王偉雄

（浙江科正電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

當(dāng)今世界， 實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展已成為共識(shí)。2016 年4 月，175 個(gè)國(guó)家在紐約聯(lián)合國(guó)大廈共同簽訂了《巴黎協(xié)定》，旨在推動(dòng)減排行動(dòng)，應(yīng)對(duì)全球氣候變化。 2020 年9 月，中國(guó)在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出2030 年前碳達(dá)峰、2060 年前碳中和的目標(biāo)。 為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我國(guó)正在加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。2020 年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議也將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”作為2021 年重點(diǎn)任務(wù)之一，包括加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展新能源、完善能源消費(fèi)雙控制度等。

隨著相關(guān)政策的落地和推動(dòng)，各企業(yè)紛紛部署動(dòng)力電池產(chǎn)線，鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池蓬勃發(fā)展。 這其中，鋰離子電池以其能量密度和功率密度較大、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電較小以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而成為動(dòng)力電池的主流選擇之一，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車。但近幾年電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車頻頻引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故，使人們對(duì)儲(chǔ)能動(dòng)力電池應(yīng)用的安全性提出了質(zhì)疑，這對(duì)儲(chǔ)能動(dòng)力電池的行業(yè)未來(lái)發(fā)展形成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如何通過(guò)檢測(cè)、認(rèn)證、監(jiān)管等手段保障儲(chǔ)能動(dòng)力電池的安全性，也成為了一個(gè)重要的研究課題。

1 鋰離子電池的工作原理與基本性能

1.1 工作原理

如圖1 所示為鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖。鋰離子電池主要由電極、隔膜、電解液、IC 安全保護(hù)電路以及外殼五金件組成。

圖1 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the structure of a lithium-ion battery

正極的活性物質(zhì)一般采用鋰化合物， 如Li-CoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等。其導(dǎo)電極流體使用厚度為10~20μm 的電解鋁箔。 負(fù)極活性物質(zhì)為石墨層間化合物，一般為L(zhǎng)iXC6或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳， 導(dǎo)電集流體使用厚度為7~15μm 的電解銅箔。隔膜為一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過(guò)，而電子不能通過(guò)，材質(zhì)為單層PE（聚乙烯）或三層復(fù)合PP（聚丙烯）+PE+PP，其厚度單層一般為16~20μm，三層一般為20~25μm。電解液為溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液，如LiPF6+PC/EC/DMC。 電池外殼及五金件包含鋁/鋼殼、蓋板、極耳、絕緣片、電池的正負(fù)極引出端。

鋰離子電池充電時(shí)， 電池的正極由鋰離子生成，生成的鋰離子從正極“游進(jìn)”電解液里，通過(guò)電解液“穿過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，與早就通過(guò)外部電路到達(dá)負(fù)極的電子結(jié)合在一起。

正極上發(fā)生的反應(yīng)為：

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：

在充電的過(guò)程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進(jìn)入電解液，在充電器附加的外電場(chǎng)作用下向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨或焦炭C 組成的負(fù)極，在負(fù)極形成LiC 化合物。

鋰離子電池放電時(shí)， 電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路徑不同，電子從負(fù)極通過(guò)外部電路跑到正極；鋰離子Li+從負(fù)極“游進(jìn)”電解液里，“穿過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，到達(dá)正極，與已經(jīng)到達(dá)正極的電子結(jié)合在一起。

1.2 基本性能

鋰離子電池的基本性能通常包括開(kāi)路電壓、內(nèi)阻、工作電壓、充電電壓、電池容量、貯存性能和壽命等。

開(kāi)路電壓：即兩極間所連接的外線路處于斷路時(shí)兩極間的電位差。由于正負(fù)極在電解液中不一定處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，因此電池的開(kāi)路電壓不一定等于電動(dòng)勢(shì)，通常會(huì)比電動(dòng)勢(shì)小。 開(kāi)路電壓越接近電動(dòng)勢(shì)，電池特性越好。

內(nèi)阻： 即電流通過(guò)電池內(nèi)部所受到的阻力，它包括歐姆電阻和電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化所引起的電阻，即極化電阻。 由于電池內(nèi)阻的存在，電池放電時(shí)的工作電壓總是小于電池電動(dòng)勢(shì)或工作電壓，內(nèi)阻越小，電池的效率就越高。

工作電壓：又稱放點(diǎn)電壓或負(fù)載電壓，是指電池在放電時(shí)兩端的電壓，也可以說(shuō)是電池通過(guò)外線路時(shí)，電池兩極之間的電位差。 工作電壓是真正用于帶動(dòng)負(fù)載的電壓。

電池放電：由于負(fù)載特性不同，電池放電時(shí)基本上有兩種工作方式，一種是恒電流放電，另一種是恒電阻放電。 恒電流放電時(shí)，工作電壓隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。 恒電阻放電時(shí)，電池的工作電壓和放電電流均隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，對(duì)于一次電池，經(jīng)常用恒電阻進(jìn)行放電；

充電電壓：即二次電池在充電時(shí)，外電源加在電池兩端的電壓。充電的基本方法有恒電流充電和恒電壓充電。 一般采用恒電流充電，其特點(diǎn)是在充電過(guò)程中，充電電流恒定不變。隨著充電的進(jìn)行，活性炭物質(zhì)被恢復(fù)，電極反應(yīng)面積不斷縮小，電極的極化逐漸增高。

電池容量：即從電池獲得電量的值，常用C 表示，常用單位為Ah 或mAh。 容量是電池的主要指標(biāo)，電池的容量通常分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。 電池的容量由電極的容量決定，若電極的容量不相等， 電池的容量取決于容量小的那個(gè)電極，絕不是正負(fù)極容量之和。

貯存性能和壽命： 化學(xué)電源的主要特點(diǎn)之一就是在使用時(shí)能夠放出電能， 在不使用時(shí)能夠貯存電能，所謂貯存性能是指電池在開(kāi)路時(shí)，在一定條件下容量自行降低的現(xiàn)象， 這一現(xiàn)象也稱為自放電，對(duì)于二次電池來(lái)說(shuō)，貯存性能也稱為充電保持能力。

以上描述的是單個(gè)電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，而電動(dòng)汽車的電池包一般是將這些電池先并聯(lián)后串聯(lián)，既保證了容量，又提高了電壓。

2 鋰離子儲(chǔ)能動(dòng)力電池的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，鋰會(huì)嵌入到層間結(jié)構(gòu)中，然而由于生長(zhǎng)的不確定性，鋰可能生長(zhǎng)在電極表面，生長(zhǎng)層具有像分支一樣的刺狀結(jié)構(gòu)，會(huì)破壞電池內(nèi)部的隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路和電池爆炸。 這就需要設(shè)計(jì)各種保護(hù)措施，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，才能保障使用的安全性。同時(shí)，由于電池包中有許多控制電路，會(huì)與眾多電子產(chǎn)品一樣會(huì)產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題，特別是在汽車電子化率越來(lái)越高的情況下，這個(gè)問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，是另一種“安全”問(wèn)題。 以電動(dòng)車使用的鋰離子儲(chǔ)能動(dòng)力電池（電池包）為例，其技術(shù)指標(biāo)至少應(yīng)包括機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)、氣候環(huán)境試驗(yàn)、保護(hù)功能試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等方面的要求。

2.1 機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)要求

汽車在行駛過(guò)程中可能會(huì)遇到下列情況，從而設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)要求。

2.1.1 振動(dòng)試驗(yàn)

因?yàn)槁窙r的原因而受到不具備規(guī)律性的、各個(gè)方向的顛簸，電池包作為汽車的部件，也會(huì)受到同樣的顛簸。如圖2 所示，設(shè)計(jì)X、Y、Z 三方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，模擬受到各個(gè)方向顛簸的情形。

圖2 典型的電池包振動(dòng)測(cè)試條件Figure 2 Typical battery pack vibration test conditions

2.1.2 沖擊和碰撞試驗(yàn)

汽車行駛難免會(huì)發(fā)生交通事故， 一旦發(fā)生，汽車會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方向的沖擊和碰撞，這些力同樣會(huì)傳遞到電池包。 因此，應(yīng)設(shè)計(jì)沖擊和碰撞試驗(yàn)參數(shù)，模擬電池包受到撞擊時(shí)的情形。 如表1 所示為典型的機(jī)械沖擊試驗(yàn)參數(shù)。

表1 典型的機(jī)械沖擊試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Typical mechanical shock test parameters

2.1.3 擠壓試驗(yàn)

電池包在汽車內(nèi)，在狹小的空間內(nèi)，可能會(huì)受到擠壓而變形，從而改變?cè)鹊慕Y(jié)構(gòu)，有可能產(chǎn)生起火或爆炸。 設(shè)計(jì)各種形式的擠壓試驗(yàn)參數(shù)，模擬電池包受到外力作用的擠壓。

2.2 氣候環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)要求

我國(guó)幅員遼闊， 東西南北地勢(shì)、 氣候差異巨大，且汽車本身就是交通工具，不像空調(diào)那樣在南方使用可以買地域適應(yīng)性產(chǎn)品 （如單冷空調(diào)），因此汽車（包含電池包）必須滿足各種地域和氣候的使用條件。

2.2.1 濕熱循環(huán)試驗(yàn)

模擬南方地區(qū)的高溫高濕、華東地區(qū)的黃梅雨季。 如圖3 所示是典型的溫濕度循環(huán)參數(shù)。

圖3 典型的溫濕度循環(huán)參數(shù)Figure 3 Typical temperature and humidity cycle parameters

2.2.2 浸水試驗(yàn)

模擬臺(tái)風(fēng)暴雨、內(nèi)澇等狀況的發(fā)生。

2.2.3 溫度沖擊試驗(yàn)

在北方的冬天，汽車會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)從室內(nèi)駛出室外，進(jìn)入-50℃的冰天雪地；在海南的夏天，汽車也會(huì)從室外60℃暴曬直接進(jìn)入了有空調(diào)的地庫(kù)，這些都給汽車（電池包）帶來(lái)了溫度沖擊，短時(shí)間巨大的溫差會(huì)給電池包帶來(lái)性能變化和安全隱患。

2.2.4 鹽霧試驗(yàn)

汽車行駛在海邊，在承受海風(fēng)的同時(shí)，還在承受海風(fēng)中夾帶的鹽霧， 而鹽霧又有強(qiáng)烈的腐蝕性，如果沒(méi)有采取對(duì)應(yīng)措施，隨著腐蝕的滲透，產(chǎn)品的安全性和性能將大大降低。

2.2.5 高海拔試驗(yàn)

也稱之為真空試驗(yàn)，即模擬汽車在我國(guó)西部地區(qū)如云南、 西藏等高海拔地區(qū)行駛遇到的真空問(wèn)題。 電池中有電解液，汽車從低海拔駛?cè)敫吆０蔚貐^(qū)時(shí)，內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生壓力差，會(huì)“膨脹”，如果設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)產(chǎn)生“鼓包”、“滲漏”乃至“炸裂”等極其嚴(yán)重的問(wèn)題。 在我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，汽車動(dòng)力電池包至少要適應(yīng)4000 米海拔的高度帶來(lái)的真空環(huán)境。

2.2.6 熱穩(wěn)定試驗(yàn)

汽車行駛因碰撞、事故等，有可能會(huì)引起著火，引起電池包在高溫下灼燒。此時(shí)作為儲(chǔ)能的電池包是不允許出現(xiàn)爆炸而導(dǎo)致司乘人員受到二次傷害。因此，設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，正是為了杜絕這樣的災(zāi)難發(fā)生。 如圖4 所示是典型的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)示意圖。

圖4 典型的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)示意圖

2.3 保護(hù)功能試驗(yàn)技術(shù)要求

電池包作為一個(gè)儲(chǔ)能電子產(chǎn)品，因受到各種使用環(huán)境、部件故障、負(fù)載異常等情況，如果沒(méi)有保護(hù)控制裝置，將會(huì)難以預(yù)防各種安全問(wèn)題，如泄漏、外殼破裂、起火、爆炸，或者觸發(fā)異常終止。 這些保護(hù)控制裝置至少包括過(guò)溫保護(hù)試驗(yàn)、 過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)、外部短路保護(hù)試驗(yàn)、過(guò)充電保護(hù)試驗(yàn)、過(guò)放電保護(hù)試驗(yàn)等。

2.4 電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)要求

一輛純電動(dòng)汽車，除了玻璃、輪胎、座椅、內(nèi)飾件外，剩余的全是電子產(chǎn)品。 隨著汽車電子化率越來(lái)越高，汽車已經(jīng)成為名副其實(shí)的電子產(chǎn)品，其電磁兼容性已經(jīng)不可忽視，并已成為能否安全駕駛的一個(gè)重要因素，如車與車之間的電磁干擾、高壓線干擾、汽車電機(jī)電控帶來(lái)的干擾等。 電池包作為有諸多保護(hù)控制電路的產(chǎn)品，同樣要重視其電磁兼容指標(biāo)。

2.4.1 輻射發(fā)射試驗(yàn)

電池包工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生空間輻射干擾，作為電子產(chǎn)品，這一干擾不可避免，但如果這一干擾超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)干擾其他電子產(chǎn)品的正常工作。 輻射發(fā)射試驗(yàn)的目的是檢測(cè)電池包通過(guò)空間方式發(fā)射騷擾的大小，模擬同一空間內(nèi)的其他零部件接收產(chǎn)品空間騷擾，控制產(chǎn)品騷擾不能超過(guò)一定的限值，不能影響到同一空間內(nèi)其他零部件的功能狀態(tài)。

2.4.2 傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)

一是電壓法試驗(yàn)，目的是檢測(cè)電池包電源線上產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射騷擾的大小，模擬實(shí)車上并聯(lián)使用同一電源的其他零部件接收到產(chǎn)品在電源線上的傳導(dǎo)騷擾，控制產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾不能超過(guò)一定的限值和不能影響到其他零部件的功能狀態(tài)。

二是電流法試驗(yàn)， 目的是檢測(cè)電池包線束對(duì)于大電流耦合情況下的抗干擾能力大小， 模擬實(shí)車情況下產(chǎn)品線束被附近其他大電流零部件的線束各種耦合干擾，控制產(chǎn)品對(duì)于大電流耦合干擾抗擾能力的大小，確保產(chǎn)品在實(shí)車情況下可以正常工作。

2.4.3 輻射抗擾度試驗(yàn)

目的是檢測(cè)電池包的空間抗干擾能力（電場(chǎng)），模擬實(shí)車或者特定環(huán)境中的被各種場(chǎng)強(qiáng)干擾，控制產(chǎn)品抗場(chǎng)強(qiáng)干擾能力的大小，確保產(chǎn)品在實(shí)車或者特殊環(huán)境下可以正常工作。

2.4.4 靜電放電抗擾度試驗(yàn)

目的是檢測(cè)電池包在各種靜電強(qiáng)度影響下的靜電抗擾能力，模擬產(chǎn)品在搬運(yùn)、安裝、調(diào)試及實(shí)車情況下正常使用時(shí)的觸碰導(dǎo)致的各種靜電干擾，控制產(chǎn)品的靜電抗擾能力，確保電池包可以在各種情況下正常工作。

2.4.5 瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)

目的是檢測(cè)電池包在電源線上的瞬態(tài)電壓變化，模擬實(shí)車時(shí)電池包的瞬間開(kāi)啟和關(guān)閉等操作時(shí)引起的電源線上的電壓瞬間較大變化，控制瞬態(tài)電壓變化不能超過(guò)一定的限值，不能影響到實(shí)車其他零部件的正常功能。

2.4.6 大電流注入試驗(yàn)

目的是檢測(cè)電池包線束對(duì)于大電流耦合情況下的抗干擾能力大小，模擬實(shí)車情況下電池包線束被附近其他大電流零部件的線束各種耦合干擾，控制電池包對(duì)于大電流耦合干擾抗擾能力的大小，確保電池包在實(shí)車情況下可以正常工作。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是汽車還是電動(dòng)自行車， 頻頻發(fā)生的燃燒、爆炸事故，已經(jīng)使得電池包的安全問(wèn)題備受關(guān)注。充分了解電池的特性、使用場(chǎng)景，以設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的技術(shù)指標(biāo)要求，通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，是未來(lái)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。