如增加了針刺和海水浸泡等。

在電池包和電池系統(tǒng)的測試方面，不論是電性能還是可靠性，美國標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的測試項最多。在性能測試方面，DOE/ ID-11069比其他標(biāo)準(zhǔn)多出的測試項有混合脈沖功率特性( HPPC) 、運行設(shè)置點穩(wěn)定性、日歷壽命、參考性能、阻抗譜、模塊控制檢驗測試、熱管理載荷及結(jié)合壽命驗證的系統(tǒng)水平測試等。

在標(biāo)準(zhǔn)的附錄中詳細介紹了電性能測試結(jié)果的分析方法，其中，HPPC 測試可用于檢測動力電池的峰值功率，由此衍生的直流內(nèi)阻測試方法，已廣泛用于電池的內(nèi)阻特性研究。在可靠性方面，UL2580比其他標(biāo)準(zhǔn)多出的測試項有: 非平衡電池組充電、耐壓、絕緣、連續(xù)性試驗及冷卻/加熱穩(wěn)定系統(tǒng)故障試驗等，還包含了生產(chǎn)線上針對電池組零部件的基本安全測試，在 BMS、冷卻系統(tǒng)及保護線路設(shè)計方面，加強了安全性審查要求。SAE J2929提出要對電池系統(tǒng)的各個部分進行故障分析，并保存相關(guān)的文檔材料，包括易識別故障的改進措施。

ISO 12405系列標(biāo)準(zhǔn)同時包含電池的性能和安全兩方面，ISO 12405-1是針對高功率應(yīng)用的電池性能測試標(biāo)準(zhǔn)，ISO 12405-2是針對高能量應(yīng)用的電池性能測試標(biāo)準(zhǔn)，前者多了冷啟動和熱啟動兩項內(nèi)容。GB/T 31467系列結(jié)合了我國動力電池發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)ISO 12405系列標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容修改而得。

與其他標(biāo)準(zhǔn)不同的是: SAE J 2929與 ECE R100. 2都涉及高壓防護的要求，屬于電動汽車安全范疇。我國的相關(guān)測試項在GB/T 18384中，GB/T 31467. 3中指出電池包和電池系統(tǒng)在進行安全測試之前要滿足GB/T 18384. 1和GB/T 18384. 3的相關(guān)要求。

3 嚴(yán)格程度

對于相同的測試項，不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試方法和判定準(zhǔn)則也不盡相同。例如對于測試樣品的荷電狀態(tài)( SOC) ，GB/T 31467. 3中要求樣品為滿電態(tài); ISO 12405中要求功率型電池SOC為50% ，能量型電池SOC為100% ; ECE R100. 2要求電池的SOC在50%以上; UN38. 3對于不同的測試項有不同的要求，某些測試項還需要循環(huán)過的電池。

另外，還要求高度模擬、熱試驗、振動、沖擊和外短路必須用同一個樣品進行測試，相對更嚴(yán)格。對于振動測試，ISO 12405要求樣品在不同的環(huán)境溫度下振動，建議的高溫和低溫溫度分別為75℃和－40℃，其他的標(biāo)準(zhǔn)沒有此項要求。

對于火燒試驗， GB/T 31467. 3中的實驗方法和參數(shù)設(shè)置與 ISO 12405. 3相差不大，都是采用點燃燃料的方式進行預(yù)熱、直接火燒和間接火燒，但 GB/T 31467. 3要求樣品若有火苗必須在2 min內(nèi)熄滅，ISO 12405則沒有要求火苗熄滅的時間，SAE J2929中的火燒試驗與前兩者不同，它要求將樣品放置于熱輻射容器中，90s內(nèi)迅速升溫至890℃ 并保持10 min，并且不得有任何組件或物質(zhì)穿過置于測試樣品外部的金屬網(wǎng)罩。

四、現(xiàn)有國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的不足

雖然相關(guān)國標(biāo)的制定和發(fā)布填補了我國在動力鋰離子電池組合系統(tǒng)方面的空白，并被廣泛采用，但仍有不足。測試對象方面: 所有的標(biāo)準(zhǔn)都只規(guī)定了新電池的測試，對使用過的電池沒有相關(guān)規(guī)定和要求，電池在出廠時沒有問題，不代表使用一段時間后仍然安全，因此有必要對使用不同時間的電池進行同樣的測試，相當(dāng)于定期體檢。

結(jié)果判定方面: 目前的判定依據(jù)較寬泛和單一，只有無泄露、無外殼破裂、不起火和不爆炸的規(guī)定，缺少可量化的評判體系。歐洲汽車研究與技術(shù)發(fā)展委員會( EUCAR) 將電池的危害程度劃分成8個等級，具有一定的借鑒意義。

測試項方面: GB/T31467. 3缺少電池包和電池系統(tǒng)在熱管理和熱失控方面的測試內(nèi)容，而熱安全性能對電池至關(guān)重要，如何控制單體電池的熱失控，使熱失控的情況不蔓延，具有重要意義，《電動客車安全技術(shù)條件》的強制實施也說明了這一點。另外，從整車應(yīng)用層面來說，對于非破壞性的可靠性測試，如環(huán)境可靠性，在試驗結(jié)束之后有必要增加電性能測試，模擬車輛在經(jīng)歷了環(huán)境變化后，性能受到的影響。測試方法方面: 電池包和電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命測試耗時太長，影響產(chǎn)品開發(fā)周期，難以很好地執(zhí)行，如何開發(fā)合理的加速循環(huán)壽命測試是個難點。

五、總結(jié)

近年來，我國在動力鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用方面已取得了很大的進步，但與國外的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距。除了檢測標(biāo)準(zhǔn)以外，我國鋰離子電池在其他方面的標(biāo)準(zhǔn)體系也在逐漸完善。2016年11月9日，工信部在發(fā)布了《鋰離子電池綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系》，指出未來的標(biāo)準(zhǔn)體系包括基礎(chǔ)通用、材料與部件、設(shè)計與制造過程、制造與檢測設(shè)備、電池產(chǎn)品等5大部分，其中，安全標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系重大，隨著動力電池產(chǎn)品的更新和發(fā)展，測試標(biāo)準(zhǔn)也需要提升相應(yīng)的檢測技術(shù)，進而增強動力電池的安全性水平。