顧正建，嚴 媛

( 1.無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，江蘇 無錫 214028； 2.國家輕型電動車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 無錫 214028 )

近年來，國內(nèi)外加快了鋰離子電池相關(guān)標準的制、修訂，使得鋰離子電池的應(yīng)用更科學、更安全，也更高效[1]。國際電工委員會(IEC)是主要的鋰離子電池國際標準制、修訂機構(gòu)。在鋰離子電池電性能方面，含堿性或非酸性電解液的蓄電池和蓄電池組分技術(shù)委員會(IEC/SC21A)于2011年發(fā)布了IEC 61960∶2011《含堿性或其它非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 便攜式產(chǎn)品用鋰蓄電池和電池組》[2]，適用范圍為便攜式產(chǎn)品。為適應(yīng)鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展，IEC/SC21A于2014年發(fā)布了IEC 62620∶2014《含堿性或其它非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 工業(yè)設(shè)備用鋰蓄電池和電池組》[3]，適用范圍為固定式設(shè)備(如電力儲能系統(tǒng)、不間斷電源UPS等)和活動式設(shè)備(如軌道車輛、牽引運輸車、高爾夫車等，但不包括道路車輛)。該標準的發(fā)布有利于與IEC 61960∶2011更好地銜接與組合，覆蓋使用于更廣泛領(lǐng)域的鋰離子電池。

本文作者重點對兩部標準型號命名和試驗項目的異同進行對比分析。

1 型號命名對比分析

IEC 61960∶2011中，電池命名形式為：A1A2A3N2/N3/N4，電池組命名形式為：N1A1A2A3N2/N3/N4-N5。其中A1為負極體系：I代表鋰離子，L代表金屬鋰或鋰合金；A2為正極體系：C代表鈷基(Co)，N代表鎳基(Ni)，M代表錳基(Mn)，V代表釩基(V)，T代表鈦基(Ti)；A3為電池的形狀：R代表圓柱形，P代表方形；N1為電池組中串聯(lián)的電池數(shù)量；N2為最大直徑(R電池)或最大厚度(P電池)；N3為最大寬度(P電池)，若為R電池，N3省略；N4為最大高度；N5為電池組中并聯(lián)的電池數(shù)量。IEC 62620∶2014中，電池命名形式為：A1A2A3/N2/N3/N4/A4/TLTH/NC，電池組命名形式為：A1A2A3/N2/N3/N4/[S1]A4/TLTH/NC，其中A1為負極體系：I代表碳基，T代表鈦基，X代表其他；A2為正極體系：C代表鈷基(Co)，F(xiàn)代表鐵基(Fe)，F(xiàn)p代表磷酸鐵基，N代表鎳基(Ni)，M代表錳基(Mn)，Mp代表磷酸錳基，V代表釩基(V)，X代表其他；A3為電池的形狀：R代表圓柱形，P代表方形(包括鋁塑膜封裝的電池)；A4為電池的倍率特性：S代表極低倍率放電型(只針對電池組)，E代表低倍率放電型，M代表中等倍率放電型，H代表高倍率放電型；N2為最大直徑(R電池)或最大厚度(P電池)；N3為最大寬度(P電池)，若為R電池，N3省略；N4為最大高度；TL、TH分別表示最低和最高放電溫度等級；NC為500次循環(huán)后所測容量與額定容量的比值；[S1]為電池組串并聯(lián)構(gòu)造形式。

對比兩部標準，IEC 61960∶2011利用鋰離子、金屬鋰或鋰合金表示負極材料體系，而IEC 62620∶2014則利用更符合實際的負極材料體系(碳基、鈦基及其他材料)；正極方面，由于工業(yè)設(shè)備相對便攜式產(chǎn)品用鋰離子電池會出現(xiàn)更多的正極材料體系，IEC 62620∶2014增加了鐵基、磷酸鐵基、磷酸錳基及其他材料，省略了鈦基體系的表示方法(原因是鈦基材料的電位較低，基本已被用于負極材料)；IEC 62620∶2014還增加了電池及電池組的倍率放電特性、放電高低溫溫度等級、循環(huán)能力等在命名上的表現(xiàn)形式，以適應(yīng)工業(yè)設(shè)備用鋰離子電池的需要；此外，在電池組串并聯(lián)形式方面，IEC 61960∶2011利用首尾數(shù)字代號表示；IEC 62620∶2014則利用集中體現(xiàn)的構(gòu)造形式。形狀、尺寸方面兩部標準的表示方法基本相同。

2 試驗項目對比分析

表1中列出了IEC 61960∶2011與IEC 62620∶2014關(guān)于電池及電池組檢測的測試項目。

表1 IEC 61960∶2011與IEC 62620∶2014測試項目對比

Table1Comparison on test items of IEC 61960∶2011 and IEC 62620∶2014

IEC61960∶2011IEC62620∶2014電池電池組電池(塊)電池組20℃放電容量25℃放電性能-20℃放電容量低溫放電性能20℃高倍率放電容量可允許的高倍率電流荷電保持和恢復(fù)能力-交流內(nèi)阻-直流內(nèi)阻荷電保持和恢復(fù)能力交流內(nèi)阻-直流內(nèi)阻循環(huán)耐久性循環(huán)耐久性貯存后荷電恢復(fù)能力長期荷電壽命(恒壓耐久性)-靜電放電-

在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，為了增加電池容量，常出現(xiàn)電池單體并聯(lián)后使用的情況，因此在測試對象上，IEC 62620∶2014增加了電池塊(Cell block)。電池塊的定義為電池單體并聯(lián)而成的組合體，可以包括或者不包括保護裝置和監(jiān)測電路。兩部標準的試驗項目分別為9項和8項。考察內(nèi)容上，IEC 61960∶2011比IEC 62620∶2014多了靜電放電測試項目，其余8個測試項目與IEC 62620∶2014相似，但在試驗方法上，根據(jù)適用領(lǐng)域的不同，存在不少差異。

2.1 額定容量定義

額定容量定義為在規(guī)定條件下測得，并由制造商標稱的電池或電池組的容量。IEC 61960∶2011定義為C5，IEC 62620∶2014定義為Cn(n為電池或電池組的放電小時數(shù))，對于E、M、H放電類型的電池，n為5；對于S放電類型的電池，n為8、10、20或240。由于IEC 62620∶2014可應(yīng)用于電力儲能、UPS及軌道車輛等儲能及動力電池領(lǐng)域，放電率類型的可選擇性，增強了標準適用面。用戶在選擇使用時可根據(jù)自身產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境進行放電率類型選取和標識。

2.2 常溫放電性能

IEC 61960∶2011與IEC 62620∶2014在常溫放電性能的環(huán)境溫度要求上不同。IEC 61960∶2011各項測試的常溫環(huán)境溫度均為(20±5) ℃，IEC 62620∶2014則為(25±5) ℃。在試驗內(nèi)容上，IEC 62620∶2014將倍率放電能力也放入常溫放電性能考核，如表2所示。此外，IEC 61960∶2011可以進行4次循環(huán)，有一次達到100%C5即可；IEC 62620∶2014則可以進行5次循環(huán)，有一次達到技術(shù)要求可停止試驗，可適當增加產(chǎn)品合格的幾率。

表2 IEC 62620∶2014中25 ℃常溫放電性能

2.3 低溫放電性能

IEC 62620∶2014與IEC 61960∶2011相比，變化較大。IEC 61960∶2011根據(jù)便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用場景，明確定義低溫放電性能在-20 ℃下考核，電池或電池組在(-20±2) ℃條件下，以0.2ItA恒流放電至放電終止電壓時，放電容量應(yīng)不低于30%C5。IEC 62620∶2014根據(jù)固定式設(shè)備及活動式設(shè)備應(yīng)用場景的差異化，沒有明確規(guī)定低溫放電性能的考核溫度，而是提出“目標”測試溫度的概念。電池低溫放電性能測試時，溫度以10 ℃為梯度變化，如10 ℃、0 ℃、-10 ℃和-20 ℃。制造商提出的溫度，必須在“目標”測試溫度基礎(chǔ)上加10 ℃的范圍內(nèi)，如測試溫度為-27 ℃，制造商給出的溫度最好為-20 ℃。具體放電率和技術(shù)要求如表3所示。

表3 IEC 62620∶2014中低溫放電性能

Table3Discharge performance at low temperature of IEC 62620∶2014

放電電流/A最低放電容量SEMH1/nIt70%Cn0.2It70%C570%C570%C51.0It-70%C570%C55.0It--70%C5

2.4 高倍率放電性能

兩部標準對項目的試驗?zāi)康牟煌?。IEC 61960∶2011僅評估電池或電池組在高倍率下(1C倍率)的放電性能，對于電池而言，放電容量應(yīng)不低于額定容量的70%；對于電池組，放電容量應(yīng)不低于額定容量的60%。IEC 62620∶2014評估M、H型電池(塊)、電池組可允許的高倍率電流，M型最低恒電流倍率為6ItA，H型最低恒電流倍率為20ItA。技術(shù)要求為無熔斷、電池(塊)或電池組殼體不應(yīng)變形和漏液，電壓在放電過程中應(yīng)沒有突變；在以可允許的高倍率電流放電后，0.2It放電容量應(yīng)不低于額定容量的95%。這一項目更注重電池使用的安全性，高倍率放電性能已納入常溫放電性能項目內(nèi)考核。對于高倍率放電，試驗環(huán)境溫度也有所不同。

2.5 荷電保持及恢復(fù)

兩部標準在該項目上，除環(huán)境溫度不同外，其余試驗方法基本一致。在測試對象上，IEC 61960∶2011針對電池和電池組，IEC 62620∶2014只針對電池(塊)。在技術(shù)要求上，IEC 62620∶2014更加嚴格，荷電保持容量應(yīng)不低于額定容量的85%，荷電恢復(fù)容量不得低于額定容量的90%；IEC 61960∶2011要求相對較低，對于電池荷電保持容量應(yīng)不低于額定容量的70%，荷電恢復(fù)容量不得低于額定容量的85%；對于電池組，荷電保持容量應(yīng)不低于額定容量的60%，荷電恢復(fù)容量不得低于額定容量的85%。

2.6 內(nèi)阻

內(nèi)阻是評估鋰離子電池性能的重要指標。目前，鋰離子電池內(nèi)阻測試的方法很多[4-6]，主要有交流內(nèi)阻[4]、直流內(nèi)阻[5]和電化學阻抗譜(EIS)測試[6]等方法。

兩部標準均采用了交流內(nèi)阻法和直流內(nèi)阻法。交流內(nèi)阻反映了電池靜態(tài)時的狀態(tài)，能夠保證電池性能完好，且測量過程快速，不用脫機就可在線檢測內(nèi)阻，但不能看出內(nèi)阻在不同頻率下的變化。直流內(nèi)阻反映了電池工作時，電流在電池內(nèi)部受到的阻力，可直接反映電池工作時的性能。

在交流內(nèi)阻的項目上，兩部標準除了環(huán)境溫度不同，其余試驗方法基本一致。在試驗對象上，IEC 61960∶2011交流內(nèi)阻只針對電池組，而IEC 62620∶2014交流內(nèi)阻的測試對象只能是電池(塊)。

在直流內(nèi)阻的項目上，兩部標準除了環(huán)境溫度不同，試驗方法的相關(guān)參數(shù)也存在差異。在測試對象上，IEC 61960∶2011直流內(nèi)阻只針對電池組，而IEC 62620∶2014直流內(nèi)阻的測試對象，既可以是電池(塊)，也可以是電池組。在試驗參數(shù)上，IEC 61960∶2011的適用范圍為便攜式產(chǎn)品，因此明確規(guī)定兩次放電電流，I1=0.2ItA、I2=1.0ItA；而IEC 62620∶2014適用范圍為固定式設(shè)備或活動式設(shè)備，根據(jù)固定式設(shè)備及活動式設(shè)備倍率放電能力的差異化，規(guī)定不同的放電電流，具體電流值和技術(shù)要求如表4所示。

表4 IEC 62620∶2014中測量直流內(nèi)阻的恒定放電電流

Table4Constant discharge current used for measurement of internal D.C.resistance of IEC 62620∶2014

放電電流放電類型SEMHI1≥1/5nItA0.04ItA0.2ItA1.0ItAI2≥1/5nItA≥0.2ItA≥1.0ItA≥5.0ItA

此外，一般電池容量越小，內(nèi)阻越大。由于便攜式產(chǎn)品用鋰離子電池較固定式設(shè)備及活動式設(shè)備用的容量小，內(nèi)阻較大。IEC 61960∶2011規(guī)定的兩次放電時間較IEC 62620∶2014規(guī)定的時間短(分別為10 s、1 s)，在較短的時間內(nèi)，足以測試出電池的電壓降；IEC 62620∶2014兩次放電時間都有所延長，分別為(30±0.1) s、(5.0±0.1) s。固定式設(shè)備及活動式設(shè)備用鋰離子電池容量大、內(nèi)阻小，較長的放電時間能更準確地測出電池的電壓降。

EIS測試法可以在不損壞電池特性的情況下，實現(xiàn)在線監(jiān)測，與交流內(nèi)阻法和直流內(nèi)阻法相比，具有明顯的優(yōu)點[7]：①對噪聲的抗干擾能力強，能用于噪聲成分較大的環(huán)境中；②采用小交流擾動信號，即使長時間作用在電池兩端，也不會給電池帶來破壞；③測量得到的EIS是內(nèi)阻變化和相位變化的乘積，其變化比電池的內(nèi)阻變化更明顯，測量更加簡單、結(jié)果更精確；④EIS測試法不僅可獲得直流內(nèi)阻分量、極化內(nèi)阻分量，還可檢測出電池內(nèi)阻成分的變化規(guī)律，可對電池進行評估和優(yōu)化管理。有鑒于此，在對IEC 61960與IEC 62620進行修訂時，應(yīng)建議考慮加入EIS測試法。

2.7 循環(huán)耐久性

兩部標準對環(huán)境溫度的要求不同。在試驗參數(shù)上，IEC 61960∶2011的放電電流為0.2ItA，若加速評估電池壽命，放電電流可設(shè)為0.5ItA；IEC 62620∶2014的放電電流為1/nItA，若加速評估電池壽命，可根據(jù)電池的倍率放電能力的差異化，規(guī)定不同的放電電流。E型電池用0.5ItA，M型和H型電池可以用1.0ItA。在技術(shù)要求上，IEC 62620∶2014比IEC 61960∶2011更嚴格。IEC 62620∶2014要求電池(塊)或電池組在進行500次循環(huán)后，所測得的容量應(yīng)不低于額定容量的60%；IEC 61960∶2011要求則相對較低，對于電池，要求在400次循環(huán)后容量不低于額定容量的60%，對于電池組，要求在300次循環(huán)后容量不低于額定容量的60%。

2.8 貯存恒壓耐久性

兩部標準在恒壓耐久性的測試方法上大致相同，但試驗具體參數(shù)上存在較多差異。首先，電池充電、恒壓保持和放電的環(huán)境溫度要求不同。IEC 61960∶2011要求電池在(20±5) ℃下充電，在(40±2) ℃下恒壓保存，在(20±5) ℃下放電；IEC 62620∶2014要求電池在目標測試溫度下充電，在目標測試溫度下電池恒壓保存，在(25±5) ℃下放電。其次，電池荷電狀態(tài)不同，IEC 61960∶2011要求電池荷電狀態(tài)為50%，IEC 62620∶2014要求電池荷電狀態(tài)為100%。第三，技術(shù)要求不同，兩者相較而言，IEC 62620∶2014標準更嚴謹、嚴格。IEC 61960∶2011要求電池恒壓耐久90 d后，將電池按照企業(yè)要求充至滿電狀態(tài)，電池靜置1～4 h，靜置結(jié)束后，放電電流為0.2ItA，測試得到的放電容量與額定容量的比值不低于50%，恒壓耐久后的電池可重復(fù)做5次充電放電過程；IEC 62620∶2014要求電池恒壓耐久90 d后，靜置8～16 h，靜置結(jié)束后，將電池放電，放電電流為1/nItA(S型電池，n=8、10、20和240；E、M和H型電池，n=5)，測試得到的電池放電容量與額定容量的比值不低于85%。

2.9 靜電放電性能

靜電放電(ESD)是一種常見的近場危害源，在放電過程中，有時會形成高電壓和瞬時大電流，放電電流波形的上升時間可小于1 ns，形成靜電放電電磁脈沖，并產(chǎn)生頻譜很寬的電磁輻射場，會對半導(dǎo)體器件及電子設(shè)備(系統(tǒng))造成直接和間接干擾或損傷[8]。ESD抗擾度試驗和靜電放電的防護研究，一直是工業(yè)發(fā)達國家十分重視的研究課題。

兩部標準在靜電放電性能的測試項目有所不同。IEC 61960∶2011有靜電放電性能測試項目，包括4 kV接觸式放電和8 kV空氣放電，因為應(yīng)用對象是便攜式產(chǎn)品(便攜式產(chǎn)品易接觸到放電源)。IEC 62620∶2014沒有該項性能測試，因為應(yīng)用對象主要是固定式設(shè)備，固定式設(shè)備相比便攜式產(chǎn)品不易接觸到靜電放電源。為了提高固定式設(shè)備的安全性，避免特殊情況的出現(xiàn)，建議在修訂IEC 62620標準時，考慮加入靜電放電測試項目。

3 結(jié)論

IEC 61960∶2011《含堿性或其它非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 便攜式產(chǎn)品用鋰蓄電池和電池組》通過眾多的測試來保障便攜式產(chǎn)品用電池、電池組的產(chǎn)品品質(zhì)和科學使用。IEC 62620∶2014《含堿性或其它非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 工業(yè)設(shè)備用鋰蓄電池和電池組》作為固定式設(shè)備用電池(塊)、電池組和活動式設(shè)備用電池(塊)、電池組測試標準，有利于與IEC 61960∶2011更好的銜接與組合，覆蓋更多領(lǐng)域的鋰離子電池。分析得知，IEC 61960∶2011和IEC 62620∶2014在測試對象和項目設(shè)置上總體比較一致，但在具體項目的測試條件上存在不少差異。由于IEC 61960∶2011的測試對象是便攜式產(chǎn)品用鋰離子電池，測試參數(shù)相對固定；IEC 62620∶2014測試對象是固定式和活動式設(shè)備用鋰離子電池，該標準根據(jù)電池使用場景的實際情況，提出了不同的測試參數(shù)。在技術(shù)要求方面，IEC 62620∶2014較IEC 61960∶2011更為嚴苛，這也保證了固定式和活動式設(shè)備的鋰離子電池使用壽命一般比便攜式產(chǎn)品更長的要求。

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