電動汽車鋰離子動力電池機械安全測試標準分析

（天津大學內燃機研究所 天津 300072）

引言

為了滿足降低二氧化碳排放等環保要求，汽車排放標準對燃油汽車提出了越來越嚴格的要求，新能源汽車已經成為未來汽車的發展方向[1]。在《中國制造2025》和《汽車產業中長期發展規劃》指引下，中國新能源汽車產業的戰略頂層設計日趨完善，純電動汽車在我國得到了迅速發展[2]。電動汽車在歐洲、日本和美國也得到了快速發展，在不久的將來，電動汽車定會主導汽車市場。

鋰離子動力電池憑借其高比能量、高比功率以及使用壽命較長等方面的優點，得到了越來越多汽車整車企業的認可，使得鋰離子動力電池在電動汽車市場占支配地位。本文對國內外電動汽車鋰離子動力電池機械安全測試的標準進行了分析和歸納，對標準中存在的問題進行了探討。

1 國內外標準概述

鋰離子動力電池必須通過一系列安全測試，才能在電動汽車上應用。這些安全測試是為了了解和識別電池在非正常狀況下的潛在弱點和脆弱性，并確定電池在惡劣條件下的表現。本文主要討論純電動汽車用鋰離子動力電池機械安全測試項目。

涉及電動汽車鋰離子動力電池機械安全測試的的國際標準主要包括：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》[3]、ISO 6469-1：2019《電驅動道路車輛安全要求 第1 部分：可再充能量貯存系統》[4]（ISO 12405-3：2014《電動道路車輛鋰離子牽引電池組和系統的測試規范第3 部分：安全性能要求》[5]目前已被ISO 6469-1：2019 替代）、SAE J2464：2009《電動和混合動力電動汽車可再充能量儲存系統的安全和濫用性測試》[6]、SAE J2929：2013《電動和混合動力電池系統安全標準-鋰基可充電電池》[7]。

歐盟成員國采用聯合國歐洲經濟委員會于2013年7 月15 日頒布的ECE R100.02《關于就電力傳動系統特殊要求方面進行車輛認證的統一規定》[8]作為強制性標準。其第一部分適用于M 類和N 類公路車輛的電力傳動系統，設計最大車速超過25 km/h，并配備一臺或多臺電動牽引電機；第二部分適用于配備一臺或多臺電動牽引電機且未永久連接到電網的M 類和N 類公路車輛可充電儲能系統（REESS）。

為了適應國內電動汽車及動力電池的發展，2015 年，國家標準化委員會頒布了一系列標準。對于電動汽車CCC 認證，CQC-C1101-2018《強制性產品認證實施細則汽車》中做出如下規定：鋰離子電池單體和模塊應符合GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》（6.5 工況循環暫不執行）[9]、GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》（6.3.7 電池模塊的擠壓試驗暫不執行；6.2.8、6.3.8 針刺試驗暫不執行）[10]、GB/T 31486-2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》[11]、GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統包和測試規程第3 部分安全性要求與測試方法》（對于由車體包覆并構成電池包箱體的，要帶箱體/車體測試；電池包或系統尺寸較大，無法進行臺架安裝測試時，可進行子系統測試）[12]的要求。

2 電動汽車用鋰離子動力電池機械安全測試要求

本文主要分析和討論鋰離子動力電池作為純電動汽車零部件的機械安全測試標準，未涉及整車級別的測試標準。表1 總結了電動汽車用鋰離子動力電池相關的國際和國內標準中規定的最常見機械安全性能測試項目。有些標準規定：在某些情況下，可以根據制造商和客戶之間的協議進行試驗。試驗可以在各種級別下分別進行，即電池單體（C）、電池模塊（M）、電池包或系統（P）和車輛（V）。

通常，將被測設備（DUT）進行分級。每個級別的定義按照SAE J2464：2009 可以概括為[6]：

表1 電動汽車用鋰離子動力電池標準中機械安全性能測試項目概覽

電池單體（C）：由至少一個陰極和一個陽極以及其它必要的電化學和結構組件組成的儲能裝置。

電池模塊（M）：將一個以上電池單體串聯和/或并聯的方式組合，且只有一對正負極輸出端子，作為電源使用的組合體。

電池包或系統（P）：互連模塊，包括用于機械支持、熱管理和電子控制的所有輔助子系統。

標準為每個試驗設置了通過/失敗要求，將“不著火”、“不爆炸”、“不破裂”和“不泄漏”作為試驗的接受準則。

2.1 機械沖擊測試

機械沖擊測試旨在評估車輛突然加速和/或減速時電池的堅固性。在試驗期間，DUT 會承受根據加速度和沖擊持續時間定義的沖擊力，以適應不同的條件。比如：從電動汽車正常駕駛、在高速行駛中軋到路緣石上直到車輛撞車。表2 所示為各種標準中測試條件（方向、峰值加速度、持續時間、電池荷電狀態（SOC）等）的差異。SAE J2464：2009、SAE J2929：2013以及UN 38.3：2015[13]運輸標準，都是要求很嚴格的標準，小于0.5 kg 的電池，其峰值加速度為150 g。對于質量較大的電池，條件有所放寬。我國的標準中，GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》對電池單體和電池模塊不要求機械沖擊測試，而GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統包和測試規程 第3 部分 安全性要求與測試方法》對電池包或系統僅要求在Z 軸方向沖擊3 次，是所有標準中要求最低的。

表2 機械沖擊測試

2.2 跌落測試

跌落測試模擬將電池從電動汽車上卸下或將其安裝到電動汽車上時意外掉落的情況。表3 列出了對跌落表面類型、跌落高度和SOC 的要求。在測試過程中，讓DUT 掉落在剛性平坦的表面（如混凝土地面）上。跌落高度在各種標準中變化較大，為1 m～2 m。因此，可以預期測試的結果會有較大差別。

表3 跌落測試

2.3 翻轉測試

翻轉測試也稱為旋轉測試，它模擬在事故中可能發生的車輛傾覆。表4 列出了不同標準中試驗參數的比較。試驗時，將電池組或模塊緩慢旋轉（如360°/min），以評估是否存在任何泄漏（如電池電解液、冷卻液泄漏）或通風孔。然后，將DUT 以90°的增量旋轉一次，在每個位置停留1 h，再旋轉一整圈。不同測試標準中的測試方法基本一致。

盡管輕型汽車側翻、翻車事故大量存在，但有些標準（如ECE-R100.02：2013）中沒有包含翻轉測試。

表4 翻轉測試

2.4 擠壓測試

在擠壓測試中，施加的擠壓力模擬車輛事故或任何可能損壞電池盒并導致其變形的外部負載力。試驗中，通常將帶有紋理或肋的電絕緣板向下壓到電池上，并壓縮到一定程度。例如，壓縮到85%，在5 min 后繼續壓縮至初始尺寸的50%或直至觀察到突然的電壓降（如降低到原始電池電壓的1/3）。通常使用2 種標準化的擠壓壓盤，即A 型和B 型。對于電池單體水平測試（圓柱或棱柱形），一般采用B 型壓盤（如IEC 62660-2：2010 中所述），但GB/T 31485-2015 采用A 型壓盤。對于電池模塊或包裝組件，通常建議使用A 型，這一點GB/T 31467.3-2015 與國際標準及歐盟標準一致。目前，我國電動汽車CCC認證中，電池模塊暫時不要求進行擠壓測試。

另一個需要引起關注的方面是在零部件級別和車輛級別的測試結果之間的可比性。對現實中有關車輛在選定位置發生變形的事故場景進行研究，得出的結論是最大接觸載荷通常＜100 kN。在零部件級別和車輛級別測試上，對DUT 施加的壓緊力可能不具有可比性。因為，在車輛級別測試中，電池有底盤和電池外殼提供額外保護。此外，實際的事故具有動態性，即電池朝著撞擊區域移動，這與防撞板朝著靜態電池移動的零部件級別測試不同。

不同標準施加的擠壓力、擠壓速度、電池的SOC水平有較大差別，因此不同試驗之間的試驗結果可能不具有可比性。

表5 為不同標準中擠壓測試參數的比較。

2.5 針刺測試

針刺測試會導致電池中機械和電氣損壞。試驗是由一根尖銳的鋼棒以一定的恒定速度穿過電池，盡管測試的結果是短路，但是這種短路是機械引起的，因此針刺通常被歸類為機械測試而不是電氣測試。當穿透電池單體并破壞隔板和電極的完整性時，會產生短路并因此釋放熱量。多個電極層與穿刺針由于短路發生電接觸，因此在短時間內會發生相對嚴重的損壞。由于變形局限于相對較小的區域，因此散熱受到很大限制。

表5 擠壓測試

根據測試產品的級別，即電池單體（C）、電池模塊（M）、電池包或系統（P），穿透深度、穿刺速度和穿刺針的尺寸在不同標準中有所不同。大多數情況下，在電池單體級別，需要一根直徑為3 mm 或5～8 mm的鋼棒；在電池模塊、電池包或系統級別，需要一根直徑為20 mm 或6～10 mm 的鋼棒。對于電池單體級別，穿透深度至少要穿過整個電池；對于電池模塊、電池包或系統級別，要穿過3 個電池單體，或者至少穿過100 mm。在所有情況下，鋼棒在測試后的觀察期內（如1 h）都保持在原位。

這項研究的實用性受到研究界許多人的質疑，其原因主要有3 個：首先，該試驗不能完全代表現實情況下可能發生的事件（如尖銳的物體穿透內部）；其次，已經證明該測試并不能代表發自內部的短路；最后，有很多參數（如穿刺針的速度、穿刺針的尺寸和電池的SOC）會嚴重影響測試結果。此外，不確定穿刺針材料的質量和成分對測試結果的影響，標準中對此沒有提供說明。出于上述原因，該測試未包含在表6 所示的許多汽車標準中似乎可以理解。目前，我國電動汽車CCC 認證中也不要求電池進行針刺測試。

2.6 振動測試

車輛在正常行駛過程中會發生振動，但振動可能會傷害電池。因此，幾乎所有標準都包含振動測試。試驗的目的是從耐久性、確定設計缺陷的角度來評估長期振動對電池的影響。標準中使用的振動曲線為正弦波和隨機振動曲線。正弦掃頻測試通常用于識別產品共振，而隨機振動則模擬DUT 會經歷的日常行駛情況。

表6 針刺測試

目前，這些標準中的振動曲線都是從傳統燃油車輛中測取的，并不是專門針對電動汽車電池的，不能作為電池壽命的機械耐久性測試標準。而且由于測試條件不能代表電池及其在車輛中的位置，因此該試驗與評估電池在行駛條件下的振動不相關。電池組可能會受到現有標準評估范圍之外的振動負載。

GB/T 31467.3-2015 是參照ISO 12405-3：2014制定的，目前ISO 12405-3：2014 已被ISO 6469-1：2019 替代。車輛級別的測試可以按照SAE J2929：2013、ISO 6469-1：2019 所定義的條件進行。不同標準的試驗條件相差較大，側重點也不盡相同（歐盟標準的振動類型為正弦，通常用于評估共振），很難對試驗結果進行橫向比較。

圖7 為不同標準中振動測試參數的比較。

表7 振動測試

2.7 海水浸泡測試

海水浸泡測試是為了評估電池浸入水中或安裝在車輛底部的電池組件被部分淹沒的情況。為了執行此項測試，將電池完全浸入25℃的類似于海水（如3.5wt%NaCl 水溶液）的鹽水中至少1～2 h 或直到任何可見的現象發生（如起泡）。

評估電動汽車遭受洪災和水淹是非常重要的。每年的雨季，各國會有很多汽車被水全部或部分淹沒，可能導致電池發生短路、起火甚至爆炸。因此，海水浸泡測試是非常必要的。但是，有些標準并未包括該測試（如ECE R100.02）。

圖8 為不同標準中海水浸泡測試參數的比較。

表8 海水浸泡測試

3 結論

本文對電動汽車用鋰離子動力電池機械安全性能的各種標準進行了對比分析，比較了這些標準中描述的試驗方法所采用的測試參數和條件，得出以下結論：

1）大多數現有標準的測試要求和方法基本上是借鑒常規燃油車輛的標準要求。顯然，需要針對電動汽車進行更多分析和數據評估，以涵蓋電動汽車技術的特殊性。最近的研究表明，電池組可能會受到現有標準評估范圍之外的振動載荷的影響。

2）由于試驗要求的測試條件和參數不盡相同，有些甚至差別很大，使得不同標準獲得的數據可能不具有可比性。由于最壞的情況通常對應于最大SOC，因此在最大SOC 的情況下執行相關試驗是合乎邏輯的。大多數標準已經要求100%SOC，但是ECE-R100.02：2013 允許以≥50%SOC 進行測試。測試條件和參數的差異可能是由于標準制定者所考慮的場景不同，為了進行公平和等效的測試，建議將試驗的測試參數、條件進行統一。

3）應注意電池單體、電池模塊和電池包或系統的組件測試的可比性。對于擠壓測試，當對不同尺寸的DUT 施加單一的壓緊力時，可能會對測試結果產生類似的影響。在車輛級別的測試中，電池有底盤和電池外殼提供額外保護。此外，實際的事故具有動態性，即電池朝著撞擊區域移動，這與防撞板朝著靜態電池移動的零部件級別的測試不同。

4）本文只分析了零部件級別的測試，并未涉及整車級別的測試。單從電動汽車用鋰離子動力電池機械安全性能（電池單體、電池模塊、電池包或系統）試驗要求來看，我國的試驗標準中，大部分測試標準高于歐盟標準，但與國際標準還有差距。由于不同標準要求的試驗條件不一致，使得相同試驗項目的測試結果不具有可比性。

5）基于對近幾年國內外電動汽車安全事故經驗的總結，對電動汽車的安全失效與防范機制有了深入理解。工信部發布了《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求（征求意見稿）》，將其修訂并升級為強制性標準。該標準對規范電動汽車的持續、健康、穩定、安全發展意義重大。