電驅動道路車輛 動力鋰離子電池的非正常工作試驗和要求

常薇芬，忻 龍，張 紅，盧兆明

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233）

引言

裝車使用的鋰離子電池，無論是能量（BEV）型應用，還是功率（HEV）型應用，安全性無疑是首要前提。著火和爆炸等安全性要素集中體現在電池芯元件上。電池組和系統是在電池芯的基礎上集成控制和裝車應用的特定試驗。如果電池芯、組和系統，在一般性能條件下能夠安全運行，對于裝車使用還是不夠的。當某個元件較早出現故障，或由外因導致電池處于狀態時，電池能夠承受或還能保證車輛行駛、人員或車輛的安全。非正常工作（濫用）也可稱為故障條件。

鋰離子電池在非正常工作（濫用）過程中，環境溫度和電化學反應推升溫度是造成電池體內壓力提高的條件。機械（力學）試驗通過劣化工作條件；或原有結構被破壞，造成電池內部故障。

著火是在高壓擠壓下產生的高溫，達到輕金屬、可能存在的氣態可燃物或封裝材料的燃點，泄漏后接觸氧氣而引發燃燒。引發燃燒的氣體快速積聚相對導致爆炸要輕一點，但引發次生災害的后果也非常嚴重。爆炸也可能會伴有著火現象。

表2給出了鋰離子電池非正常工作（濫用）試驗可能出現的狀態。所列8種結果狀態也作為本試驗隊試驗結果的標準描述，也適用于性能試驗、氣候或力學試驗結果的描述。

1 電池芯試驗的一般規定

1.1 電池芯的溫度測量

溫度變化可以直觀地體現電池芯體的工作狀態。IEC 62660給出了電池芯溫度測量的要求。適用于標準系內所有有關電池芯溫度的測量。圖1是溫度測量的示例，規定了溫度測量的位置要求。

電池芯溫度應采用符合規定校準準確的表面溫度測量儀器進行。溫度測量的位置應盡量反映電池芯的真實溫度。如有必要，可以適當地增加測量點。溫度測量在組合了儀器、測量方法和所有試驗中產生的誤差因素后的誤差為±2 K。

1.2 電池芯的預處理

IEC 62660給出了電池芯預處理的要求。根據試驗的性質可能有所增加或偏離。

1)試驗溫度 除非另有規定，在每個試驗前，電池芯至少應經過12h的溫度穩定。如果溫度已經穩定，可以減少這段時間。如果電池芯溫度1h的變化小于1K，可以認為溫度已經達到穩定；除非另有規定，電池芯應在室溫條件下按供應商的方法進行試驗。

圖1 電池芯溫度測量示例

表1 放電條件

2)SOC調整

步驟1：電池芯按以下要求充電：電池芯應在試驗前進行電性能測量；預充電，電池芯應在室溫下用表1中規定值恒流放電到供應商規定的放電截止電壓。然后，將電池芯在室溫條件下按供應商公示的方法充電至規定值。

步驟2：電池芯按1)存放室溫下；

步驟3：電池芯按表1，BEV應用按1/3 lt放電；HEV應用按1 lt放電。

1.3 電池芯參考試驗電流

電池芯試驗中采用的參考試驗電流 It的關系如下：It(A)= Cn(Ah)/ 1 (h)。其中：Cn為電池芯的額定容量；n 是時間基數（小時）。

1.4 電池芯非正常工作（濫用）試驗結果描述

試驗后，應將下列試驗要素作為試驗結果記錄在報告中：試驗中電池芯的電壓、電流和溫度。試驗前和試驗后，電池芯的狀態，并用表2中的規范詞進行描述。在試驗結果的描述中還可以包括相關的材料，如照片等。

2 電池芯 非正常工作（濫用）試驗

2.1 電池芯外部短路試驗

用于檢驗電池芯在外部短路條件下的特性，過程如下：

1)按2.2 要求，電池芯調整SOC到100%；

2)將上述a)狀態的電池芯在室溫條件放置，然后，將正極端與負極端用外部電阻將其短路，10min。供需雙方如無無異議，外部短路體的總電阻應等于或小于5mΩ；

表2 電池芯試驗結果描述

3)電壓和電流的采樣率應≤ 10 ms；

4)如果測量精度與IEC62660給出的要求存在偏離，應將偏離記錄在報告中。

2.2 電池芯過充電試驗

用于檢驗電池芯在過充電條件下的特性，試驗過程如下：

1)按2.2 要求，電池芯調整SOC到100%；

2)在室溫條件下，BEV應用用1lt，HEV應用用5lt電流，容量足夠的供電電源用恒定電流連續地向受試電池芯沖電，直到超過100%SOC。過充電試驗應延續到電池芯電壓達到2倍于生產商規定的電壓，或相當達到受試電池芯200 % SOC實用電量。

2.3 電池芯強制放電試驗

用于檢驗電池芯在強制放電條件下的特性，試驗對已充分放電的電池芯樣品，用1 ItA放電90 min。

3 電池芯碾壓試驗

本試驗是用可能受到的外力，檢查電池芯的響應特性，試驗過程如下：

1)BEV應用的電池芯按按2.2 要求，調整SOC至100%；HEV應用應調整SOC至80%。

2)將電池芯應放置在絕緣的平面上，用規定150 mm直徑的半圓棒，或半球形，或球形工具進行碾壓。圖2推薦了用半圓棒碾壓圓型電池芯；用半球形工具碾壓方型電池芯。試驗的力應施加在與電池芯正極或負極垂直的表面上。適用的工具選擇，應能夠使電池芯的變形隨施加力的增加而增大。

圖2 碾壓試驗示例

3)力的釋放應導致電池芯電壓有1/3的跌落，或15%的變形，或大于電池芯的原始尺寸，或施加電池芯質量1000倍的力。電池芯保持試驗狀態24h，或從試驗上升達到的最高溫度后下降20%，選取其中的一種方法。

4)按表2描述試驗結果，并增加專用試驗工具的形狀和試驗工具的速度要素。

4 電池組/系統非正常工作（濫用）試驗的一般規定

4.1 充電狀態

除非另有規定，高能量電池組或電池系統可能考慮在充電到低于100% SOC，非正常工作（濫用）試驗應該進行100%SOC。

4.2 試驗條件

除非另有規定，應采用下列條件：試驗在室溫(RT)條件下進行；受試電池組/系統(DUT)應在正常運行溫度；如果電池系統包括控制端系統，應啟用；如果運行時有必要用致冷裝置，應啟用。

4.3 試驗持續

在試驗結束之后，觀察DUT至少1小時，并持續到DUT的溫度低于50 ℃或感覺到適合用手把握。

5 電池組/系統 電性能非正常工作（濫用）試驗

5.1 短路保護

斷路保護試驗的目的是檢查過電流保護裝置。該裝置是用于保護DUT免受更大電流的傷害。

5.1.1 試驗程序

—— 在室溫條件下進行本試驗，滿充并處于正常工作狀態（連接接觸器閉合，電池系統在BUC控制下）。用(20 +0/-10)mΩ 進行“硬短路”，每10min至少1s，被動的或非被動的短路保護裝置在試驗中應該有效運作?；蛘?，直到出現另一種狀態（如，元件溶化）而終止試驗。

—— DUT在上述短路之后，連續觀察DUT運行至少2小時。

試驗中DUT的功能應該按設計充分運行。對于電池組，短路電流應被過電流保護裝置（如熔斷器）阻斷。對于電池系統，短路電流應被過電流保護裝置（如熔斷器）和/或連接接觸器自動脫開。

——對DUT電流斷開和電路短路脈沖電流的電壓和電流數據取樣速率0.1ms應該是適當的。

5.1.2 要求 測量數據應包括：對應時間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗前和試驗后，測量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負極端間的絕緣電阻。

5.2 過充電保護

過充電保護試驗的目的是檢查過充電保護功能。該功能應能中斷過充電電流，使防止DUT造成相關更嚴重的事件。

5.2.1 試驗程序 DUT在室溫下，滿充并處正常運行條件，致冷系統運行（供電連接閉合，電池系統由BCU控制）。在試驗過程中，被動電流防護裝置應運作。主動充電控制應被斷開或失能。

——DUT應在按供應商和用戶協議的恒定比率電流下充電。推薦用2C恒流充電；

——供電電壓上限設置應不超過電池系統最大電壓的20%；

——DUT充電過程應持續到供電連接自動斷開；

——如果SOC值超過130%或電池芯的溫度超過55℃，過充電試驗應被終止。

獲得/監視數據應延續到充電停止后的1h。試驗中，DUT的設計功能應完整。為了防止DUT應過充電引起更嚴重的后果，電池控制單元（BCU）應能使供電連接器自動斷開，中斷過充電電流。

對DUT的電壓和電流數據要有適當的密度，對電流斷開功能的數據取樣速率，100ms是合適的。

5.2.2 要求 測量數據應包括：對應時間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗前和試驗后，測量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負極端間的絕緣電阻。

5.3 過放電保護

過放電保護試驗的目的是檢查過放電保護功能。該功能應能中斷過放電電流，使防止DUT造成相關更嚴重的事件。

5.3.1 試驗程序 DUT在室溫下，滿充，并處正常運行條件，致冷系統運行（供電連接閉合，電池系統由BCU控制）。本試驗應是完整的，被動電流防護裝置運作。主動充電控制應被斷開或失能。

——進行標準放電。如果達到正常放電限制，繼續維持C/3放電；

——DUT放電過程應持續到供電連接自動斷開；

——如果到正常電壓值25%或超過DUT的放電極限的時間限制30min后，應手動結束放電試驗；

正常電壓值是供應商以電池系統推薦運行電壓給出的值。電壓取決于電化學特性、電池芯的數量和電池芯的排列。

獲得/監視數據應延續到放電停止后的1h。試驗中，DUT的設計功能應完整。為了防止DUT應過放電引起更嚴重的后果，BCU應能使供電連接器自動斷開，中斷過放電電流。

對DUT正常放電限制和超限的電壓和電流數據要有適當的密度，對電流斷開功能的數據取樣速率，100ms是合適的。

5.3.2 要求 測量數據應包括：對應時間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗前和試驗后，測量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負極端間的絕緣電阻。

6 綜述

1)基于電池芯的非正常工作（濫用）試驗，電池組的非正常工作（濫用）試驗檢出主要是由于電池芯在通過串聯并聯，因每個電池芯的電壓特性、內阻存在的差異產生個別電池芯工作條件早期劣化；或因個別電池芯性能降低或失效，而引發電池組/系統的非正常工狀態。此外，電池系統的控制單元（BCU）和電池芯級聯的芯間平衡電路的可靠性問題，也可引發電池組的工作條件異常，進而引發電池組/系統的非正常工作（濫用）狀態。因此，由符合電池芯組裝成的電池組/系統，也要進行相應的非正常工作（濫用）試驗。

2)由于裝車條件的特殊環境、行車可能產生的事故，由整車有關標準規范；電池組/系統管理功能的電子元件或單元，因電磁輻射或兼容性產生的非正常工作（濫用），繼而導致的安全性問題，則由相關EMC標準進行規范。

3)在電池芯外部短路試驗中，電池芯用5 mΩ短路裝置進行，短路試驗需持續10min，其間對電壓和電流的采樣約100次。由于電池芯沒有限流斷路保護，考核的是電池芯的承受能力。首先應采用相應的專用裝置或設備；對實驗設備和人員有適當的保護；每次試驗的前后都應確認5 mΩ短路裝置符合要求。

4)用20 mΩ 對電池系統進行“硬短路”，每10min至少1s的短路保護試驗，是考慮到電池系統的短路保護在1s內應實現保護功能。在試驗預案中應考慮到保護功能未能實現的可能，仍應在1s后斷開；也應對失去保護電池可能出現的狀態有所顧忌。“硬短路”試驗應通過專用設備或經確認的裝置來完成，切勿直接在電池樁極上進行人工操作。試驗的前后都應確認20 mΩ短路裝置符合要求。

5)非正常工作（濫用）試驗過程應考慮表2的狀況。應此，所有的試驗工作過程都應建立適當的防護，包括對人員的防護和對設備的防護。

6)本試驗不是安全性試驗。電驅動道路車輛 動力鋰離子電池組和系統的安全性試驗和要求的ISO標準尚處在NP階段。運輸安全性試驗，可以參考聯合國危險貨物運輸建議書（UN 38.3部分）等文獻。

7)表2列出的8種狀態的嚴重程度是漸進的。在狀態漸進的過程中通常伴隨著溫度升高。因此，在本試驗的實際操作中不僅應遵照文本的要求測量并記錄DUT的溫度；足夠密集溫度數據將有助于試驗的分析和預估。

8)關于試驗的判據 本試驗項目均未設置合格判據。即使按標準要求，符合試驗項目的條件，也應由試驗過程記錄和試驗前、試驗中和后的樣品具體狀態描述進行報告。因此，要十分注意試驗過程的信息采集完整和試驗記錄的飽滿。

[1] 盧兆明.道路車輛 電氣及電子裝備的環境試驗和要求[M].北京：中國標準出版社，2011.

[2] 郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新編著.鋰離子電池[M].湖南：中南大學出版社，2002.

[3] 盧兆明，張紅，忻龍，王沈敏.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池的試驗和要求[J].環境技術，2011(3)：51-56.

[4] 盧兆明，王沈敏，史曉雯.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池系統機械環境試驗和要求[J].環境技術，2011(5)：54-60.

[5] 忻龍，張紅，盧兆明.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池系統壽命循環試驗和要求[J].環境技術，2012(4)：5-10.

[6] ISO/DIS 12405 Electrically propelled road vehicles — Test specif i cation for lithium-Ion traction battery systems[S].

[7] IEC 62660 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles[S].