動力及儲能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)UN38.3檢測技術(shù)研究

金挺，宋楊，王彩娟，呂媛媛

(中華人民共和國吳江出入境檢驗檢疫局，國家動力及儲能電池檢測重點實驗室，江蘇 蘇州 215200 )

《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》[1]中的UN38.3鋰金屬和鋰離子部分，目前成為航空、海洋和陸路運輸對承運的鋰電池進(jìn)行安全鑒定的最權(quán)威的測試標(biāo)準(zhǔn)。我國作為鋰離子電池的主要生產(chǎn)國及消費國必須進(jìn)一步規(guī)范動力及儲能類大型鋰離子電池系統(tǒng)的運輸安全。本文對結(jié)合現(xiàn)行的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，針對動力及儲能型鋰離子電池系統(tǒng)UN38.3運輸安全領(lǐng)域檢測技術(shù)進(jìn)行深入研究，并由此提出相關(guān)的測試規(guī)范，以供參考借鑒。

1 鋰離子電池組件的測試解析

對于小型電池組的測試屬于常規(guī)測試項目，相關(guān)的測試要求及方法在標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)敘述，至此就不贅述了。

對于鋰離子電池組件(標(biāo)稱容量小于6200 Wh)的樣品測試要求，UN38.3 規(guī)定“如果電池組件由通過所有UN38.3試驗要求的電池組串并聯(lián)組成，滿電時所有正極鋰含量小于500g，或者鋰離子電池組的額定瓦特-小時數(shù)小于6200Wh，應(yīng)對一組滿電的電池組件進(jìn)行T3(振動),T4(沖擊)和T5(外部短路)試驗，此外還應(yīng)對另一組電池組件進(jìn)行T7(過度充電)試驗”[1]。最新的第六版中去除了對組件電池的25次循環(huán)充放電的要求，對于T7(過度充電)試驗電池組件狀態(tài)也未要求，但其余的測試要求不變。

對于鋰離子電池組件(標(biāo)稱容量大于6200 Wh)的樣品要求，UN38.3 規(guī)定“如果電池組件由通過所有UN38.3試驗要求的電池組串并聯(lián)組成，滿電時所有正極鋰含量大于500 g，或者鋰離子電池組的額定瓦特-小時數(shù)大于6200Wh，如果能驗證電池組件具有防止短路、防止過充電，以及防止電池組之間過度放電的系統(tǒng)，則無需針對電池組件進(jìn)行UN38.3的所有測試項目”[1]。此段描述只提出需要對保護(hù)功能進(jìn)行驗證，未規(guī)定具體的測試方法。正如圖1 所示，可以將電池組件系統(tǒng)(大于6200 Wh)分解成便于進(jìn)行UN38.3 測試的電池組(模塊)，通過驗證整個電池組件管理系統(tǒng)的有效性與可靠性，從而符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 電池組件系統(tǒng)整體圖Figure 1 The whole battery component system figure

圖2 電池組件系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 2 the structure figure ofthe battery components system

2 動力及儲能型鋰電池標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求

根據(jù)目前主流鋰離子蓄電池系統(tǒng)的具體用途，可以分為動力型鋰離子蓄電池系統(tǒng)和儲能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)。

動力型鋰離子蓄電池系統(tǒng)主要為各種設(shè)備提供動力來源，包括電動汽車，電動列車，電動自行車等，而目前新能源汽車已經(jīng)成為了國際產(chǎn)業(yè)競爭的熱點領(lǐng)域，我國相繼出臺了《電動車“十二五”專項規(guī)劃》和《“十二五”新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。電動道路車輛用電化學(xué)能量儲存系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化也成為了兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、國際電工委員會IEC以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(SAC) 、歐盟標(biāo)準(zhǔn)化組織(CEN)、歐洲電工委員會(CENNELEC)、美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)、美國機(jī)動車工程師協(xié)會(SAE)，英國(BSI )，德國(DIN)，美國(ANSI)和日本(JIS)等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的工作重點之一。各標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)近年來制定了一系列電動道路車輛用電化學(xué)能量儲存系統(tǒng)相關(guān)的通用要求、環(huán)保、安全等標(biāo)準(zhǔn)。最具代表性的動力型鋰離子蓄電池標(biāo)準(zhǔn)匯總詳見表1：

表1 車用動力蓄電池標(biāo)準(zhǔn)匯總Table 1 Vehicle traction battery standard summary

以上標(biāo)準(zhǔn)體系的建立為動力蓄電池領(lǐng)域的健康有序發(fā)展提供了保障，從中我們可以參考、歸納、借鑒相關(guān)的檢測方法和檢測技術(shù)，從而制定針對該類型電池組件系統(tǒng)的有效性驗證測試方法。

儲能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)主要使用于太陽能發(fā)電設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備以及其他可再生能源儲能設(shè)備，其中磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子儲能電池較為常見，目前國際上相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 61427 -1: 2013《可再生儲能二次單體電池和電池組 通用要求和測試方法 第一部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用》[16]和IEC 62619：2017《含堿性或其他非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 工業(yè)應(yīng)用密封鋰電池和鋰電池組的安全性要求》[17]。結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)，制定針對該類型電池組件系統(tǒng)的有效性驗證測試方法。

3 動力型電池組件管理系統(tǒng)的有效性驗證

測試原理：通過客戶提供的通訊協(xié)議，通訊硬件工具及通訊軟件程序?qū)﹄姵亟M件系統(tǒng)內(nèi)部電池信息狀態(tài)進(jìn)行讀取與記錄，同時運用新能源電池系統(tǒng)測試平臺這一獨立的測試系統(tǒng)對實測數(shù)據(jù)及相關(guān)功能進(jìn)行比較與驗證[2]。

結(jié)合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中提供的相關(guān)測試項目方法，歸納總結(jié)出針對動力型鋰離子蓄電池組件管理系統(tǒng)的有效性和可靠性驗證測試方案如下：

(i),電池組件防止過度充電系統(tǒng)驗證

測試步驟： ①對電池組件進(jìn)行恒流充電，電壓限定為充電限制電壓的110%[16]。

②觀察電池組件的保護(hù)功能是否動作。

測試接受準(zhǔn)則：

在電池組件電壓達(dá)到充電限制電壓的110%之前，組件內(nèi)單體電池電壓高于某一電壓值(例如4.25V)時，保護(hù)功能動作。

(ii),電池組件內(nèi)部防止串并聯(lián)電池組之間的過度放電系統(tǒng)驗證

情況一：對鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行容量調(diào)節(jié)，保持荷電狀態(tài)為30%左右，選取電池組件中的一組電池組進(jìn)行恒流放電，放電截至條件為荷電10%左右，以上處理方式能有效的滿足測試條件，模擬出電池組間的電壓不均衡的故障狀態(tài)。

情況二：當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)內(nèi)部電池組具有電壓平衡電路，即當(dāng)監(jiān)測到任意兩單體電芯壓差大于或等于某一限制時，可對電壓高的電芯進(jìn)行放電，從而保證整個電池組內(nèi)電池電壓的一致性；所以電池組件不會出現(xiàn)電池組之間電壓差異導(dǎo)致的過度放電現(xiàn)象，可驗證電池組件的防止過度放電系統(tǒng)。

情況一是一種比較極端的處理方式，一般在電池設(shè)計中會采取措施盡量避免上述情況的發(fā)生，最有效地方式就是讓電池組件繼電器處于開路狀態(tài)，無法閉合即無法正常工作。遇到這種情況時測試可參照情況二進(jìn)行。

測試步驟： ①對電池組件進(jìn)行恒流放電，

②觀察電池組件的保護(hù)功能是否動作。

測試接受準(zhǔn)則：

電池組件內(nèi)單體電池電壓低于2.750V，保護(hù)功能動作。

(iii),電池組件防止短路系統(tǒng)驗證

測試步驟：

①對電池組件正負(fù)極間進(jìn)行外部短路。

②短路內(nèi)阻不超過5毫歐，短路時間為10分鐘。

③觀察電池組件保護(hù)功能是否動作。

測試接受準(zhǔn)則：

電池組件保護(hù)功能動作。

以下是動力型鋰離子蓄電池組件系統(tǒng)測試示例：

3A ,電池組件防止過度充電系統(tǒng)驗證

測試結(jié)果數(shù)據(jù)：

①選取電池組件進(jìn)行測試。

②鋰離子電池組件系統(tǒng)總電壓升至404.092V,內(nèi)部單體電池最大電壓值為4.244V時，電池組件繼電器狀態(tài)由Closed變?yōu)镺pen，電流值降為0，無法繼續(xù)充電。保護(hù)前后BMS狀態(tài)見圖3A。

4B,電池組件內(nèi)防止電池組之間過度放電系統(tǒng)驗證

測試結(jié)果數(shù)據(jù)：

①選取電池組件進(jìn)行測試。

②鋰離子電池組件系統(tǒng)總電壓降至290.768V,內(nèi)部單體電池最小電壓值為2.685V時，電池組件繼電器狀態(tài)由Closed變?yōu)镺pen，電流值降為0，無法繼續(xù)放電。保護(hù)前后BMS狀態(tài)見圖4B。

5C,電池組件防止短路系統(tǒng)驗證

測試結(jié)果數(shù)據(jù)：

①選取電池組件進(jìn)行測試。

②鋰離子電池組件系統(tǒng)正負(fù)極進(jìn)行外部短路，短路內(nèi)阻為1.34mΩ，電池組件繼電器狀態(tài)Closed變?yōu)镺pen，持續(xù)10min。保護(hù)前后BMS狀態(tài)見圖5C。

圖3A BMS測試圖Figure 3A BMS test figure

圖4B BMS測試圖 Figure 4B BMS test figure

圖5C BMS測試圖 Figure 5C BMS test figure

4 儲能型電池組件管理系統(tǒng)的有效性驗證

測試原理可以參照動力型的要求進(jìn)行，電池組件管理系統(tǒng)的有效性驗證基本方案也可以參照動力電池的測試方案進(jìn)行，考慮到儲能型電池的應(yīng)用特點，相對動力電池的管理系統(tǒng)功能有所簡化，因此在測試過程中還需要跟廠商進(jìn)行詳細(xì)的溝通，充分了解管理系統(tǒng)的原理及功能。

5 小結(jié)

以上關(guān)于動力及儲能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)UN38.3檢測技術(shù)研究結(jié)合日常檢測工作進(jìn)行，今后在實際操作中很多方面還需進(jìn)一步完善，相關(guān)檢測方法請供參考，由于測試電池系統(tǒng)屬于高壓設(shè)備，建議相關(guān)操作中的人員的防護(hù)需要重視和加強(qiáng)。

[1] United Nations．ST/SG/AC．10/11/Rev．6/Corr.1，Recommendations on the transport of dangerous goodsManual of tests and criteria[S]．New York and Geneva，F(xiàn)ebruary 2016 ．

[2] 王彩娟，宋楊，席安靜，金挺.大型鋰離子電池系統(tǒng)UN38.3檢測技術(shù)研究[J].電池工業(yè),2014-08-25.

[3] ISO 6469-1，道路電氣車輛安全規(guī)范[S].

[4] ISO 12405-1:2011，電動道路車輛用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程-部分1：高功率應(yīng)用[S].

[5] ISO 12405-2:2012，電動道路車輛用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程-部分1：高能量應(yīng)用[S].

[6] ISO 12405-3:2014，電動道路車輛用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程-部分3：安全性要求[S].

[7] IEC 62660-1:2010，電動道路車輛驅(qū)動用鋰離子蓄電池 - 第1部分：性能測試[S].

[8] IEC 62660-2:2010，電動道路車輛驅(qū)動用鋰離子蓄電池 - 第2部分：可靠性和濫用測試[S].

[9] UL2580-2011，電動車用電池[S].

[10] 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[S].

[11] GB/T 31467.2-2015，電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第1部分 高能量應(yīng)用測試規(guī)程[S].

[12] GB/T 31467.3-2015，電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分 安全性要求與測試方法[S].

[13] 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[S].

[14] GB/T 31485-2015，電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法[S].

[15] GB/T 31486-2015，電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法[S].

[16] IEC 61427 -1: 2013，可再生儲能二次單體電池和電池組通用要求和測試方法第一部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用[S].

[17] IEC 62619：2017，含堿性或其他非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組工業(yè)應(yīng)用密封鋰電池和鋰電池組的安全性要求[S].