新國(guó)標(biāo)下新能源汽車(chē)動(dòng)力電池檢測(cè)評(píng)價(jià)

楊進(jìn)峰

廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520

0 引言

2014年5月24日上午，習(xí)近平在上海汽車(chē)集團(tuán)考察時(shí)強(qiáng)調(diào)，汽車(chē)行業(yè)是市場(chǎng)很大、技術(shù)含量和管理精細(xì)化程度很高的行業(yè)，發(fā)展新能源汽車(chē)是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路，要加大研發(fā)力度，認(rèn)真研究市場(chǎng)，用好用活政策，開(kāi)發(fā)適應(yīng)各種需求的產(chǎn)品，使之成為一個(gè)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)點(diǎn)。新能源汽車(chē)技術(shù)研發(fā)能不能占領(lǐng)制高點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車(chē)的關(guān)鍵零部件，其性能直接影響整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)性能。另外，消費(fèi)者對(duì)于新能源汽車(chē)動(dòng)力性能、可靠性能、環(huán)境適應(yīng)性能和安全性能等要求也越來(lái)越高。因此，全方位地測(cè)試評(píng)價(jià)動(dòng)力電池系統(tǒng)的能力，提供安全可靠的動(dòng)力電池系統(tǒng)在新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中尤為重要[1]。

1 新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)組成和功能

新能源動(dòng)力電池系統(tǒng)包含由電池單體（SC）組成的電池模塊、電池包（BP）、電池管理模塊（BCM）、熱管理裝置、監(jiān)測(cè)電芯電壓、溫度和均衡電芯的電池管理單元（BMU）、高壓電路、低壓電路、絕緣檢測(cè)模塊、保險(xiǎn)絲、繼電器和連接線(xiàn)纜等元器件。典型的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含集成電池控制單元的電池系統(tǒng)

新一代動(dòng)力電池主要包括新一代鋰離子電池、燃料電池、鋰硫電池以及金屬-空氣電池。其中，新一代鋰離子電池在眾多新能源汽車(chē)車(chē)型上已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；燃料電池汽車(chē)雖然具有一定的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的應(yīng)用前景，但是短期內(nèi)難以解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸制約其商業(yè)化推廣；鋰硫電池與金屬-空氣電池尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，實(shí)際應(yīng)用為時(shí)尚早[2]。隨著鋰離子電池的大量推廣使用，因鋰離子電池引發(fā)的新能源汽車(chē)事故也越來(lái)越多。高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）根據(jù)公開(kāi)報(bào)道不完全統(tǒng)計(jì)得出，2020年上半年國(guó)內(nèi)共發(fā)生電動(dòng)汽車(chē)起火事故20起，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

新能源汽車(chē)產(chǎn)品車(chē)輛使用狀態(tài)可以分為普通行駛、正常停放、碰撞、水侵和充電5種。其中，風(fēng)險(xiǎn)較高且頻繁出現(xiàn)的為充電狀態(tài)。新能源車(chē)輛在充電過(guò)程中，出現(xiàn)事故的主要原因是充電濫用行為，包括電池過(guò)充和使用不符合要求的充電設(shè)備進(jìn)行操作兩個(gè)方面，過(guò)充會(huì)導(dǎo)致電芯損傷甚至徹底失效，而電芯的失效可能會(huì)導(dǎo)致電池包整體密封失效直至機(jī)械結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)可能會(huì)造成電芯模組間的短路、發(fā)熱、熱失控直至燃燒，最終導(dǎo)致動(dòng)力電池起火[3]。由表1可知，三元鋰離子電池引起的新能源汽車(chē)自燃仍是新能源汽車(chē)發(fā)生起火事故的首要原因。

表1 2020年上半年我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)起火事故統(tǒng)計(jì)

2 新能源汽車(chē)動(dòng)力電池新國(guó)標(biāo)

頻繁的新能源汽車(chē)燃燒事故，關(guān)于鋰離子電池安全性能檢測(cè)和試驗(yàn)方法再次成為廣大新能源汽車(chē)用戶(hù)關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)早在2015年，由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)）發(fā)布了《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 31484—2015）、《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 31485—2015）、《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 31486—2015）、《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第1部分：高功率應(yīng)用測(cè)試規(guī)程》（GB/T 31467.1—2015）、《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分：高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程》（GB/T 31467.2—2015）、《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》（GB/T 31467.3—2015）等一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池安全，特別是鋰離子動(dòng)力電池的性能要求和試驗(yàn)檢測(cè)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，而在2020年5月國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)）發(fā)布了第11號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公告，包括《電動(dòng)汽車(chē)安全要求》（GB 18384—2020）、《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）等。2020年9月又再次發(fā)布了《電動(dòng)汽車(chē)用電池管理系統(tǒng)功能安全要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 39086—2020）。這些新標(biāo)準(zhǔn)由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部提出，參與起草單位包括電池巨頭如寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司等多家動(dòng)力電池生產(chǎn)廠(chǎng)商，研究中心包括中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，以及整車(chē)廠(chǎng)如比亞迪、上汽集團(tuán)、一汽集團(tuán)、廣汽集團(tuán)等共計(jì)33個(gè)單位和部門(mén)，分別從電池單體、電池包或系統(tǒng)等方面制定了動(dòng)力電池的安全性及可靠性標(biāo)準(zhǔn)，最終形成了比較科學(xué)、合理的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系。

《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）代替2015年版《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 31485—2015）及《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》（GB/T 31467.3—2015），在電池單體模塊方面，修改了電池單體過(guò)放電的安全要求、電池單體過(guò)充電的試驗(yàn)方法、電池單體擠壓的試驗(yàn)方法3個(gè)方面，刪除了電池單體跌落的安全要求和試驗(yàn)方法、電池單體針刺的安全要求和試驗(yàn)方法、電池單體海水浸泡的安全要求和試驗(yàn)方法、電池單體低氣壓的安全要求和試驗(yàn)方法、電池模塊的安全要求和試驗(yàn)方法5個(gè)方面。在電池包或系統(tǒng)方面，共修改了電池包或系統(tǒng)振動(dòng)的安全要求和試驗(yàn)方法等14個(gè)方面，刪除了包括電池包或系統(tǒng)電子裝置振動(dòng)的安全要求和試驗(yàn)方法等3個(gè)方面，增加了包括電池包或系統(tǒng)熱擴(kuò)散安全要求和試驗(yàn)方法、電池包或系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)的安全要求和試驗(yàn)方法2個(gè)方面的內(nèi)容。

3 新標(biāo)準(zhǔn)下動(dòng)力電池單體試驗(yàn)方法及要求

電池單體的安全要求就是不起火、不爆炸，不涉及生產(chǎn)、運(yùn)輸、維護(hù)和回收安全，也不涉及性能和功能特性[4]。鋰離子電池在遭遇機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用時(shí)極易發(fā)展成熱失控，對(duì)其安全性產(chǎn)生極大威脅[5]。因此，新標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）對(duì)電池單體設(shè)計(jì)了6個(gè)試驗(yàn)，分別是過(guò)放電、過(guò)充電、外部短路、加熱、溫度循環(huán)、擠壓。電池單體在進(jìn)行試驗(yàn)前都需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電和預(yù)處理。標(biāo)準(zhǔn)充電即電池單體先以制造商規(guī)定且不小于1I3[I3為3 h率放電電流（A），其數(shù)值等于額定容量值的1/3]的電流放電至制造商技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓，擱置1 h（或制造商提供的不大于1 h的擱置時(shí)間），然后按制造商提供的充電方法進(jìn)行充電，充電后擱置1 h（或制造商提供的不大于1 h的擱置時(shí)間）。若制造商未提供充電方法，則由檢測(cè)機(jī)構(gòu)和制造商協(xié)商確定合適的充電方法，或依據(jù)以下方法充電：以制造商規(guī)定且不小于1I3的電流恒流充電至電池單體達(dá)制造商技術(shù)條件中規(guī)定的充電終止電壓時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05I1[I1為1 h率放電電流（A），其數(shù)值等于額定容量值]時(shí)停止充電，充電后擱置1 h（或制造商提供的不大于1 h的擱置時(shí)間）。預(yù)處理即正式測(cè)試開(kāi)始前，電池單體需要先進(jìn)行預(yù)處理循環(huán)，以確保試驗(yàn)對(duì)象的性能處于激活和穩(wěn)定的狀態(tài)。動(dòng)力電池單體試驗(yàn)主要方法如下。

3.1 過(guò)放電

（1）試驗(yàn)過(guò)程：將試驗(yàn)樣品電池單體先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電，以1I1的電流即額定容量值大小的放電電流放電90 min。完成以上試驗(yàn)步驟后，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀(guān)察1 h后結(jié)束試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)要求：試驗(yàn)過(guò)程中電池不爆炸、不起火。

（3）試驗(yàn)?zāi)康模弘姙E用下的測(cè)試。

3.2 過(guò)充電

（1）試驗(yàn)過(guò)程：將試驗(yàn)樣品電池單體先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電，以制造商規(guī)定且不小于1I3的電流即額定容量值的1/3大小的恒定電流充電至制造商規(guī)定的充電終止電壓的1.1倍或115%荷電狀態(tài)（SOC）后，停止充電。完成以上試驗(yàn)步驟后，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀(guān)察1 h后結(jié)束試驗(yàn)。（2）試驗(yàn)要求：試驗(yàn)過(guò)程中電池不爆炸、不起火。（3）試驗(yàn)?zāi)康模弘姙E用下的測(cè)試。

3.3 外部短路

（1）試驗(yàn)過(guò)程：將試驗(yàn)樣品電池單體先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電，再將正極端子和負(fù)極端子經(jīng)外部導(dǎo)線(xiàn)短路10 min。注意，外部線(xiàn)路電阻應(yīng)小于5 mΩ。完成以上試驗(yàn)步驟后，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀(guān)察1 h后結(jié)束試驗(yàn)。（2）試驗(yàn)要求：試驗(yàn)過(guò)程中電池不爆炸、不起火。（3）試驗(yàn)?zāi)康模弘姙E用下的測(cè)試。

3.4 加熱

（1）試驗(yàn)過(guò)程：將試驗(yàn)樣品電池單體先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電，穩(wěn)定1 h后將試驗(yàn)對(duì)象放入溫度箱，按下面的步驟加熱。

3.5 溫度循環(huán)

（1）試驗(yàn)過(guò)程：將試驗(yàn)樣品電池單體先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電，放入溫度箱中，溫度箱溫度設(shè)置循環(huán)范圍為-40～85 ℃。溫度循環(huán)試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)的溫度和時(shí)間如表2所示，溫度循環(huán)試驗(yàn)示意圖如圖2所示。各個(gè)溫度點(diǎn)保持時(shí)間、升溫速率等按照表2、圖2進(jìn)行調(diào)節(jié)，循環(huán)次數(shù)為5次，每個(gè)循環(huán)8 h。完成以上試驗(yàn)步驟后，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀(guān)察1 h后結(jié)束試驗(yàn)。

表2 溫度循環(huán)試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)的溫度和時(shí)間

（2）試驗(yàn)要求：試驗(yàn)過(guò)程中電池不爆炸、不起火。

（3）試驗(yàn)?zāi)康模簾釣E用下的測(cè)試。

3.6 擠壓

（1）試驗(yàn)過(guò)程：將試驗(yàn)樣品電池單體先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電，按下列條件進(jìn)行試驗(yàn)。①擠壓方向垂直于電池單體極板方向施壓，或與電池單體在整車(chē)布局上最容易受到擠壓的方向相同。②擠壓板形式為半圓柱體（半徑為75 mm），半圓柱體的長(zhǎng)度L大于被擠壓電池單體的尺寸，擠壓板形式示意圖如圖3所示。③擠壓速度不大于2 mm/s。④電壓達(dá)到0 V或變形量達(dá)到15%或擠壓力達(dá)到100 kN或1 000倍試驗(yàn)對(duì)象重量后停止擠壓。⑤保持10 min。完成以上試驗(yàn)步驟后，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀(guān)察1 h后結(jié)束試驗(yàn)。

圖3 擠壓板形式示意圖

（2）試驗(yàn)要求：無(wú)泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現(xiàn)象。

（3）試驗(yàn)?zāi)康模簷C(jī)械濫用下的測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比舊國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 31485—2015）和新國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）的具體試驗(yàn)方法和要求，新國(guó)標(biāo)在試驗(yàn)方法方面進(jìn)行了較大的修改。舊國(guó)標(biāo)中單體電池的檢測(cè)與試驗(yàn)多是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，對(duì)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的復(fù)雜性涉及較少，電池長(zhǎng)期使用的損耗問(wèn)題也未涉及[6]。新國(guó)標(biāo)中試驗(yàn)準(zhǔn)備階段強(qiáng)調(diào)了電池單體的預(yù)處理，確保電池試驗(yàn)樣品性能處于激活或穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)電池單體和電池包或系統(tǒng)的試驗(yàn)方法也進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)電池單體試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了刪減，而對(duì)電池包或系統(tǒng)試驗(yàn)方法有增有減，也有修改，這種調(diào)整優(yōu)化能更進(jìn)一步推動(dòng)動(dòng)力電池安全性能的提升。

新能源汽車(chē)動(dòng)力電池單體、電池包或系統(tǒng)的安全性與電池選用的材料、電池的設(shè)計(jì)以及電池的使用有關(guān)。電池的使用不僅包括正常使用、可以預(yù)料的誤用和故障條件下的使用，還包括牽涉安全的環(huán)境條件，比如溫度、海拔等影響因素。新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的檢測(cè)，應(yīng)在盡可能接近實(shí)際情況環(huán)境下進(jìn)行溫度、高壓和衰減能力的檢測(cè)，從單體電池到電池模組和整個(gè)電池包，在實(shí)訓(xùn)室和具體實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行多方面的測(cè)試，才能更加有效真實(shí)地反映動(dòng)力電池的真實(shí)性能，保障其使用安全和工作可靠性。我國(guó)需要制定更加完善、嚴(yán)格的動(dòng)力電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)更加科學(xué)的動(dòng)力電池檢測(cè)方法。文章對(duì)現(xiàn)有新國(guó)標(biāo)中動(dòng)力電池安全的試驗(yàn)方法及要求進(jìn)行了對(duì)比和分析，為新能源汽車(chē)動(dòng)力電池安全檢測(cè)評(píng)價(jià)方法的建立提供了參考，促進(jìn)了我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。