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        動力鋰電池測試標(biāo)準(zhǔn)的研究及應(yīng)用

        2015-06-28 06:34:52吳孟俊韋中樂
        電源技術(shù) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:動力電池鋰離子電動汽車

        吳孟俊,韋中樂,程 亮,孫 瓊

        (江森自控新能源電池研發(fā)(上海)有限公司,上海 201107)

        為了改善日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題和能源問題,在上世紀(jì)90年代,電動汽車這一新興產(chǎn)業(yè)逐漸成為全球關(guān)注的焦點,經(jīng)過多年的研發(fā)和推廣,目前已經(jīng)在市場上嶄露頭角。動力電池作為新能源汽車動力系統(tǒng)的核心部件之一,它的技術(shù)能否突破則直接影響了電動汽車的大規(guī)模使用與產(chǎn)業(yè)化。一直以來,由于動力電池在功率性能、使用壽命、續(xù)駛里程以及一些安全方面的問題,一定程度上制約了電動汽車的應(yīng)用與推廣。近年來,隨著鋰離子動力電池技術(shù)的突破,并在電動汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用,這一局面開始有了較大的改善。相對于傳統(tǒng)鉛酸電池、氫鎳電池等而言,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(yōu)點,得到了越來越多整車企業(yè)的認(rèn)同,使得以鋰離子動力電池為驅(qū)動力的電動汽車開始慢慢涌入市場。

        在這一過程中,國內(nèi)外的相關(guān)組織、機構(gòu)開始逐漸完善針對動力電池的性能、可靠性以及安全測試標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作,以符合實際應(yīng)用需求。為此,本文篩選了目前國內(nèi)外具有代表性的幾個測試標(biāo)準(zhǔn),其中包括 QCT743、ISO12405、IEC62660、SAEJ2929、UL2580。

        本文首先簡要描述了這些標(biāo)準(zhǔn)的歷史沿革,進而對這些標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容進行介紹,然后對這些標(biāo)準(zhǔn)在測試內(nèi)容和實際應(yīng)用等方面的異同點進行了比較分析,最后歸納總結(jié)了實際應(yīng)用過程中測試標(biāo)準(zhǔn)的合理選擇。

        1 標(biāo)準(zhǔn)的歷史沿革

        1.1 QCT743的歷史沿革

        近幾年,為了適應(yīng)國內(nèi)外電動汽車行業(yè)的發(fā)展需求,在參考美國、歐洲及日本等發(fā)達國家和地區(qū)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,并結(jié)合國家“863”電動汽車重大專項動力電池測試工作的實際經(jīng)驗,我國于2006年制定了QC/T 743《電動汽車用鋰離子蓄電池》標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)主要是適用于鋰電池單體和鋰電池模塊的測試需求。截止目前,最新版的QC/T 743-2013[1]正在修訂中。相比于2006年的版本,除了對一些測試內(nèi)容的參數(shù)進行了修訂外,更增加了針對鋰離子動力電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命測試,進一步完善了這一標(biāo)準(zhǔn)體系。另外值得注意的是,該標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)成為我國對電動汽車用鋰離子動力電池的強制性檢測標(biāo)準(zhǔn)[2]。

        1.2 ISO12405和IEC62660的歷史沿革

        近年來,隨著新技術(shù)新化學(xué)體系的出現(xiàn),比如鋰離子動力電池,亟需制定相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范[3]。針對這一現(xiàn)狀,國際上標(biāo)準(zhǔn)化工作的兩大核心組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)針對車用鋰離子動力電池制訂了相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)[4]。其中IEC 主要負責(zé)鋰離子動力電池單體和模塊的檢測標(biāo)準(zhǔn) IEC 62660-1/-2/-3 的制訂,IEC62660-1[5]和IEC62660-2[6]已于2010年正式頒布實施,IEC62660-3 目前仍在制訂過程中。 ISO 則負責(zé)鋰離子動力電池系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)ISO12405-1/-2/-3 的制訂,在2011年和2012年先后頒布了ISO12405-1[7]和ISO12405-2[8]并予以實施,ISO12405-3 也 于2013年正式頒布。

        1.3 SAEJ2929的發(fā)展現(xiàn)狀

        隨著美國新能源項目的不斷發(fā)展,動力電池在車輛行駛過程中的安全隱患問題(如爆炸、起火等)得到了越來越多專業(yè)人士的關(guān)注。因此,在1999年,SAE 協(xié)會頒布了針對安全檢測的標(biāo)準(zhǔn)SAE J2464,并在2009年對版本進行了更新。該標(biāo)準(zhǔn)主要是針對電池單體、電池模塊以及電池系統(tǒng)在安全可靠性方面的檢測標(biāo)準(zhǔn)。到了2011年,SAE 協(xié)會在總結(jié)了之前的動力電池安全檢測標(biāo)準(zhǔn)及其他國際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后,頒布了車用鋰離子動力電池的安全檢測標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2929[9]。該標(biāo)準(zhǔn)援引了諸多成熟的國際標(biāo)準(zhǔn),如 SAEJ2464,SAEJ2380,IEC60068 等,并一直沿用至今[4]。

        1.4 UL2850歷史沿革

        美國保險商實驗所(UL)是從事于安全檢測和鑒定服務(wù)的非政府機構(gòu),在美國有著悠久的歷史和非常高的權(quán)威性與影響力。早在1985年,針對鋰電池單體的安全檢測標(biāo)準(zhǔn)UL1642在美國正式頒布 (2012年已經(jīng)更新到第五版)。到1997年,在UL1642 的基礎(chǔ)上,美國UL 認(rèn)證機構(gòu)又針對電池模塊的安全濫用測試制訂了新的標(biāo)準(zhǔn)UL2054,并在2004年對其進行了修訂。到了2010年,新的針對輕型電動車用鋰電池系統(tǒng)安全檢測標(biāo)準(zhǔn)UL2271 頒布。隨著研究的進一步深入,到了2011年10月,電動汽車用動力電池系統(tǒng)安全檢測標(biāo)準(zhǔn)UL2580[10]正式頒布實施。

        2 標(biāo)準(zhǔn)具體內(nèi)容介紹

        2.1 QCT/T743標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

        QC/T743 作為我國國家規(guī)定的強檢項目之一,已經(jīng)得到了越來越多新能源汽車行業(yè)的重視,在最新的2014 修訂版中,它主要包括了動力電池單體、模塊和整個電池系統(tǒng)的測試內(nèi)容。在單體和模塊方面,除了常規(guī)檢測和電性能測試外,還有過充、過放、短路、加熱、跌落、針刺、擠壓等安全性方面的實驗;而在電池系統(tǒng)方面,也增加了針對不同車型采用不同的路況的循環(huán)壽命實驗,具體見表1。

        表1 QC/T743 最新標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

        2.2 ISO12405標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

        根據(jù)1.2 所述,ISO12405-1 和ISO12405-2 分別著眼于高能量和高功率型電池的應(yīng)用,包括常規(guī)實驗、性能實驗、可靠性實驗及濫用實驗。另外,針對安全性方面需求的檢測標(biāo)準(zhǔn)ISO12405-3 也于2013年正式頒布,具體見表2。

        從表2的分析中,不難發(fā)現(xiàn)ISO12405-1 和ISO12405-2這兩個檢測標(biāo)準(zhǔn)從范圍上看基本相同,但從具體測試項目看,還是有所區(qū)別,主要體現(xiàn)在性能測試方面。對于高功率型的電池系統(tǒng),需要對其高低溫啟動功率進行驗證。相應(yīng)的對于高能量型電池來說,它更加注重的是在快速充電過程中的能量效率問題。ISO12405-3 則是專門針對電池系統(tǒng)安全性能的測試,與 ISO12405-1 和 ISO12405-2 不同,ISO12405-3 除了短路、過充、過放實驗外,還包括浸水、熱循環(huán)、起火實驗、碰撞等,這一標(biāo)準(zhǔn)也在2013年正式頒布實施。

        表2 ISO 12405 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

        2.3 IEC62660標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

        根據(jù)1.2 所述,IEC62660-1 主要是針對鋰電池性能測試方面的標(biāo)準(zhǔn),而IEC62660-2 主要是針對鋰電池可靠性和濫用方面的測試標(biāo)準(zhǔn)。IEC62660-3 針對動力電池安全方面的要求標(biāo)準(zhǔn)也會在近期發(fā)布,具體見表3。

        從表3分析中可以看出,從鋰電池單體的性能測試、可靠性和濫用測試方面,IEC62660 都對其做了非常詳細的描述,很具有代表性。為了能進一步完善車用動力鋰電池的測試標(biāo)準(zhǔn),針對安全檢測標(biāo)準(zhǔn)的IEC62660-3 仍在制訂中,預(yù)計也將會在近期頒布。另外,值得注意的是,在IEC62660-2 中的濫用測試并不以單純的通過與否作為判斷,而是引入了危險等級的概念,即根據(jù)實驗現(xiàn)象,定義不同的危險等級。從0 到7 危險等級逐漸提升,具體如表4所示。

        2.4 SAEJ2929標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

        在SAEJ2929 中,主要包括以下幾項安全測試內(nèi)容:短路、過充過放、濕度、機械振動沖擊、跌落、熱沖擊、浸水、模擬車輛起火和電磁兼容性實驗。通過對以上測試項目的分析,可以說SAEJ2929 已基本上涉及了絕大部分的電池安全測試內(nèi)容,具體見表5。

        表3 IEC62660 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

        表4 動力電池安全等級

        表5 SAEJ2929 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

        2.5 UL2580標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

        UL2580 的測試內(nèi)容主要有電氣安全測試、機械安全測試、環(huán)境安全測試。作為動力電池系統(tǒng)相關(guān)的安全測試標(biāo)準(zhǔn),它跟2.4 節(jié)描述的SAEJ2929 標(biāo)準(zhǔn)相比,UL2580 標(biāo)準(zhǔn)除了涵蓋了幾乎所有SAEJ2929 所涉及到的安全方面的測試內(nèi)容外,還有額外的一些安全類實驗,例如不均衡充電、絕緣耐壓、旋轉(zhuǎn)、溫升、鹽霧及內(nèi)部起火等測試內(nèi)容,具體見表6。

        表6 UL2580 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

        3 標(biāo)準(zhǔn)的比較分析

        通過對目前國內(nèi)外主要動力電池測試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的分析,可以看出每個組織協(xié)會制訂的標(biāo)準(zhǔn)都有很強的針對性,比如ISO12405、SAEJ2929 和UL2580 都是針對整個電池包和電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),IEC62660 是針對電池單體及電池模塊的測試標(biāo)準(zhǔn),QC/T743 最新版則包括了電池單體、電池模塊及電池系統(tǒng)的測試內(nèi)容。從測試類型上分析,新版QC/T743 包括常規(guī)實驗、安全濫用實驗及循環(huán)壽命實驗;ISO12405 和IEC62660 包括了常規(guī)實驗、性能實驗、可靠性實驗和安全濫用實驗;SAEJ2929 和UL2580 主要都是針對安全濫用方面的測試內(nèi)容,包括電氣、機械和環(huán)境方面的測試,具體見表7。

        表7 標(biāo)準(zhǔn)的比較分析

        4 標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)用

        在實際應(yīng)用過程中,除了對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容本身需要熟悉外,更加重要的一點在于根據(jù)實際測試對象及應(yīng)用環(huán)境的不同,選擇合適的參考標(biāo)準(zhǔn),將對實驗價值和實驗結(jié)果產(chǎn)生積極深遠的影響。

        就電池單體測試而言,相比于IEC62660,作為國內(nèi)的強檢標(biāo)準(zhǔn)之一,QC/T743 更具有代表性,實驗結(jié)果也更容易被國內(nèi)整車廠所認(rèn)可。另外在最新版的QC/T743 中,又加入了電池系統(tǒng)循環(huán)壽命實驗標(biāo)準(zhǔn),這樣在驗證電池單體的基礎(chǔ)上,可以進一步驗證電池系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

        就電池系統(tǒng)性能及可靠性測試等而言,ISO12405-1 和ISO12405-2 分別是針對高能量和高功率的電池系統(tǒng)應(yīng)用,非常具有代表性。

        就電池系統(tǒng)安全類測試而言,SAEJ2929 和UL2580 都是可供選擇的參考標(biāo)準(zhǔn),相對于SAEJ2929 來說,UL2580 標(biāo)準(zhǔn)測試對象更廣泛,即UL2580 針對的電池不受其化學(xué)成分的限制,對鉛酸、鋰離子、氫鎳電池等都適用,而SAEJ2929 的測試對象則僅限于動力鋰電池。從實驗內(nèi)容上看,通過表5和表6的分析,UL2580 涵蓋的實驗內(nèi)容更加廣泛。但在實際應(yīng)用過程中,需要綜合考慮各種因素,比如項目預(yù)算、時間進度、實驗內(nèi)容等等,最終選擇一個最合適的參考標(biāo)準(zhǔn)進行實驗。

        5 總結(jié)

        QC/T743、ISO12405、IEC62660、SAEJ2929 及 UL2580 是目前國內(nèi)外頗具代表性的幾個測試標(biāo)準(zhǔn),覆蓋了從電池單體到電池系統(tǒng)各個層面的測試內(nèi)容,具備一定的參考價值,并普遍被整車廠所接受。本文對這些標(biāo)準(zhǔn)的歷史發(fā)展作了簡要的概述,并對這些標(biāo)準(zhǔn)的實驗內(nèi)容進行了比較分析,最后對這些標(biāo)準(zhǔn)的選擇依據(jù)提出了自己的建議和看法??傮w來看,除了常規(guī)的一些測試外,電動車用鋰離子動力電池的性能測試、可靠性測試、安全濫用測試是目前最主要的三大測試方面。另外,如何針對不同的測試對象,根據(jù)實際情況的不同而選擇合適的參考標(biāo)準(zhǔn)將對實驗工作的順利開展起到至關(guān)重要的作用。

        [1]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.QC/T743-2013:電動汽車用鋰離子蓄電池[S].北京:國家發(fā)展和改革委員會,2013.

        [2]王益群,陳亮,白瑩杰,等.我國電動汽車用鋰離子動力電池標(biāo)準(zhǔn)情況[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué),2012(7): 26-28.

        [3]OMAR N, DAOWD M, OMAR H, et al.Standardization work for BEC and HEV applications: Critical appraisal of recent traction battery document[J].Engine,2012(5):138-156.

        [4]王宏偉,劉軍,肖海清,等.國內(nèi)外鋰離子動力電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析對比[J].電子元件與材料,2012,31(10):83-86.

        [5]International Electrotechnical Commission.IEC62660-1-2010: secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles-part 1:performance testing[S].Switzerland:International Electrotechnical Commision,2010.

        [6]International Electrotechnical Commission.IEC62660-2-2010: secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles-part 1:reliability and abuse testing[S].Switzerland:International Electrotechnical Commision,2010.

        [7]International Organization for Standardization.ISO 12405-1-2011:Electrically propelled road vehicles- Test Specification for lithiumion traction battery system- part 1: High power applications[S].Switzerland:International Organization Standardization,2011.

        [8]International Organization for Standardization.ISO 12405-2-2012:Electrically propelled road vehicles- test specification for lithiumion traction battery system- part2: High energy applications[S].Switzerland:International Organization Standardization,2012.

        [9]Society of Automotive Engineers.SAEJ2929-2011.Electric and hybrid vehicle propulsion battery system safety standard-lithium based rechargeable cells[S].US:International Surface Vehicle Standard,2011.

        [10]Underwriter Laboratories Inc.UL2580-2011.Standards for batteries of use in Electric vehicles[S].US:UL Standard Designation,2011.

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