文 | 上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 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

文 | 上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 盧兆明 張 紅 忻 龍 王沈敏

本文介紹了電驅動道路車輛動力鋰離子電池的試驗和要求。是環(huán)境試驗、電性能試驗、安全性試驗等專題介紹的第一篇。供實驗室和相關產品的供需方參考。

鋰離子；動力電池；電驅動道路車輛；環(huán)境試驗

1.離子動力電池的一般介紹

電動汽車電池的研發(fā)工作經歷了從鉛酸電池、鎳氫電池到鋰電池的發(fā)展過程，每一種電池各有利弊。鉛酸電池的安全性能最好，但儲能效果相對不理想；鎳氫電池在存儲電能和功率的效果都比鉛酸電池理想，但是由于鎳氫電池在充電過程中產生的氫氣容易造成危險；鋰電池存儲的電能是鉛酸電池的2～3倍，但是由于它含有的鋰離子活躍在金屬層表面，也存在一定的危險因素需要防范和排除。在鋰電池的研發(fā)、使用和測試中，安全性和穩(wěn)定性也是重要的內容。

由于鋰離子動力電池能量密度相對較高，磷酸鐵鋰電池安全性又相對較好，國內純電動汽車采用磷酸鐵鋰電池漸成主流。此外，電動汽車還采用鈷酸鋰電池和錳酸鋰電池等鋰離子電池。

鋰離子動力電池，是通過上百個電池芯單體級聯(lián)成組，并集成系統(tǒng)后裝車使用的。盡管鋰離子動力電池有較高的能量密度，而續(xù)駛150km公里以上的純電動小汽車，其電池箱的重量也將達到200公斤以上。

鋰離子動力電池的應用除了純電池驅動的電動汽車(BEVs,Battery-electric vehicles)外，還在燃油電動車(FCEVs)和混合電動車(HEVs)應用。這三類應用的電池應用類別不同，使用的電池芯的類別不同；電池組或電池系統(tǒng)所配置設計的電池管理單元或系統(tǒng)也不盡相同；試驗方法也有差異。

1.1.離子動力電池芯

圖1示例了鋰離子動力電池芯的結構原理。圖中，磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

一般講，LiFePO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于生產商采用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝的差異，在具體性能上也會有些差異。就同一種封裝的標準電池，其電池的電壓、容量和性能可能會有些許差別。

1.2.用分類

由于車輛性能設計的需要，對電池儲能釋放的特性有不同的要求。一般將鋰離子電池分為“能量型”和“功率型”。按應用要求設計的電池芯，在配方、結構、電解質等要素上都有差異；在以電池芯基礎上設計的電池組和系統(tǒng)，也有所區(qū)別；在實際應用和性能檢測方面都會有所不同。

1.2.1.量應用

典型能量型電池適用于純池電驅動車，電池組和電池系統(tǒng)都設計有BEVs應用。電池、電池組或電池系統(tǒng)在室溫條件下的應用的特性，最大允許輸出電功率（W）與輸出電能（Wh）的比率，典型1C放電的比率小于10。

1.2.2.率應用

典型功率型電池適用于燃油電動車(FCEVs)和混合電動車(HEVs)，電池組和電池系統(tǒng)都設計有HEVs和FCVs應用。電池、電池組或電池系統(tǒng)在室溫條件下的應用的特性，最大允許輸出電功率（W）與輸出電能（Wh）的比率，典型1C放電的比率等于或大于10。

1.3.離子動力電池組（電池組件，Battery peck）

通過將若干電池芯按應用需要連接起來，達到電池組和電池系統(tǒng)的電壓輸出要求。標準系定義了2種電壓（ISO 6469-3提供了進一步的資料）：

—— A級電壓 電氣元件或電流的分級，最大工作電壓分別為小于等于30Va.c.或小于等于60Vd.c.；

—— B級電壓 電氣元件或電流的分級，最大工作電壓分別為(>30到≤1000)Va.c.或(>60到≤1500)Vd.c.。

圖2.a示例了電池組的典型結構。

電池組已經是一個可以裝車實用的能量儲存裝置。包括電池芯或電池芯組、配屬電子單元、B級電壓和過流斷路器（包括及其附屬連接）、冷卻接觸面、B級電壓、A級輔助電壓和通訊。電池組的B級電壓回路可以包括連接器。對一個B級電壓達到60Vd.c.或更高的電池組，供應商在提供試驗樣品或產品時，應包括一份關于斷路功能說明。所有元件應布置在能抵御撞擊的特制的容器內。

1.4.離子動力電池系統(tǒng)（Battery system）

1.4.1.池控制單元

對電池系統(tǒng)的電特性和溫度進行控制、管理、檢查、計算；能在電池系統(tǒng)和車內其他控制器間提供通訊的電子裝置。有電池控制單元(BCU，Battery Control Unit)，是電池系統(tǒng)(Battery system);沒有電池控制單元的，就是電池組。

BCU是根據電池系統(tǒng)的充電狀態(tài)、健康/完好狀態(tài)來控制電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)的車輛管理單元。在規(guī)定的條件下，如，過電流、過電壓、低電壓、高溫度等，BCU可以直接用電流接觸器斷開B級電壓的電流。BCU可以有不同的設計和執(zhí)行，可以作為單獨的電子單元整合在電池結構內；或置于電池結構外，通過通訊線束或輸入/輸出線連接。BCU的功能性作為車輛功能中的一個或多個控制單元。

1.4.2.完整的電池控制單元

圖2.b示例了有完整電池控制單元的電池系統(tǒng)的典型結構。

電池系統(tǒng)是一個能量儲存裝置，包括電池芯或電池芯組、配屬電子單元、電池控制單元、B級電壓電路的連接器和過流斷路器及其互連電路、冷卻接觸面、B級電壓、A級輔助電壓和通訊。對一個B級電壓達到60 V d.c.或更高的電池系統(tǒng)，供應商在提供試驗樣品或產品時，應包括一份關于斷路功能以及相關電路/通訊協(xié)議的詳細說明。所有元件應布置在能抵御撞擊的特制的容器內。在本示例中，電池控制單元是在能抵御撞擊的特制的容器內的，并對電池組遂行控制。

1.4.3.池控制單元外置

圖2.c示例了外置電池控制單元的電池系統(tǒng)的典型結構。

實際上是電池組外置BCU，或置于電池組殼體外部，通過通訊線束或輸入/輸出線連接，組成完整的電池系統(tǒng)。

2.離子動力電池試驗的標準系

為了適應鋰離子動力電池在各類電動車上使用的性能和安全，在ISO/IEC近期的備忘錄中，改進電動汽車和汽車電子的相關標準是重要的內容之一。備忘錄認為，由于電驅動汽車的特殊性，車輛必然會有重大的改變，對有充電連接的供電部分，必須加強的基礎結構應對可能的撞擊。當車輛處于自主運行模式時，車輛生產商有責任按照ISO的主體要求制訂相應的標準。當與充電樁連接時，標準應在車輛生產商和供電業(yè)者按IEC的有關要求基礎上達成協(xié)議。

按備忘錄的指引，ISO 12405的的擴充和改版，將提供鋰離子電池驅動系統(tǒng)的試驗規(guī)范，ISO 15118則對電驅動車和充電樁的界面，包括信息鏈和協(xié)議。ISO 6469的擴充和改版，是為了保障電動車操作的安全。針對的是電池驅動車輛和混合驅動車輛的電危險、車載充電能儲存系統(tǒng)和失效保護等要素。

電驅動道路車輛用動力鋰離子電池的試驗規(guī)范，ISO 12405系列對應的是動力鋰離子電池組和鋰離子電池系統(tǒng)；IEC 62660系列則針對動力鋰離子電池芯。

2.1.SO 12405標準系

標準本次改版，作為一次紀實性修訂，由ISO/TC22/SC21(秘書處:德國)起草。在“電驅動道路車輛-動力鋰離子電池系統(tǒng)試驗規(guī)范”標題下，第1部分為功率型動力鋰離子電池組和系統(tǒng)；第2部分為能量型動力鋰離子電池組和系統(tǒng)。兩個標準分別完整地描述了兩種類型電池組和系統(tǒng)的性能、環(huán)境和加嚴(安全)試驗的方法和要求。ISO 12405系列2個標準已完成投票，應在年內可以發(fā)布。

2.2.EC 62660標準系

在“用于電驅動道路車輛的二次鋰離子電池芯”標題下，第1部分為性能試驗；第2部分為可靠性和加嚴試驗。IEC 62660系列的兩個標準在2010年12月已經發(fā)布，都是1.0版，首次發(fā)布。

3.用試驗過程

ISO 12405和IEC 62660系標準都規(guī)定了通用試驗。包括標準循環(huán)（SC）、標準放電（SDCH）、標準充電（SOC）等試驗過程。對于電池芯、電池組/系統(tǒng)按不同的應用設計，試驗過程的參數(shù)有所不同。電池芯的通用試驗還包括外形尺寸的測量。

通用試驗可以獲得關于受試樣品的基本情況；也可以作為一個過程，包括溫度的穩(wěn)定，獲得樣品的穩(wěn)定狀態(tài)。在一個標準的通用試驗過程后，試驗和測量的數(shù)據具有可比性。因此，在性能測量的前后、功能檢查和試驗的前后多用通用試驗作為預處理或恢復。

4.性能試驗

電性能試驗的項目內容較多，這里僅作概覽。具體細節(jié)將另文介紹。

4.1.池組/系統(tǒng)電性能試驗分布

電池組/系統(tǒng)電性能試驗按能量型和功率型應用的不同要求，試驗的內容和程序都有所不同。

表1.

電池組/系統(tǒng)的電性能試驗是帶專用連接進行試驗的。因此，在試驗準備時應有樣品-測試儀間合適的連接；有通信的，還要準備接口和協(xié)議。

測試設備的精度應小于下列范圍：

- 電壓 ± 0.5 %;

- 電流 ± 0,5 %;

- 溫度 ± 1 K。

電池組/系統(tǒng)的電性能測量中，外形控制、測量值、相關規(guī)定或實際值，整體上精度容差應小于：

-電壓 ± 1 %；

-電流 ± 1 %；

- 溫度 ± 2 K；

-時間 ± 0.1 %；

-質量 ± 0.1 %；

- 尺寸 ± 0.1 %。

電池組/系統(tǒng)在測試中，除了連接的電池芯集合，還包括了圖2中的所有功能模塊和連接。在試驗結果分析中，應注意甄別因果歸屬。

應該明確，電池組是通過電池組級聯(lián)而成的。電池芯特性的差異，需要通過平衡電路/單元協(xié)調；BCU則進行系統(tǒng)集成的管理。這些電路/單元作為元件本身也有性能和可靠性的前期檢驗，在這里重要的是對協(xié)調、管理的效果。

采用合格的電池芯，當電池芯通過串/并聯(lián)成電池組，電池芯的性能一致直接性影響到效率。電池芯間0.1V的差異，可能導致并聯(lián)組內的互充/放電；串聯(lián)組內的功率分配差異。較輕的結果是效率下降、充放電次數(shù)減少；較嚴重的結果是溫度升高，并可能導致危險。

表2.

電池芯間平衡電路/單元和BCU的作用和效果在本試驗中可以暴露出來。電池芯的一致性問題卻在電池芯的電性能檢測中無法體現(xiàn)。在使用中，由于某電池芯的過渡疲勞或失效損壞，影響整個電池組/系統(tǒng)的運行是可能的。在試驗結果分析中應考慮這一點。

4.2.池芯電性能試驗分布

電池芯電性能試驗包括：

——容量；

—— SOC調節(jié)；

——功率；

——能量；

——儲存試驗；

——壽命周期試驗，分為BEV應用和HEV應用兩種試驗；

——能效試驗。

電池芯的電性能測量中，外形控制、測量值、相關規(guī)定或實際值，整體上精度容差與電池組/系統(tǒng)測量要求基本相同，不同的是，電壓容差為 ± 0.1% 。

由于電池芯沒有溫度、過充電、過放電等傳感器和參數(shù)信息，試驗中應考慮布置測量。避免因過載和高溫的出現(xiàn)，防止可能出現(xiàn)的電池芯樣品發(fā)生爆裂，甚至爆炸，造成設備和人員的損壞或傷害。在可能出現(xiàn)高溫的試驗環(huán)節(jié)，應預先設置防護措施，如防護罩或防護網。

5.靠性試驗

在本標準系中內，可靠性試驗的內容著重于在設定的環(huán)境條下，電池芯、組和系統(tǒng)能夠保持所需的技術狀態(tài)和功能。而試驗的技術手段是環(huán)境試驗。大部分環(huán)境試驗的方法，直接采用了IEC 60068-2_GB/T2423系列標準。部分試驗在嚴酷等級和試驗曲線有所修改，但試驗的程序和試驗的一般要求還是必須遵循該系標準的有關規(guī)定。

在可靠性試驗中，采用的環(huán)境試驗方法，可以分為氣候環(huán)境試驗和力學（機械）環(huán)境試驗。電池芯與組/系統(tǒng)的試驗方法有所不同；能量型和功率型電池組/系統(tǒng)的試驗要求基本相同，但在于處理、加載和恢復環(huán)節(jié)有差異。在試驗中或試驗后，對受試樣品的加載模式和性能評價，采用的是ISO 16750-1的有關定義或規(guī)范；電池芯由IEC 62660直接定義。

5.1.候環(huán)境試驗和要求

5.1.1.池組/系統(tǒng)的氣候環(huán)境試驗

5.1.1.1.露（溫度變化）

本試驗采用IEC 60068-2-30_GB/T2423.4 試驗Db:交變濕熱試驗方法 的規(guī)范。對試驗曲線作了修改，最高溫度在80℃±3K時，相對濕度達到98%±2%。對試驗箱裝備有較高的要求。試驗過程中受試樣品有明顯可見的凝露，試驗相當嚴酷。試驗以300分鐘為1個周期，共經歷5個周期。

5.1.1.2.度沖擊循環(huán)

受試樣品周圍的環(huán)境溫度在-40℃到85℃或Tmax間（環(huán)境溫度應在靠近受試樣品測量）溫度循環(huán)。到達設定溫度的時間應為30min或更短，溫度變化率為3.8℃/min或更快。在極端溫度條下至少保持1個小時。一共需要進行5個溫度循環(huán)。

5.1.2.池芯的氣候環(huán)境試驗

5.1.2.1.高溫

將電池芯放置在有空氣流通的試驗箱內，在室溫下穩(wěn)定。然后，試驗相溫度以5K/min上升到130℃±2K。電池芯在此溫度下保持30 min后，試驗結束。為了防止變形，在不違反試驗目的的前提下，電池芯可以在留在試驗箱內。

5.1.2.2.度循環(huán)

——樣品在試驗中不工作。按ISO 16750-4溫度曲線，最低溫度- 40℃或 Tmin，最高溫度85℃或 Tmax，30 個循環(huán)；

——樣品在試驗中工作。按給出能量型和功率型不同的工作狀態(tài)曲線，按ISO 16750-4溫度曲線，最低溫度-20℃，最高溫度65℃，30個循環(huán)。

5.2.學（機械）環(huán)境試驗和要求

電池芯、電池組/系統(tǒng)力學（機械）環(huán)境試驗，包括振動試驗和機械沖擊試驗。

5.2.1.動試驗

——電池組或電池系統(tǒng)的振動試驗 試驗按照IEC 60068-2-64_GB/T2423.56試驗Fh:試驗方法 的規(guī)范。振動試驗應在三個軸向依次進行。按樣品質量，分兩種情況：

適用于完整的電池組或電池系統(tǒng)振動試驗。對大質量的電池組/系統(tǒng)，試驗頻率上限到200 Hz。

適用于電池組或電池系統(tǒng)上使用的小質量（相應通常用于車輛上的電氣和電子裝置）且分離安裝的電氣和電子裝置振動試驗。參照ISO 16750-3中，安裝在彈性質量（車身）的試驗條件。

兩種情況的試驗譜等試驗參數(shù)是不同的。

——電池芯的振動試驗也按照IEC 60068-2-64_GB/T2423.56試驗Fh:試驗方法的規(guī)范進行試驗。電池芯的每個面試驗持續(xù)時間為8h，試驗頻率上限到2000 Hz，加速度均方根值應為27.8 m/s2。

5.2.2.械沖擊試驗

電池芯、電池組或電池系統(tǒng)機械沖擊試驗所提供的加速度應該在與裝車實際出現(xiàn)的方向上。如果實際裝用的方向未知，則應在受試樣品的3個軸向6個方向進行試驗。

試驗采用半正弦波形，加速度500 m/s2，脈寬6 ms，每個方向10次。

6.嚴試驗

加嚴試驗實際上是檢查受試樣品在極端情況下，各保護功能的作用情況。保護樣品和莊裝用車輛，以免引發(fā)爆炸、燃燒等安全事故。

對于電池組/系統(tǒng)和電池芯的電加嚴試驗的具體要求和目的有所不同，試驗類型基本相同：

——短路保護試驗 對于電池組/系統(tǒng)的目的是檢查過電流保護裝置，保護受試樣品免受更大電流的傷害；電池芯的試驗目的則是檢驗外部短路的結果。

——過充電保護試驗 檢查過充電保護功能，應能中斷過充電電流，使防止受試樣品造成相關更嚴重的事件，僅適用于電池系統(tǒng)；電池芯的試驗目的則是檢驗過充電產生的結果。

--過放電保護試驗 檢查過放電保護功能。該功能應能中斷過放電電流，使防止受試樣品造成相關更嚴重的事件，僅適用于電池系統(tǒng)；電池芯的試驗目的則是檢驗過放電產生的結果。

--電池芯的碾壓試驗 將電池芯應放置在絕緣的平面上，用規(guī)定直徑的半圓棒，或半球形，或球形工具對電池芯樣品按規(guī)定的方向和力，進行碾壓，并持續(xù)規(guī)定的時間。電池組/系統(tǒng)沒有此項試驗。

7.述

7.1.標準系引用的IEC60068-2環(huán)境試驗標準系列，與GB2423是IDT等同采標的關系?？赡茉诎姹旧嫌植粚?，但涉及本文標準系的內容全部適用。需要指出的是， GB2423.22/IEC60068-2-14試驗N:溫度變化，要求的溫度變化速率容差有新的要求，參考文獻1有較為詳細的介紹。

7.2.準系引用的ISO16750系列標準，國標轉化已經報批。ISO16750-3 機械負荷 規(guī)定的振動試驗，要求疊加溫度變化試驗，參考文獻6有較為詳細的介紹。

7.3.離子電池的電化學特性，在受壓和過流狀態(tài)下容易發(fā)熱；在過熱的狀態(tài)下可能爆炸。 加嚴試驗，實質是為了防止外來物理損傷引發(fā)次生安全問題。

7.4.有BCU的電池系統(tǒng)和帶有供受電分離功能的鋰離子電池組/系統(tǒng)，電磁兼容（EMC）實驗室不可或缺的。EMC除了影響電池組/系統(tǒng)的工作狀態(tài)外，可能導致電池含意上的安全；對車輛而言還可能影響行駛安全。ISO 12405和ISO16750系標準，不包括電磁兼容（EMC）技術內容。

7.5.系標準的試驗含蓋了裝車使用條件的要求。并沒有對電池芯、電池組/系統(tǒng)在產品狀態(tài)的儲存、搬運和運輸作明確的規(guī)定和考慮。在航空、運輸行業(yè)對鋰離子電池產品也有專門的的安全性試驗要求，有些試驗比本標準系嚴厲，如參考文獻3。

7.6.備裝車實用的電池組/系統(tǒng)，僅靠本標準系的試驗結論是不夠充分的。系列環(huán)境試驗的順序/程序可以參考ISO16750-1和參考文獻4。ISO16750-4除了潮濕和溫度試驗外，給出了防腐蝕等一系列試驗；ISO20653還列出了外來物防護的試驗方法和要求。本標準系雖未涉及，但供需雙方應該考慮，車輛生產商更應留意。

7.7.系標準及引用標準一般都給出了試驗過程數(shù)據的采集范圍或范例，供試驗人員參照使用。

7.8.文就文章標題內容作了概覽。對各試驗，結合標準的和驗證，將分別詳細介紹。

[1]車載電子電器設備的溫度變化試驗 環(huán)境技術(雙月) 2009第5期;

[2]道路車輛 電子電器設備的凝露試驗 環(huán)境技術(雙月) 2011第1期；

[3]鋰電池運輸安全性試驗--解讀聯(lián)合國危險貨物運輸建議書（UN 38.3部分）上海標準化(月) 2008第7期；

[4]道路車輛 電子設備環(huán)境試驗順序的方案設計 上海標準化(月) 2010第4期；

[5] GB/T2423（相關部分）電工電子產品環(huán)境試驗 (IEC60068-2, IDT)；

[6] ISO16750（相關部分）道路車輛-電子和電氣設備環(huán)境條件和試驗環(huán)境技術(雙月) 2007第1-6期；(國標轉化制訂項目編號:20068337-341)

[7] ISO/DIS 12405-1 Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithium-Ion traction battery systems —Part 1: High power applications

[8] ISO/DIS 12405-2 Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithium-Ion traction battery systems —Part 2: High energy applications

[9] IEC 62660-1:2010 Ed1.0 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles - Part 1: Performance testing

[10] IEC 62660-1:2010 Ed1.0 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles- Part 2: Reliability and abuse testing

[11] 鋰離子電池-應用與實踐 化學工業(yè)出版社 吳宇平 戴曉兵 馬軍旗 程預江

[12]鋰離子電池 中南大學出版社 郭炳焜 徐 徽 王先友 肖立新

Electrically Propelled Road Vehicles—Testing Conditions and Requirements for Lithium-Ion Traction Batterys

This paper describes the testing conditions and requirements for lithium-Ion traction batteries used in electrically propelled road vehicles. It sets a precedent to make a special introduction on environmental,electric performance and safety tests of lithium-Ion traction batteries. This paper can serve as references for supplying or demanding parties including laboratories and related producers.

lithium-Ion；traction battery；electrically propelled road vehicles,EV；environmental testing

盧兆明 全國環(huán)境條件與環(huán)境試驗標準化技術委員會（環(huán)標委）機械分技會（SAC/TC8/SC1_IEC/TC104）、全國汽車標準化技術委員會電子與電磁兼容分技委(SAC/TC114/SC29_ISO/TC22/SC3)委員、高級工程師；GB/T 2424.26、GB/T2423 系列標準第 5、10、15、39、43、48、55、56、57、58、101等部分制修訂和ISO16750系列和ISO 20653標準國標轉化制訂項目的主要起草人。著有《道路車輛 電氣及電子裝備的環(huán)境試驗和要求》中國標準版。

張 紅 全國小型電力變壓器、電抗器、電源裝置及類似產品標準化技術委員會（SAC/TC418）委員、國家認監(jiān)委強制性產品認證（CCC認證）技術專家組TC07工作組專家，高級工程師。

忻 龍 工程師 安全試驗室副主任

王沈敏 工程師 EMC測試