常薇芬，忻 龍，張 紅，盧兆明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200233）

引言

裝車使用的鋰離子電池，無(wú)論是能量（BEV）型應(yīng)用，還是功率（HEV）型應(yīng)用，安全性無(wú)疑是首要前提。著火和爆炸等安全性要素集中體現(xiàn)在電池芯元件上。電池組和系統(tǒng)是在電池芯的基礎(chǔ)上集成控制和裝車應(yīng)用的特定試驗(yàn)。如果電池芯、組和系統(tǒng)，在一般性能條件下能夠安全運(yùn)行，對(duì)于裝車使用還是不夠的。當(dāng)某個(gè)元件較早出現(xiàn)故障，或由外因?qū)е码姵靥幱跔顟B(tài)時(shí)，電池能夠承受或還能保證車輛行駛、人員或車輛的安全。非正常工作（濫用）也可稱為故障條件。

鋰離子電池在非正常工作（濫用）過(guò)程中，環(huán)境溫度和電化學(xué)反應(yīng)推升溫度是造成電池體內(nèi)壓力提高的條件。機(jī)械（力學(xué)）試驗(yàn)通過(guò)劣化工作條件；或原有結(jié)構(gòu)被破壞，造成電池內(nèi)部故障。

著火是在高壓擠壓下產(chǎn)生的高溫，達(dá)到輕金屬、可能存在的氣態(tài)可燃物或封裝材料的燃點(diǎn)，泄漏后接觸氧氣而引發(fā)燃燒。引發(fā)燃燒的氣體快速積聚相對(duì)導(dǎo)致爆炸要輕一點(diǎn)，但引發(fā)次生災(zāi)害的后果也非常嚴(yán)重。爆炸也可能會(huì)伴有著火現(xiàn)象。

表2給出了鋰離子電池非正常工作（濫用）試驗(yàn)可能出現(xiàn)的狀態(tài)。所列8種結(jié)果狀態(tài)也作為本試驗(yàn)隊(duì)試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)描述，也適用于性能試驗(yàn)、氣候或力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果的描述。

1 電池芯試驗(yàn)的一般規(guī)定

1.1 電池芯的溫度測(cè)量

溫度變化可以直觀地體現(xiàn)電池芯體的工作狀態(tài)。IEC 62660給出了電池芯溫度測(cè)量的要求。適用于標(biāo)準(zhǔn)系內(nèi)所有有關(guān)電池芯溫度的測(cè)量。圖1是溫度測(cè)量的示例，規(guī)定了溫度測(cè)量的位置要求。

電池芯溫度應(yīng)采用符合規(guī)定校準(zhǔn)準(zhǔn)確的表面溫度測(cè)量?jī)x器進(jìn)行。溫度測(cè)量的位置應(yīng)盡量反映電池芯的真實(shí)溫度。如有必要，可以適當(dāng)?shù)卦黾訙y(cè)量點(diǎn)。溫度測(cè)量在組合了儀器、測(cè)量方法和所有試驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差因素后的誤差為±2 K。

1.2 電池芯的預(yù)處理

IEC 62660給出了電池芯預(yù)處理的要求。根據(jù)試驗(yàn)的性質(zhì)可能有所增加或偏離。

1)試驗(yàn)溫度 除非另有規(guī)定，在每個(gè)試驗(yàn)前，電池芯至少應(yīng)經(jīng)過(guò)12h的溫度穩(wěn)定。如果溫度已經(jīng)穩(wěn)定，可以減少這段時(shí)間。如果電池芯溫度1h的變化小于1K，可以認(rèn)為溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定；除非另有規(guī)定，電池芯應(yīng)在室溫條件下按供應(yīng)商的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 電池芯溫度測(cè)量示例

表1 放電條件

2)SOC調(diào)整

步驟1：電池芯按以下要求充電：電池芯應(yīng)在試驗(yàn)前進(jìn)行電性能測(cè)量；預(yù)充電，電池芯應(yīng)在室溫下用表1中規(guī)定值恒流放電到供應(yīng)商規(guī)定的放電截止電壓。然后，將電池芯在室溫條件下按供應(yīng)商公示的方法充電至規(guī)定值。

步驟2：電池芯按1)存放室溫下；

步驟3：電池芯按表1，BEV應(yīng)用按1/3 lt放電；HEV應(yīng)用按1 lt放電。

1.3 電池芯參考試驗(yàn)電流

電池芯試驗(yàn)中采用的參考試驗(yàn)電流 It的關(guān)系如下：It(A)= Cn(Ah)/ 1 (h)。其中：Cn為電池芯的額定容量；n 是時(shí)間基數(shù)（小時(shí)）。

1.4 電池芯非正常工作（濫用）試驗(yàn)結(jié)果描述

試驗(yàn)后，應(yīng)將下列試驗(yàn)要素作為試驗(yàn)結(jié)果記錄在報(bào)告中：試驗(yàn)中電池芯的電壓、電流和溫度。試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，電池芯的狀態(tài)，并用表2中的規(guī)范詞進(jìn)行描述。在試驗(yàn)結(jié)果的描述中還可以包括相關(guān)的材料，如照片等。

2 電池芯 非正常工作（濫用）試驗(yàn)

2.1 電池芯外部短路試驗(yàn)

用于檢驗(yàn)電池芯在外部短路條件下的特性，過(guò)程如下：

1)按2.2 要求，電池芯調(diào)整SOC到100%；

2)將上述a)狀態(tài)的電池芯在室溫條件放置，然后，將正極端與負(fù)極端用外部電阻將其短路，10min。供需雙方如無(wú)無(wú)異議，外部短路體的總電阻應(yīng)等于或小于5mΩ；

表2 電池芯試驗(yàn)結(jié)果描述

3)電壓和電流的采樣率應(yīng)≤ 10 ms；

4)如果測(cè)量精度與IEC62660給出的要求存在偏離，應(yīng)將偏離記錄在報(bào)告中。

2.2 電池芯過(guò)充電試驗(yàn)

用于檢驗(yàn)電池芯在過(guò)充電條件下的特性，試驗(yàn)過(guò)程如下：

1)按2.2 要求，電池芯調(diào)整SOC到100%；

2)在室溫條件下，BEV應(yīng)用用1lt，HEV應(yīng)用用5lt電流，容量足夠的供電電源用恒定電流連續(xù)地向受試電池芯沖電，直到超過(guò)100%SOC。過(guò)充電試驗(yàn)應(yīng)延續(xù)到電池芯電壓達(dá)到2倍于生產(chǎn)商規(guī)定的電壓，或相當(dāng)達(dá)到受試電池芯200 % SOC實(shí)用電量。

2.3 電池芯強(qiáng)制放電試驗(yàn)

用于檢驗(yàn)電池芯在強(qiáng)制放電條件下的特性，試驗(yàn)對(duì)已充分放電的電池芯樣品，用1 ItA放電90 min。

3 電池芯碾壓試驗(yàn)

本試驗(yàn)是用可能受到的外力，檢查電池芯的響應(yīng)特性，試驗(yàn)過(guò)程如下：

1)BEV應(yīng)用的電池芯按按2.2 要求，調(diào)整SOC至100%；HEV應(yīng)用應(yīng)調(diào)整SOC至80%。

2)將電池芯應(yīng)放置在絕緣的平面上，用規(guī)定150 mm直徑的半圓棒，或半球形，或球形工具進(jìn)行碾壓。圖2推薦了用半圓棒碾壓圓型電池芯；用半球形工具碾壓方型電池芯。試驗(yàn)的力應(yīng)施加在與電池芯正極或負(fù)極垂直的表面上。適用的工具選擇，應(yīng)能夠使電池芯的變形隨施加力的增加而增大。

圖2 碾壓試驗(yàn)示例

3)力的釋放應(yīng)導(dǎo)致電池芯電壓有1/3的跌落，或15%的變形，或大于電池芯的原始尺寸，或施加電池芯質(zhì)量1000倍的力。電池芯保持試驗(yàn)狀態(tài)24h，或從試驗(yàn)上升達(dá)到的最高溫度后下降20%，選取其中的一種方法。

4)按表2描述試驗(yàn)結(jié)果，并增加專用試驗(yàn)工具的形狀和試驗(yàn)工具的速度要素。

4 電池組/系統(tǒng)非正常工作（濫用）試驗(yàn)的一般規(guī)定

4.1 充電狀態(tài)

除非另有規(guī)定，高能量電池組或電池系統(tǒng)可能考慮在充電到低于100% SOC，非正常工作（濫用）試驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)行100%SOC。

4.2 試驗(yàn)條件

除非另有規(guī)定，應(yīng)采用下列條件：試驗(yàn)在室溫(RT)條件下進(jìn)行；受試電池組/系統(tǒng)(DUT)應(yīng)在正常運(yùn)行溫度；如果電池系統(tǒng)包括控制端系統(tǒng)，應(yīng)啟用；如果運(yùn)行時(shí)有必要用致冷裝置，應(yīng)啟用。

4.3 試驗(yàn)持續(xù)

在試驗(yàn)結(jié)束之后，觀察DUT至少1小時(shí)，并持續(xù)到DUT的溫度低于50 ℃或感覺(jué)到適合用手把握。

5 電池組/系統(tǒng) 電性能非正常工作（濫用）試驗(yàn)

5.1 短路保護(hù)

斷路保護(hù)試驗(yàn)的目的是檢查過(guò)電流保護(hù)裝置。該裝置是用于保護(hù)DUT免受更大電流的傷害。

5.1.1 試驗(yàn)程序

—— 在室溫條件下進(jìn)行本試驗(yàn)，滿充并處于正常工作狀態(tài)（連接接觸器閉合，電池系統(tǒng)在BUC控制下）。用(20 +0/-10)mΩ 進(jìn)行“硬短路”，每10min至少1s，被動(dòng)的或非被動(dòng)的短路保護(hù)裝置在試驗(yàn)中應(yīng)該有效運(yùn)作?；蛘撸钡匠霈F(xiàn)另一種狀態(tài)（如，元件溶化）而終止試驗(yàn)。

—— DUT在上述短路之后，連續(xù)觀察DUT運(yùn)行至少2小時(shí)。

試驗(yàn)中DUT的功能應(yīng)該按設(shè)計(jì)充分運(yùn)行。對(duì)于電池組，短路電流應(yīng)被過(guò)電流保護(hù)裝置（如熔斷器）阻斷。對(duì)于電池系統(tǒng)，短路電流應(yīng)被過(guò)電流保護(hù)裝置（如熔斷器）和/或連接接觸器自動(dòng)脫開。

——對(duì)DUT電流斷開和電路短路脈沖電流的電壓和電流數(shù)據(jù)取樣速率0.1ms應(yīng)該是適當(dāng)?shù)摹?/p>

5.1.2 要求 測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)包括：對(duì)應(yīng)時(shí)間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，測(cè)量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負(fù)極端間的絕緣電阻。

5.2 過(guò)充電保護(hù)

過(guò)充電保護(hù)試驗(yàn)的目的是檢查過(guò)充電保護(hù)功能。該功能應(yīng)能中斷過(guò)充電電流，使防止DUT造成相關(guān)更嚴(yán)重的事件。

5.2.1 試驗(yàn)程序 DUT在室溫下，滿充并處正常運(yùn)行條件，致冷系統(tǒng)運(yùn)行（供電連接閉合，電池系統(tǒng)由BCU控制）。在試驗(yàn)過(guò)程中，被動(dòng)電流防護(hù)裝置應(yīng)運(yùn)作。主動(dòng)充電控制應(yīng)被斷開或失能。

——DUT應(yīng)在按供應(yīng)商和用戶協(xié)議的恒定比率電流下充電。推薦用2C恒流充電；

——供電電壓上限設(shè)置應(yīng)不超過(guò)電池系統(tǒng)最大電壓的20%；

——DUT充電過(guò)程應(yīng)持續(xù)到供電連接自動(dòng)斷開；

——如果SOC值超過(guò)130%或電池芯的溫度超過(guò)55℃，過(guò)充電試驗(yàn)應(yīng)被終止。

獲得/監(jiān)視數(shù)據(jù)應(yīng)延續(xù)到充電停止后的1h。試驗(yàn)中，DUT的設(shè)計(jì)功能應(yīng)完整。為了防止DUT應(yīng)過(guò)充電引起更嚴(yán)重的后果，電池控制單元（BCU）應(yīng)能使供電連接器自動(dòng)斷開，中斷過(guò)充電電流。

對(duì)DUT的電壓和電流數(shù)據(jù)要有適當(dāng)?shù)拿芏?，?duì)電流斷開功能的數(shù)據(jù)取樣速率，100ms是合適的。

5.2.2 要求 測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)包括：對(duì)應(yīng)時(shí)間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，測(cè)量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負(fù)極端間的絕緣電阻。

5.3 過(guò)放電保護(hù)

過(guò)放電保護(hù)試驗(yàn)的目的是檢查過(guò)放電保護(hù)功能。該功能應(yīng)能中斷過(guò)放電電流，使防止DUT造成相關(guān)更嚴(yán)重的事件。

5.3.1 試驗(yàn)程序 DUT在室溫下，滿充，并處正常運(yùn)行條件，致冷系統(tǒng)運(yùn)行（供電連接閉合，電池系統(tǒng)由BCU控制）。本試驗(yàn)應(yīng)是完整的，被動(dòng)電流防護(hù)裝置運(yùn)作。主動(dòng)充電控制應(yīng)被斷開或失能。

——進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)放電。如果達(dá)到正常放電限制，繼續(xù)維持C/3放電；

——DUT放電過(guò)程應(yīng)持續(xù)到供電連接自動(dòng)斷開；

——如果到正常電壓值25%或超過(guò)DUT的放電極限的時(shí)間限制30min后，應(yīng)手動(dòng)結(jié)束放電試驗(yàn)；

正常電壓值是供應(yīng)商以電池系統(tǒng)推薦運(yùn)行電壓給出的值。電壓取決于電化學(xué)特性、電池芯的數(shù)量和電池芯的排列。

獲得/監(jiān)視數(shù)據(jù)應(yīng)延續(xù)到放電停止后的1h。試驗(yàn)中，DUT的設(shè)計(jì)功能應(yīng)完整。為了防止DUT應(yīng)過(guò)放電引起更嚴(yán)重的后果，BCU應(yīng)能使供電連接器自動(dòng)斷開，中斷過(guò)放電電流。

對(duì)DUT正常放電限制和超限的電壓和電流數(shù)據(jù)要有適當(dāng)?shù)拿芏龋瑢?duì)電流斷開功能的數(shù)據(jù)取樣速率，100ms是合適的。

5.3.2 要求 測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)包括：對(duì)應(yīng)時(shí)間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，測(cè)量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負(fù)極端間的絕緣電阻。

6 綜述

1)基于電池芯的非正常工作（濫用）試驗(yàn)，電池組的非正常工作（濫用）試驗(yàn)檢出主要是由于電池芯在通過(guò)串聯(lián)并聯(lián)，因每個(gè)電池芯的電壓特性、內(nèi)阻存在的差異產(chǎn)生個(gè)別電池芯工作條件早期劣化；或因個(gè)別電池芯性能降低或失效，而引發(fā)電池組/系統(tǒng)的非正常工狀態(tài)。此外，電池系統(tǒng)的控制單元（BCU）和電池芯級(jí)聯(lián)的芯間平衡電路的可靠性問(wèn)題，也可引發(fā)電池組的工作條件異常，進(jìn)而引發(fā)電池組/系統(tǒng)的非正常工作（濫用）狀態(tài)。因此，由符合電池芯組裝成的電池組/系統(tǒng)，也要進(jìn)行相應(yīng)的非正常工作（濫用）試驗(yàn)。

2)由于裝車條件的特殊環(huán)境、行車可能產(chǎn)生的事故，由整車有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；電池組/系統(tǒng)管理功能的電子元件或單元，因電磁輻射或兼容性產(chǎn)生的非正常工作（濫用），繼而導(dǎo)致的安全性問(wèn)題，則由相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。

3)在電池芯外部短路試驗(yàn)中，電池芯用5 mΩ短路裝置進(jìn)行，短路試驗(yàn)需持續(xù)10min，其間對(duì)電壓和電流的采樣約100次。由于電池芯沒(méi)有限流斷路保護(hù)，考核的是電池芯的承受能力。首先應(yīng)采用相應(yīng)的專用裝置或設(shè)備；對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人員有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)；每次試驗(yàn)的前后都應(yīng)確認(rèn)5 mΩ短路裝置符合要求。

4)用20 mΩ 對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行“硬短路”，每10min至少1s的短路保護(hù)試驗(yàn)，是考慮到電池系統(tǒng)的短路保護(hù)在1s內(nèi)應(yīng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。在試驗(yàn)預(yù)案中應(yīng)考慮到保護(hù)功能未能實(shí)現(xiàn)的可能，仍應(yīng)在1s后斷開；也應(yīng)對(duì)失去保護(hù)電池可能出現(xiàn)的狀態(tài)有所顧忌?！坝捕搪贰痹囼?yàn)應(yīng)通過(guò)專用設(shè)備或經(jīng)確認(rèn)的裝置來(lái)完成，切勿直接在電池樁極上進(jìn)行人工操作。試驗(yàn)的前后都應(yīng)確認(rèn)20 mΩ短路裝置符合要求。

5)非正常工作（濫用）試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)考慮表2的狀況。應(yīng)此，所有的試驗(yàn)工作過(guò)程都應(yīng)建立適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，包括對(duì)人員的防護(hù)和對(duì)設(shè)備的防護(hù)。

6)本試驗(yàn)不是安全性試驗(yàn)。電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池組和系統(tǒng)的安全性試驗(yàn)和要求的ISO標(biāo)準(zhǔn)尚處在NP階段。運(yùn)輸安全性試驗(yàn)，可以參考聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸建議書（UN 38.3部分）等文獻(xiàn)。

7)表2列出的8種狀態(tài)的嚴(yán)重程度是漸進(jìn)的。在狀態(tài)漸進(jìn)的過(guò)程中通常伴隨著溫度升高。因此，在本試驗(yàn)的實(shí)際操作中不僅應(yīng)遵照文本的要求測(cè)量并記錄DUT的溫度；足夠密集溫度數(shù)據(jù)將有助于試驗(yàn)的分析和預(yù)估。

8)關(guān)于試驗(yàn)的判據(jù) 本試驗(yàn)項(xiàng)目均未設(shè)置合格判據(jù)。即使按標(biāo)準(zhǔn)要求，符合試驗(yàn)項(xiàng)目的條件，也應(yīng)由試驗(yàn)過(guò)程記錄和試驗(yàn)前、試驗(yàn)中和后的樣品具體狀態(tài)描述進(jìn)行報(bào)告。因此，要十分注意試驗(yàn)過(guò)程的信息采集完整和試驗(yàn)記錄的飽滿。

[1] 盧兆明.道路車輛 電氣及電子裝備的環(huán)境試驗(yàn)和要求[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] 郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新編著.鋰離子電池[M].湖南：中南大學(xué)出版社，2002.

[3] 盧兆明，張紅，忻龍，王沈敏.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池的試驗(yàn)和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2011(3)：51-56.

[4] 盧兆明，王沈敏，史曉雯.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2011(5)：54-60.

[5] 忻龍，張紅，盧兆明.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)壽命循環(huán)試驗(yàn)和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2012(4)：5-10.

[6] ISO/DIS 12405 Electrically propelled road vehicles — Test specif i cation for lithium-Ion traction battery systems[S].

[7] IEC 62660 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles[S].