楊進峰

廣東工程職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510520

0 引言

2014年5月24日上午，習近平在上海汽車集團考察時強調(diào)，汽車行業(yè)是市場很大、技術(shù)含量和管理精細化程度很高的行業(yè)，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，要加大研發(fā)力度，認真研究市場，用好用活政策，開發(fā)適應各種需求的產(chǎn)品，使之成為一個強勁的增長點。新能源汽車技術(shù)研發(fā)能不能占領(lǐng)制高點，已經(jīng)成為當今世界汽車行業(yè)競爭的焦點。

動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件，其性能直接影響整車動力系統(tǒng)性能。另外，消費者對于新能源汽車動力性能、可靠性能、環(huán)境適應性能和安全性能等要求也越來越高。因此，全方位地測試評價動力電池系統(tǒng)的能力，提供安全可靠的動力電池系統(tǒng)在新能源汽車開發(fā)的過程中尤為重要[1]。

1 新能源汽車動力電池系統(tǒng)組成和功能

新能源動力電池系統(tǒng)包含由電池單體（SC）組成的電池模塊、電池包（BP）、電池管理模塊（BCM）、熱管理裝置、監(jiān)測電芯電壓、溫度和均衡電芯的電池管理單元（BMU）、高壓電路、低壓電路、絕緣檢測模塊、保險絲、繼電器和連接線纜等元器件。典型的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含集成電池控制單元的電池系統(tǒng)

新一代動力電池主要包括新一代鋰離子電池、燃料電池、鋰硫電池以及金屬-空氣電池。其中，新一代鋰離子電池在眾多新能源汽車車型上已實現(xiàn)商業(yè)化應用；燃料電池汽車雖然具有一定的應用領(lǐng)域和良好的應用前景，但是短期內(nèi)難以解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸制約其商業(yè)化推廣；鋰硫電池與金屬-空氣電池尚處于實驗室研究階段，實際應用為時尚早[2]。隨著鋰離子電池的大量推廣使用，因鋰離子電池引發(fā)的新能源汽車事故也越來越多。高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）根據(jù)公開報道不完全統(tǒng)計得出，2020年上半年國內(nèi)共發(fā)生電動汽車起火事故20起，具體統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

新能源汽車產(chǎn)品車輛使用狀態(tài)可以分為普通行駛、正常停放、碰撞、水侵和充電5種。其中，風險較高且頻繁出現(xiàn)的為充電狀態(tài)。新能源車輛在充電過程中，出現(xiàn)事故的主要原因是充電濫用行為，包括電池過充和使用不符合要求的充電設備進行操作兩個方面，過充會導致電芯損傷甚至徹底失效，而電芯的失效可能會導致電池包整體密封失效直至機械結(jié)構(gòu)的破壞，同時可能會造成電芯模組間的短路、發(fā)熱、熱失控直至燃燒，最終導致動力電池起火[3]。由表1可知，三元鋰離子電池引起的新能源汽車自燃仍是新能源汽車發(fā)生起火事故的首要原因。

表1 2020年上半年我國電動汽車起火事故統(tǒng)計

2 新能源汽車動力電池新國標

頻繁的新能源汽車燃燒事故，關(guān)于鋰離子電池安全性能檢測和試驗方法再次成為廣大新能源汽車用戶關(guān)注的焦點。我國早在2015年，由國家市場監(jiān)督管理總局（國家標準化管理委員會）發(fā)布了《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》（GB/T 31484—2015）、《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》（GB/T 31485—2015）、《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》（GB/T 31486—2015）、《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第1部分：高功率應用測試規(guī)程》（GB/T 31467.1—2015）、《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分：高能量應用測試規(guī)程》（GB/T 31467.2—2015）、《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性要求與測試方法》（GB/T 31467.3—2015）等一系列國家標準，對電動汽車電池安全，特別是鋰離子動力電池的性能要求和試驗檢測進行了嚴格的規(guī)定，而在2020年5月國家市場監(jiān)督管理總局（國家標準化管理委員會）發(fā)布了第11號國家標準公告，包括《電動汽車安全要求》（GB 18384—2020）、《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）等。2020年9月又再次發(fā)布了《電動汽車用電池管理系統(tǒng)功能安全要求及試驗方法》（GB/T 39086—2020）。這些新標準由中華人民共和國工業(yè)和信息化部提出，參與起草單位包括電池巨頭如寧德時代新能源科技股份有限公司等多家動力電池生產(chǎn)廠商，研究中心包括中國汽車技術(shù)研究中心有限公司、中國電子科技集團公司第十八研究所，以及整車廠如比亞迪、上汽集團、一汽集團、廣汽集團等共計33個單位和部門，分別從電池單體、電池包或系統(tǒng)等方面制定了動力電池的安全性及可靠性標準，最終形成了比較科學、合理的動力電池標準法規(guī)體系。

《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）代替2015年版《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》（GB/T 31485—2015）及《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性要求與測試方法》（GB/T 31467.3—2015），在電池單體模塊方面，修改了電池單體過放電的安全要求、電池單體過充電的試驗方法、電池單體擠壓的試驗方法3個方面，刪除了電池單體跌落的安全要求和試驗方法、電池單體針刺的安全要求和試驗方法、電池單體海水浸泡的安全要求和試驗方法、電池單體低氣壓的安全要求和試驗方法、電池模塊的安全要求和試驗方法5個方面。在電池包或系統(tǒng)方面，共修改了電池包或系統(tǒng)振動的安全要求和試驗方法等14個方面，刪除了包括電池包或系統(tǒng)電子裝置振動的安全要求和試驗方法等3個方面，增加了包括電池包或系統(tǒng)熱擴散安全要求和試驗方法、電池包或系統(tǒng)過流保護的安全要求和試驗方法2個方面的內(nèi)容。

3 新標準下動力電池單體試驗方法及要求

電池單體的安全要求就是不起火、不爆炸，不涉及生產(chǎn)、運輸、維護和回收安全，也不涉及性能和功能特性[4]。鋰離子電池在遭遇機械濫用、電濫用、熱濫用時極易發(fā)展成熱失控，對其安全性產(chǎn)生極大威脅[5]。因此，新標準《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）對電池單體設計了6個試驗，分別是過放電、過充電、外部短路、加熱、溫度循環(huán)、擠壓。電池單體在進行試驗前都需要進行標準充電和預處理。標準充電即電池單體先以制造商規(guī)定且不小于1I3[I3為3 h率放電電流（A），其數(shù)值等于額定容量值的1/3]的電流放電至制造商技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓，擱置1 h（或制造商提供的不大于1 h的擱置時間），然后按制造商提供的充電方法進行充電，充電后擱置1 h（或制造商提供的不大于1 h的擱置時間）。若制造商未提供充電方法，則由檢測機構(gòu)和制造商協(xié)商確定合適的充電方法，或依據(jù)以下方法充電：以制造商規(guī)定且不小于1I3的電流恒流充電至電池單體達制造商技術(shù)條件中規(guī)定的充電終止電壓時轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05I1[I1為1 h率放電電流（A），其數(shù)值等于額定容量值]時停止充電，充電后擱置1 h（或制造商提供的不大于1 h的擱置時間）。預處理即正式測試開始前，電池單體需要先進行預處理循環(huán)，以確保試驗對象的性能處于激活和穩(wěn)定的狀態(tài)。動力電池單體試驗主要方法如下。

3.1 過放電

（1）試驗過程：將試驗樣品電池單體先進行標準充電，以1I1的電流即額定容量值大小的放電電流放電90 min。完成以上試驗步驟后，在試驗環(huán)境溫度下觀察1 h后結(jié)束試驗。

（2）試驗要求：試驗過程中電池不爆炸、不起火。

（3）試驗目的：電濫用下的測試。

3.2 過充電

（1）試驗過程：將試驗樣品電池單體先進行標準充電，以制造商規(guī)定且不小于1I3的電流即額定容量值的1/3大小的恒定電流充電至制造商規(guī)定的充電終止電壓的1.1倍或115%荷電狀態(tài)（SOC）后，停止充電。完成以上試驗步驟后，在試驗環(huán)境溫度下觀察1 h后結(jié)束試驗。（2）試驗要求：試驗過程中電池不爆炸、不起火。（3）試驗目的：電濫用下的測試。

3.3 外部短路

（1）試驗過程：將試驗樣品電池單體先進行標準充電，再將正極端子和負極端子經(jīng)外部導線短路10 min。注意，外部線路電阻應小于5 mΩ。完成以上試驗步驟后，在試驗環(huán)境溫度下觀察1 h后結(jié)束試驗。（2）試驗要求：試驗過程中電池不爆炸、不起火。（3）試驗目的：電濫用下的測試。

3.4 加熱

（1）試驗過程：將試驗樣品電池單體先進行標準充電，穩(wěn)定1 h后將試驗對象放入溫度箱，按下面的步驟加熱。

3.5 溫度循環(huán)

（1）試驗過程：將試驗樣品電池單體先進行標準充電，放入溫度箱中，溫度箱溫度設置循環(huán)范圍為-40～85 ℃。溫度循環(huán)試驗一個循環(huán)的溫度和時間如表2所示，溫度循環(huán)試驗示意圖如圖2所示。各個溫度點保持時間、升溫速率等按照表2、圖2進行調(diào)節(jié)，循環(huán)次數(shù)為5次，每個循環(huán)8 h。完成以上試驗步驟后，在試驗環(huán)境溫度下觀察1 h后結(jié)束試驗。

表2 溫度循環(huán)試驗一個循環(huán)的溫度和時間

（2）試驗要求：試驗過程中電池不爆炸、不起火。

（3）試驗目的：熱濫用下的測試。

3.6 擠壓

（1）試驗過程：將試驗樣品電池單體先進行標準充電，按下列條件進行試驗。①擠壓方向垂直于電池單體極板方向施壓，或與電池單體在整車布局上最容易受到擠壓的方向相同。②擠壓板形式為半圓柱體（半徑為75 mm），半圓柱體的長度L大于被擠壓電池單體的尺寸，擠壓板形式示意圖如圖3所示。③擠壓速度不大于2 mm/s。④電壓達到0 V或變形量達到15%或擠壓力達到100 kN或1 000倍試驗對象重量后停止擠壓。⑤保持10 min。完成以上試驗步驟后，在試驗環(huán)境溫度下觀察1 h后結(jié)束試驗。

圖3 擠壓板形式示意圖

（2）試驗要求：無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現(xiàn)象。

（3）試驗目的：機械濫用下的測試。

4 結(jié)束語

對比舊國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》（GB/T 31485—2015）和新國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）的具體試驗方法和要求，新國標在試驗方法方面進行了較大的修改。舊國標中單體電池的檢測與試驗多是在理想狀態(tài)下進行的，對實際應用過程中的復雜性涉及較少，電池長期使用的損耗問題也未涉及[6]。新國標中試驗準備階段強調(diào)了電池單體的預處理，確保電池試驗樣品性能處于激活或穩(wěn)定狀態(tài)。同時，對電池單體和電池包或系統(tǒng)的試驗方法也進行了優(yōu)化，對電池單體試驗項目進行了刪減，而對電池包或系統(tǒng)試驗方法有增有減，也有修改，這種調(diào)整優(yōu)化能更進一步推動動力電池安全性能的提升。

新能源汽車動力電池單體、電池包或系統(tǒng)的安全性與電池選用的材料、電池的設計以及電池的使用有關(guān)。電池的使用不僅包括正常使用、可以預料的誤用和故障條件下的使用，還包括牽涉安全的環(huán)境條件，比如溫度、海拔等影響因素。新能源汽車動力電池的檢測，應在盡可能接近實際情況環(huán)境下進行溫度、高壓和衰減能力的檢測，從單體電池到電池模組和整個電池包，在實訓室和具體實際環(huán)境下進行多方面的測試，才能更加有效真實地反映動力電池的真實性能，保障其使用安全和工作可靠性。我國需要制定更加完善、嚴格的動力電池檢測標準，設計更加科學的動力電池檢測方法。文章對現(xiàn)有新國標中動力電池安全的試驗方法及要求進行了對比和分析，為新能源汽車動力電池安全檢測評價方法的建立提供了參考，促進了我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。