（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

為了滿足降低二氧化碳排放等環(huán)保要求，汽車排放標(biāo)準(zhǔn)對燃油汽車提出了越來越嚴(yán)格的要求，新能源汽車已經(jīng)成為未來汽車的發(fā)展方向[1]。在《中國制造2025》和《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》指引下，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)日趨完善，純電動(dòng)汽車在我國得到了迅速發(fā)展[2]。電動(dòng)汽車在歐洲、日本和美國也得到了快速發(fā)展，在不久的將來，電動(dòng)汽車定會(huì)主導(dǎo)汽車市場。

鋰離子動(dòng)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(diǎn)，得到了越來越多汽車整車企業(yè)的認(rèn)可，使得鋰離子動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車市場占支配地位。本文對國內(nèi)外電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池機(jī)械安全測試的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析和歸納，對標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題進(jìn)行了探討。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)概述

鋰離子動(dòng)力電池必須通過一系列安全測試，才能在電動(dòng)汽車上應(yīng)用。這些安全測試是為了了解和識別電池在非正常狀況下的潛在弱點(diǎn)和脆弱性，并確定電池在惡劣條件下的表現(xiàn)。本文主要討論純電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池機(jī)械安全測試項(xiàng)目。

涉及電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池機(jī)械安全測試的的國際標(biāo)準(zhǔn)主要包括：IEC 62660-2：2010《電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力蓄電池單體 第2 部分：可靠性和濫用性測試》[3]、ISO 6469-1：2019《電驅(qū)動(dòng)道路車輛安全要求 第1 部分：可再充能量貯存系統(tǒng)》[4]（ISO 12405-3：2014《電動(dòng)道路車輛鋰離子牽引電池組和系統(tǒng)的測試規(guī)范第3 部分：安全性能要求》[5]目前已被ISO 6469-1：2019 替代）、SAE J2464：2009《電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可再充能量儲(chǔ)存系統(tǒng)的安全和濫用性測試》[6]、SAE J2929：2013《電動(dòng)和混合動(dòng)力電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)-鋰基可充電電池》[7]。

歐盟成員國采用聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)于2013年7 月15 日頒布的ECE R100.02《關(guān)于就電力傳動(dòng)系統(tǒng)特殊要求方面進(jìn)行車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》[8]作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。其第一部分適用于M 類和N 類公路車輛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)最大車速超過25 km/h，并配備一臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)牽引電機(jī)；第二部分適用于配備一臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)牽引電機(jī)且未永久連接到電網(wǎng)的M 類和N 類公路車輛可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REESS）。

為了適應(yīng)國內(nèi)電動(dòng)汽車及動(dòng)力電池的發(fā)展，2015 年，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)。對于電動(dòng)汽車CCC 認(rèn)證，CQC-C1101-2018《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施細(xì)則汽車》中做出如下規(guī)定：鋰離子電池單體和模塊應(yīng)符合GB/T 31484-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》（6.5 工況循環(huán)暫不執(zhí)行）[9]、GB/T 31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》（6.3.7 電池模塊的擠壓試驗(yàn)暫不執(zhí)行；6.2.8、6.3.8 針刺試驗(yàn)暫不執(zhí)行）[10]、GB/T 31486-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》[11]、GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)包和測試規(guī)程第3 部分安全性要求與測試方法》（對于由車體包覆并構(gòu)成電池包箱體的，要帶箱體/車體測試；電池包或系統(tǒng)尺寸較大，無法進(jìn)行臺(tái)架安裝測試時(shí)，可進(jìn)行子系統(tǒng)測試）[12]的要求。

2 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池機(jī)械安全測試要求

本文主要分析和討論鋰離子動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車零部件的機(jī)械安全測試標(biāo)準(zhǔn)，未涉及整車級別的測試標(biāo)準(zhǔn)。表1 總結(jié)了電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池相關(guān)的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最常見機(jī)械安全性能測試項(xiàng)目。有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在某些情況下，可以根據(jù)制造商和客戶之間的協(xié)議進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)可以在各種級別下分別進(jìn)行，即電池單體（C）、電池模塊（M）、電池包或系統(tǒng)（P）和車輛（V）。

通常，將被測設(shè)備（DUT）進(jìn)行分級。每個(gè)級別的定義按照SAE J2464：2009 可以概括為[6]：

表1 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)械安全性能測試項(xiàng)目概覽

電池單體（C）：由至少一個(gè)陰極和一個(gè)陽極以及其它必要的電化學(xué)和結(jié)構(gòu)組件組成的儲(chǔ)能裝置。

電池模塊（M）：將一個(gè)以上電池單體串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式組合，且只有一對正負(fù)極輸出端子，作為電源使用的組合體。

電池包或系統(tǒng)（P）：互連模塊，包括用于機(jī)械支持、熱管理和電子控制的所有輔助子系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)為每個(gè)試驗(yàn)設(shè)置了通過/失敗要求，將“不著火”、“不爆炸”、“不破裂”和“不泄漏”作為試驗(yàn)的接受準(zhǔn)則。

2.1 機(jī)械沖擊測試

機(jī)械沖擊測試旨在評估車輛突然加速和/或減速時(shí)電池的堅(jiān)固性。在試驗(yàn)期間，DUT 會(huì)承受根據(jù)加速度和沖擊持續(xù)時(shí)間定義的沖擊力，以適應(yīng)不同的條件。比如：從電動(dòng)汽車正常駕駛、在高速行駛中軋到路緣石上直到車輛撞車。表2 所示為各種標(biāo)準(zhǔn)中測試條件（方向、峰值加速度、持續(xù)時(shí)間、電池荷電狀態(tài)（SOC）等）的差異。SAE J2464：2009、SAE J2929：2013以及UN 38.3：2015[13]運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，都是要求很嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，小于0.5 kg 的電池，其峰值加速度為150 g。對于質(zhì)量較大的電池，條件有所放寬。我國的標(biāo)準(zhǔn)中，GB/T 31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》對電池單體和電池模塊不要求機(jī)械沖擊測試，而GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)包和測試規(guī)程 第3 部分 安全性要求與測試方法》對電池包或系統(tǒng)僅要求在Z 軸方向沖擊3 次，是所有標(biāo)準(zhǔn)中要求最低的。

表2 機(jī)械沖擊測試

2.2 跌落測試

跌落測試模擬將電池從電動(dòng)汽車上卸下或?qū)⑵浒惭b到電動(dòng)汽車上時(shí)意外掉落的情況。表3 列出了對跌落表面類型、跌落高度和SOC 的要求。在測試過程中，讓DUT 掉落在剛性平坦的表面（如混凝土地面）上。跌落高度在各種標(biāo)準(zhǔn)中變化較大，為1 m～2 m。因此，可以預(yù)期測試的結(jié)果會(huì)有較大差別。

表3 跌落測試

2.3 翻轉(zhuǎn)測試

翻轉(zhuǎn)測試也稱為旋轉(zhuǎn)測試，它模擬在事故中可能發(fā)生的車輛傾覆。表4 列出了不同標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)參數(shù)的比較。試驗(yàn)時(shí)，將電池組或模塊緩慢旋轉(zhuǎn)（如360°/min），以評估是否存在任何泄漏（如電池電解液、冷卻液泄漏）或通風(fēng)孔。然后，將DUT 以90°的增量旋轉(zhuǎn)一次，在每個(gè)位置停留1 h，再旋轉(zhuǎn)一整圈。不同測試標(biāo)準(zhǔn)中的測試方法基本一致。

盡管輕型汽車側(cè)翻、翻車事故大量存在，但有些標(biāo)準(zhǔn)（如ECE-R100.02：2013）中沒有包含翻轉(zhuǎn)測試。

表4 翻轉(zhuǎn)測試

2.4 擠壓測試

在擠壓測試中，施加的擠壓力模擬車輛事故或任何可能損壞電池盒并導(dǎo)致其變形的外部負(fù)載力。試驗(yàn)中，通常將帶有紋理或肋的電絕緣板向下壓到電池上，并壓縮到一定程度。例如，壓縮到85%，在5 min 后繼續(xù)壓縮至初始尺寸的50%或直至觀察到突然的電壓降（如降低到原始電池電壓的1/3）。通常使用2 種標(biāo)準(zhǔn)化的擠壓壓盤，即A 型和B 型。對于電池單體水平測試（圓柱或棱柱形），一般采用B 型壓盤（如IEC 62660-2：2010 中所述），但GB/T 31485-2015 采用A 型壓盤。對于電池模塊或包裝組件，通常建議使用A 型，這一點(diǎn)GB/T 31467.3-2015 與國際標(biāo)準(zhǔn)及歐盟標(biāo)準(zhǔn)一致。目前，我國電動(dòng)汽車CCC認(rèn)證中，電池模塊暫時(shí)不要求進(jìn)行擠壓測試。

另一個(gè)需要引起關(guān)注的方面是在零部件級別和車輛級別的測試結(jié)果之間的可比性。對現(xiàn)實(shí)中有關(guān)車輛在選定位置發(fā)生變形的事故場景進(jìn)行研究，得出的結(jié)論是最大接觸載荷通常＜100 kN。在零部件級別和車輛級別測試上，對DUT 施加的壓緊力可能不具有可比性。因?yàn)椋谲囕v級別測試中，電池有底盤和電池外殼提供額外保護(hù)。此外，實(shí)際的事故具有動(dòng)態(tài)性，即電池朝著撞擊區(qū)域移動(dòng)，這與防撞板朝著靜態(tài)電池移動(dòng)的零部件級別測試不同。

不同標(biāo)準(zhǔn)施加的擠壓力、擠壓速度、電池的SOC水平有較大差別，因此不同試驗(yàn)之間的試驗(yàn)結(jié)果可能不具有可比性。

表5 為不同標(biāo)準(zhǔn)中擠壓測試參數(shù)的比較。

2.5 針刺測試

針刺測試會(huì)導(dǎo)致電池中機(jī)械和電氣損壞。試驗(yàn)是由一根尖銳的鋼棒以一定的恒定速度穿過電池，盡管測試的結(jié)果是短路，但是這種短路是機(jī)械引起的，因此針刺通常被歸類為機(jī)械測試而不是電氣測試。當(dāng)穿透電池單體并破壞隔板和電極的完整性時(shí)，會(huì)產(chǎn)生短路并因此釋放熱量。多個(gè)電極層與穿刺針由于短路發(fā)生電接觸，因此在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生相對嚴(yán)重的損壞。由于變形局限于相對較小的區(qū)域，因此散熱受到很大限制。

表5 擠壓測試

根據(jù)測試產(chǎn)品的級別，即電池單體（C）、電池模塊（M）、電池包或系統(tǒng)（P），穿透深度、穿刺速度和穿刺針的尺寸在不同標(biāo)準(zhǔn)中有所不同。大多數(shù)情況下，在電池單體級別，需要一根直徑為3 mm 或5～8 mm的鋼棒；在電池模塊、電池包或系統(tǒng)級別，需要一根直徑為20 mm 或6～10 mm 的鋼棒。對于電池單體級別，穿透深度至少要穿過整個(gè)電池；對于電池模塊、電池包或系統(tǒng)級別，要穿過3 個(gè)電池單體，或者至少穿過100 mm。在所有情況下，鋼棒在測試后的觀察期內(nèi)（如1 h）都保持在原位。

這項(xiàng)研究的實(shí)用性受到研究界許多人的質(zhì)疑，其原因主要有3 個(gè)：首先，該試驗(yàn)不能完全代表現(xiàn)實(shí)情況下可能發(fā)生的事件（如尖銳的物體穿透內(nèi)部）；其次，已經(jīng)證明該測試并不能代表發(fā)自內(nèi)部的短路；最后，有很多參數(shù)（如穿刺針的速度、穿刺針的尺寸和電池的SOC）會(huì)嚴(yán)重影響測試結(jié)果。此外，不確定穿刺針材料的質(zhì)量和成分對測試結(jié)果的影響，標(biāo)準(zhǔn)中對此沒有提供說明。出于上述原因，該測試未包含在表6 所示的許多汽車標(biāo)準(zhǔn)中似乎可以理解。目前，我國電動(dòng)汽車CCC 認(rèn)證中也不要求電池進(jìn)行針刺測試。

2.6 振動(dòng)測試

車輛在正常行駛過程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，但振動(dòng)可能會(huì)傷害電池。因此，幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)都包含振動(dòng)測試。試驗(yàn)的目的是從耐久性、確定設(shè)計(jì)缺陷的角度來評估長期振動(dòng)對電池的影響。標(biāo)準(zhǔn)中使用的振動(dòng)曲線為正弦波和隨機(jī)振動(dòng)曲線。正弦掃頻測試通常用于識別產(chǎn)品共振，而隨機(jī)振動(dòng)則模擬DUT 會(huì)經(jīng)歷的日常行駛情況。

表6 針刺測試

目前，這些標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)曲線都是從傳統(tǒng)燃油車輛中測取的，并不是專門針對電動(dòng)汽車電池的，不能作為電池壽命的機(jī)械耐久性測試標(biāo)準(zhǔn)。而且由于測試條件不能代表電池及其在車輛中的位置，因此該試驗(yàn)與評估電池在行駛條件下的振動(dòng)不相關(guān)。電池組可能會(huì)受到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)評估范圍之外的振動(dòng)負(fù)載。

GB/T 31467.3-2015 是參照ISO 12405-3：2014制定的，目前ISO 12405-3：2014 已被ISO 6469-1：2019 替代。車輛級別的測試可以按照SAE J2929：2013、ISO 6469-1：2019 所定義的條件進(jìn)行。不同標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件相差較大，側(cè)重點(diǎn)也不盡相同（歐盟標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)類型為正弦，通常用于評估共振），很難對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行橫向比較。

圖7 為不同標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)測試參數(shù)的比較。

表7 振動(dòng)測試

2.7 海水浸泡測試

海水浸泡測試是為了評估電池浸入水中或安裝在車輛底部的電池組件被部分淹沒的情況。為了執(zhí)行此項(xiàng)測試，將電池完全浸入25℃的類似于海水（如3.5wt%NaCl 水溶液）的鹽水中至少1～2 h 或直到任何可見的現(xiàn)象發(fā)生（如起泡）。

評估電動(dòng)汽車遭受洪災(zāi)和水淹是非常重要的。每年的雨季，各國會(huì)有很多汽車被水全部或部分淹沒，可能導(dǎo)致電池發(fā)生短路、起火甚至爆炸。因此，海水浸泡測試是非常必要的。但是，有些標(biāo)準(zhǔn)并未包括該測試（如ECE R100.02）。

圖8 為不同標(biāo)準(zhǔn)中海水浸泡測試參數(shù)的比較。

表8 海水浸泡測試

3 結(jié)論

本文對電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池機(jī)械安全性能的各種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析，比較了這些標(biāo)準(zhǔn)中描述的試驗(yàn)方法所采用的測試參數(shù)和條件，得出以下結(jié)論：

1）大多數(shù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的測試要求和方法基本上是借鑒常規(guī)燃油車輛的標(biāo)準(zhǔn)要求。顯然，需要針對電動(dòng)汽車進(jìn)行更多分析和數(shù)據(jù)評估，以涵蓋電動(dòng)汽車技術(shù)的特殊性。最近的研究表明，電池組可能會(huì)受到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)評估范圍之外的振動(dòng)載荷的影響。

2）由于試驗(yàn)要求的測試條件和參數(shù)不盡相同，有些甚至差別很大，使得不同標(biāo)準(zhǔn)獲得的數(shù)據(jù)可能不具有可比性。由于最壞的情況通常對應(yīng)于最大SOC，因此在最大SOC 的情況下執(zhí)行相關(guān)試驗(yàn)是合乎邏輯的。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)要求100%SOC，但是ECE-R100.02：2013 允許以≥50%SOC 進(jìn)行測試。測試條件和參數(shù)的差異可能是由于標(biāo)準(zhǔn)制定者所考慮的場景不同，為了進(jìn)行公平和等效的測試，建議將試驗(yàn)的測試參數(shù)、條件進(jìn)行統(tǒng)一。

3）應(yīng)注意電池單體、電池模塊和電池包或系統(tǒng)的組件測試的可比性。對于擠壓測試，當(dāng)對不同尺寸的DUT 施加單一的壓緊力時(shí)，可能會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生類似的影響。在車輛級別的測試中，電池有底盤和電池外殼提供額外保護(hù)。此外，實(shí)際的事故具有動(dòng)態(tài)性，即電池朝著撞擊區(qū)域移動(dòng)，這與防撞板朝著靜態(tài)電池移動(dòng)的零部件級別的測試不同。

4）本文只分析了零部件級別的測試，并未涉及整車級別的測試。單從電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池機(jī)械安全性能（電池單體、電池模塊、電池包或系統(tǒng)）試驗(yàn)要求來看，我國的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，大部分測試標(biāo)準(zhǔn)高于歐盟標(biāo)準(zhǔn)，但與國際標(biāo)準(zhǔn)還有差距。由于不同標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)條件不一致，使得相同試驗(yàn)項(xiàng)目的測試結(jié)果不具有可比性。

5）基于對近幾年國內(nèi)外電動(dòng)汽車安全事故經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對電動(dòng)汽車的安全失效與防范機(jī)制有了深入理解。工信部發(fā)布了《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求（征求意見稿）》，將其修訂并升級為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對規(guī)范電動(dòng)汽車的持續(xù)、健康、穩(wěn)定、安全發(fā)展意義重大。