鋰離子動力電池安全性試驗檢測方法

楊杰 張凱慶 史瑞祥 夏晴

（重慶車輛檢測研究院；國家客車質量監督檢驗中心）

隨著電動汽車保有量的與日俱增，電動汽車也頻發起火事故，引發了社會各界對電動汽車動力電池安全性的擔憂和質疑，其試驗檢測技術受到世界各國的高度重視。在概述國內外鋰離子動力電池安全性相關技術標準的基礎上，以QC/T 743-2006為例，結合實際經驗，探討其試驗檢測方法并提出建議，為開展相關試驗檢測提供參考，以促進鋰離子動力電池試驗檢測技術的發展，提高其安全性。

1 國內外相關技術標準

目前，國內外涉及鋰離子動力電池安全性的技術標準主要有 ISO 12405 系列[1-3]、IEC 62660 系列[4-5]、SAE J2929[6]、UL 2580[7]和 QC/T 743[8]，其標準代號、頒布日期、適用范圍及技術特點，如表1所示。

表1 國內外相關技術標準對比

綜合對比表1所列的技術標準，主要存在以下4個方面的差異。

1）在頒布日期方面：國外標準大多在2011年以后頒布，個別標準（如ISO/CD 12405-3）還正在制定中，而國標QC/T 743在2006年8月就已頒布，從2009年7月開始作為我國鋰離子動力電池的強制性檢驗依據。

2）在適用范圍方面：QC/T 743只針對單體電池及電池模塊，范圍較窄，而UL 2580作為UL認證的依據，涵蓋內容全面，既包含了單體電池、電池模塊、電池包及電池系統的電性能、環境適用性和安全性方面的要求，又包含了生產線上針對電池組零部件的基本安全測試，如外殼耐燃和金屬材料耐腐蝕等，同時在電池管理系統、冷卻系統以及保護線路設計方面加強了安全性審查要求[9]。

3）在技術特點方面：除IEC 62660系列無技術要求外，其余標準都涵蓋了試驗方法和技術要求兩方面內容，且SAE J2929引用了國際上相對成熟的標準方法，是專門針對電池包及電池系統的安全性標準。

4）在標準內容方面：SAE J2929相比QC/T 743增加了浸水、火災模擬及機械沖擊等試驗內容，更好地模擬和評估動力電池的安全性。

2 試驗檢測方法

我國從2008年才開始大規模發展電動汽車，以磷酸鐵鋰電池為代表的鋰離子動力電池也是2008年以后才得以廣泛應用，而QC/T 743早在2006年就已頒布，標準尚缺乏大量實踐基礎，從2009年開始作為強制性檢驗依據實施至今，難免存在不足之處。在QC/T 743全部13項安全性試驗檢測項目中（單體電池7項，電池模塊6項），過放電、加熱和跌落等試驗項目的問題不大，存在的主要問題有：容易發生起火、爆炸的過充電、短路、針刺和擠壓等關鍵試驗項目的相關試驗檢測方法[10-11]。

2.1 過充電試驗2種方法的確定

QC/T743過充電試驗給出了2種方法，方法1：以3I3（A）電流充電，即以3倍的3h率放電電流充電，至蓄電池電壓達到5V或充電時間達到90min（其中一個條件優先達到即停止試驗）；方法2：以9I3（A）電流充電，即以9倍的3h率放電電流充電，至蓄電池電壓達到10 V即停止試驗。圖1示出相同電池在2種方法下的試驗結果。

從圖1可以看出，方法2電池在較短時間內表面溫度達到72℃，是方法1電池表面溫度23℃的3倍多，且試驗結束時電壓瞬時最高達到11.5 V，是方法1的2倍多。可見，方法2比方法1的考核更為苛刻。此外，相比而言，方法1對設備能力要求不高，結束試驗時的電池電壓也較低，即對試驗設備和試驗人員的安全性較好，且試驗時間最多為90min，實際操作性較強。而方法2對于部分加裝有保護電路的電池，實際可能達不到10V的試驗結束條件，適用性不強。

建議：在實際試驗檢測中，作為對電池的基本考核以及部分加裝有保護電路的電池，應優先選擇方法1，若是加嚴考核，則可選擇方法2。

2.2 短路試驗中電池狀態的確定

QC/T 743短路試驗要求電池經外部短路時間為10min，而對于部分加裝了熱敏電阻PTC等保護電路的圓柱形電池或極耳處連接片橫截面較小的方形電池，在短路試驗中電流過大后，由于PTC等保護電路作用或連接片承受電流有限被熔斷，通常在3min左右就會切斷電流，致使剩余的短路試驗時間沒有實際考核意義。值得注意的是：類似以上電池狀態的出現也不排除是企業為了通過檢測，故意為之。

建議：在實際試驗檢測中，應結合實際裝車情況確定短路試驗中的電池狀態。對于“故意為之”的電池，應采取去除保護電路和增加連接片等措施后再進行短路試驗。

2.3 針刺試驗條件的確定

QC/T 743針刺試驗要求鋼針直徑為3～8mm，針刺速度為10～40mm/s，電池模塊針刺至少貫穿3個單體電池。由于不同的鋼針直徑、針刺速度和貫穿電池個數對試驗結果影響很大，而且標準給出的范圍又較大，在實際試驗檢測中容易造成試驗結果的不可比和不準確。

其中，鋼針直徑和貫穿電池個數對試驗結果的影響比較確定，針刺速度對試驗結果的影響尚不明確。鋼針直徑越大，與電池內部正負極材料、隔膜及電解液等組成部分的接觸面積越大，且能夠承受的內部短路電流越大，導致電池內部的化學與電化學反應越劇烈，越容易發生起火、爆炸。貫穿電池個數越多，即電池模塊內部短路電流越大，也會導致電池內部的化學與電化學反應越劇烈，越容易發生起火、爆炸。而針刺速度的影響與電池的材料體系、電解液配方有很大關系，加之標準并未規定試驗保持時間及觀察時間，故針刺速度對不同電池試驗結果的影響還需進一步分析研究。

建議：在實際試驗檢測中，作為對電池的基本考核，應選擇φ3mm鋼針，貫穿3個單體電池，若是加嚴考核，則可選擇較大鋼針直徑和貫穿較多單體電池。而對于針刺速度的選擇，鑒于目前其影響規律尚不明確，可選擇標準規定范圍的中值（25mm/s）進行試驗。

2.4 擠壓試驗中擠壓方向的確定

QC/T 743電池模塊的擠壓試驗要求擠壓方向為垂直于單體電池排列方向施壓，而對于不同排列方向的電池，其擠壓方向對試驗結果的影響很大，在實際試驗檢測中容易造成試驗結果的不可比和不準確。

由于動力電池目前還處于發展階段，受到裝車后的結構布置、散熱及充放電效率等因素影響，其單體電池的排列方向也有較多類型。圖2示出單體電池排列方向與擠壓方向示意圖。

從圖2可知，擠壓方向1為平行于單體電池排列方向，擠壓方向2，3均為垂直于單體電池排列方向，且擠壓方向3直接與電池極耳接觸，更容易引起電池的內、外部短路，考核更為苛刻。考慮到擠壓試驗主要是考核電池裝車后受到擠壓的情形，擠壓方向理論上應與實際裝車后最易受到擠壓的方向一致，然而實際車輛運行工況復雜多變，該方向通常不可獲得。如圖2a，2b，2c中的擠壓方向3以及圖2d中的擠壓方向1，都對應于整車垂直方向上受到擠壓的情形，顯然相較于其余2個擠壓方向，該方向不容易受到擠壓，而除了圖2d中的擠壓方向3比擠壓方向2考核更為苛刻，圖2a，2b，2c中的其余2個擠壓方向對試驗結果的影響尚不明確，還需要進一步分析研究。

建議：在實際試驗檢測中，應結合電池裝車后的布局，考慮前碰、后碰及側碰等情況確定擠壓方向。對于圖2a，2b，2c中的情形，可在擠壓方向1和擠壓方向2下分別做試驗，全面考核電池受到擠壓變形后的安全性。對于圖2d中的情形，作為基本考核，可選擇擠壓方向2，若是加嚴考核，則可選擇擠壓方向3。

3 結語

依據2012年6月國務院印發的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》，到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷量將力爭達到50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力將達200萬輛、累計產銷量將超過500萬輛。可以預見，國家及地方政府對電動汽車產業的扶持力度還將持續加大，動力電池的安全性問題勢必會更加凸顯。國內相關單位應繼續加強完善動力電池的標準體系，不斷提升其安全性試驗檢測技術，進而增強動力電池的安全性水平。