龔明光

摘 要：隨著2019年新國標(biāo)的實(shí)施，輕量化成為電動兩輪車新國標(biāo)時(shí)代的大勢，在相同的體積下，鋰離子的容量和能量均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鉛酸電池，并且隨著鋰離子產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；?，瓦時(shí)單價(jià)也在不斷降低，質(zhì)量更輕的鋰離子電池成為兩輪電動車的更優(yōu)選擇。在鋰離子電池快速發(fā)展的同時(shí)，因電池生產(chǎn)廠家質(zhì)量良莠不齊、電池組未執(zhí)行強(qiáng)制檢驗(yàn)、用戶使用不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌碾姵仄鸹?、爆炸安全事故頻發(fā)。本文旨在對現(xiàn)有兩輪車用鋰離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，研究標(biāo)準(zhǔn)中鋰離子電池組檢驗(yàn)項(xiàng)目的異同點(diǎn)，以及標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中的問題。

關(guān)鍵詞：兩輪車 鋰離子電池 標(biāo)準(zhǔn)

1 引言

目前國內(nèi)有關(guān)電動兩輪用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)主要為QB/T2947.3-2008[1]、GB/T 36972-2018[2]以及GB/T 36672-2018[3]，國際上主要是ISO 18243-2017[4]的標(biāo)準(zhǔn)。其中QB/T2947.3-2008、GB/T 36972-2018的測試對象電動自行車電池組，GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017試驗(yàn)對象為電輕摩和電動摩托車電池系統(tǒng)。試驗(yàn)項(xiàng)目主要分為電性能、機(jī)械安全、環(huán)境安全以及電安全四個(gè)維度，表1列出了這四部標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電池及電池組檢測的主要檢測項(xiàng)目。

1.1 電性能

1.1.1 室溫放電容量

四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在室溫放電性能的環(huán)境溫度要求和放電倍率不完全相同，QB/T2947.3-2008常溫放電的環(huán)境溫度為15～35℃，放電倍率為0.1C，試驗(yàn)可以重復(fù)5次，放電容量不低于額定容量的100%。此外還有0.5C放電測試，容量要求不低于額定值的90%。GB/T 36972-2018常溫放電的環(huán)境溫度要求試23±2℃，放電倍率為0.5C，重復(fù)3次，3次測試結(jié)果的平均值為室溫放電初始容量，電池組放電容量應(yīng)在第三次或之前達(dá)到額定容量，此外還增加1C放電倍率的測試要求，要求不低于初始容量的95%。GB/T 366772-2018室溫放電的環(huán)境溫度為25±2℃，放電倍率為1C，可以重復(fù)5次，當(dāng)連續(xù)3次試驗(yàn)結(jié)果的極差小于額定容量的3%，可提前結(jié)束試驗(yàn)，取最后3次試驗(yàn)結(jié)果平均值。放電容量不低于額定容量且不超過額定容量的110%，與GB/T 31486-2015中的要求保持一致[5]。ISO 18243-2017常溫放電容量的環(huán)境溫度同樣為25±2℃，放電倍率為C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規(guī)定）。

1.1.2 低溫放電容量

四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在低溫放電性能的環(huán)境溫度要求和放電倍率不完全相同QB/T2947.3-2008低溫放電溫度為-10℃，放電倍率僅為0.1C，要求放電不低于額定值的75%。GB/T 36972-2018低溫放電的環(huán)境溫度為-20℃，放電倍率提高到1C，要求放電容量不低于初始容量的70%。GB/T 36672-2018電池組對低溫放電沒有規(guī)定，但其規(guī)定了模組的低溫放電要求，且和GB/T 31486-2015保持一致，放電溫度同樣為-20℃，放電為1C，放電容量不低于初始容量的70%. ISO 18243-2017對低溫放電的溫度點(diǎn)則最高提高至2個(gè)，即0℃和Tmin（≤-10℃），而放電倍率為C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規(guī)定）。ISO 18243-2017不僅考慮了溫度，還考慮了放電倍率，是四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對低溫性能規(guī)定最為全面的。

1.1.3 高溫放電容量

和低溫放電容量類似，四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在低溫放電性能的環(huán)境溫度要求和放電倍率不完全相同QB/T2947.3-2008高溫放電溫度為40℃，放電倍率僅為0.1C，要求放電不低于額定值的95%。GB/T 36972-2018高溫放電的環(huán)境溫度為55℃，放電倍率為1C，要求放電容量不低于初始容量的90%。GB/T 36672-2018對模組的高溫放電容量溫度以及放電倍率和GB/T 36972-2018保持一致，放電容量要求不低于初始容量的90%. ISO 18243-2017對高溫放電的溫度定義和QB/T2947.3-2008一致，都是40℃，所不同的是放電倍率有C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規(guī)定）四種。

1.1.4 荷電容量保持與恢復(fù)能力

儲存性能測試一般包含室溫和高溫儲存兩種模式，SOC一般為滿電態(tài)和半電態(tài)。其中QB/T2947.3-2008僅規(guī)定了常溫荷電保持能力，無荷電恢復(fù)能力及滿電態(tài)的電池組擱置30天后以0.1C放電獲得的容量，其與額定值的百分比記為荷電保持能力，要求不低于80%。GB/T 36972-2018有兩種儲存模式，一種是20±5℃儲存28天，另外一種是50%SOC儲存90天，其中28天儲存后容量不低于80%，荷電恢復(fù)能力不低于初始容量的90%;90天儲存后荷電恢復(fù)能力不低于85%。GB/T 36672-2018中的荷電保持與容量恢復(fù)能力試驗(yàn)對象為電池模組，要求與GBT31486-2015一致。ISO 18243-2017中儲存分為室溫滿電儲存37天、40℃（或更高溫度）滿電儲存37天以及45℃50%SOC（或更高）三種儲存條件，但對試驗(yàn)結(jié)果僅要求記錄，并無明確的數(shù)值符合性判定。

1.1.5 循環(huán)壽命

四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對循環(huán)壽命測試的環(huán)境溫度均是在常溫或室溫，其中QB/T2947.3-2008要求循環(huán)500次后，放電容量不低于額定容量的60%（100次后不低于85%），放電倍率0.1C。GB/T 36972-2018對循環(huán)壽命的要求試23±2℃條件下，循環(huán)600次后容量不低于初始容量的60%，放電倍率為0.5C，高于QB/T2947.3-2008的要求。GB/T 36672-2018標(biāo)準(zhǔn)中循環(huán)壽命的測試溫度與前兩部標(biāo)準(zhǔn)略有不同，為25±2℃，循環(huán)容量要求也高于前面兩部標(biāo)準(zhǔn)，要求300次后放電容量不低于90% 或者600次后放電容量不低于80%，并且放電條件也更加嚴(yán)苛，放電倍率提升至1C水平。

1.1.6 功率內(nèi)阻

內(nèi)阻是評估鋰離子電池性能的重要指標(biāo)。目前，鋰離子電池內(nèi)阻測試的方法很多，主要有交流內(nèi)阻[6]、直流內(nèi)阻[7]和電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試[8]等方法。四部標(biāo)準(zhǔn)中僅GB/T 36972-2018和ISO 18243-2017兩部標(biāo)準(zhǔn)局對內(nèi)阻有要求，其中GB/T 36972-2018采用1kHz的交流法測的，其反應(yīng)的主要是電池本身的歐姆電阻，而ISO 18243-2017則規(guī)定了4個(gè)溫度點(diǎn)（40℃、RT、0℃、-10℃），3種SOC（90%、50%、20%）幾種測試個(gè)工況，采用直流法測試0.1～120s放電功率內(nèi)阻以及0.1～20s充電功率內(nèi)阻，其不僅反應(yīng)了電池組本身的歐姆電阻，也考慮了充放電過程中的瞬時(shí)極化內(nèi)阻。有鑒于此，建議GB/T 36672-2018修訂時(shí)應(yīng)考慮加入功率內(nèi)阻測試。

1.2 機(jī)械可靠性

1.2.1 振動測試

四部標(biāo)準(zhǔn)對振動的方向、振動時(shí)間、振幅和頻率有較大差別，其中QB/T2947.3-2008振動方式為定頻振動，規(guī)定試驗(yàn)對象大面方向固定在振動臺，施加振幅2mm，頻率16.7Hz，振動時(shí)間1h，要求試驗(yàn)后外殼不變形，不超過規(guī)定的外形尺寸范圍;試驗(yàn)前后開路電壓不超過±0.2n*V，單不要求試驗(yàn)后進(jìn)行充放電。且電池組不泄漏、不起火和不爆炸。GB/T 36972-2018振動方式為掃頻循環(huán)，頻率10Hz～55Hz，單次循環(huán)時(shí)間90min，振動方向?yàn)閄、Y、Z三個(gè)方向，振動后電池組應(yīng)不泄漏、不起火、不爆炸，放電容量應(yīng)不低于初始容量的95%。GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017兩部標(biāo)準(zhǔn)中振動測試方法基本一致，均參照了《聯(lián)合國危險(xiǎn)物品運(yùn)輸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊》的第3部分38. 3款的振動測試方法，X、Y、Z三個(gè)方向，每個(gè)方向180min，單次掃頻循環(huán)15min，共12個(gè)循環(huán)。振動條件按照樣品質(zhì)量進(jìn)行劃分，12kg以下峰值加速度1g從7Hz到18Hz，保持振幅0.8mm，頻率增加至最大加速度達(dá)到8g，并保持8g掃頻到200Hz，12kg以上以峰值加速度1g從7Hz掃頻至18Hz，然后保持振幅0.8mm，頻率增加直到最大加速達(dá)到2g，保持2g加速度掃頻到200Hz，要求振動后無泄漏、外殼破裂、起火、爆炸等現(xiàn)象，并且絕緣電阻不低于100Ω/V。建議開展符合兩輪車應(yīng)用的振動路譜研究工作，研究符合兩輪車的振動測試工況。

1.2.2 機(jī)械沖擊

四部標(biāo)準(zhǔn)中除QB/T2947.3-2008外，其余三部標(biāo)準(zhǔn)均包含機(jī)械沖擊測試項(xiàng)目，GB/T 36672-2018以及ISO 18243-2017兩部標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械沖擊測試條件基本一致，和振動一樣，同樣是參照UN38.3機(jī)械沖擊方式，機(jī)械沖擊方向?yàn)?個(gè)方向，分別為±X、±Y和±Z，每個(gè)方向沖擊3次，共18次。沖擊波形均為半正弦波，分為150g/6ms和50g/11ms兩種加速度脈寬，要求試驗(yàn)后系統(tǒng)保持連接可靠、結(jié)構(gòu)完好，系統(tǒng)的最小監(jiān)控單元無電壓銳變，系統(tǒng)無泄漏、外殼破裂、著火、爆炸等現(xiàn)象，試驗(yàn)后絕緣電阻值不小于100Ω/V。GB/T 36972-2018規(guī)定在電池組三個(gè)互相垂直的方向上各承受三次等值的沖擊，至少要保證一個(gè)方向與水平面垂直，要求試驗(yàn)后不起火、不爆炸、不泄漏。

1.3 環(huán)境可靠性

1.3.1 溫度沖擊

四部標(biāo)準(zhǔn)中均對溫度沖擊有相應(yīng)的測試規(guī)定，對樣品的要求均為滿電態(tài)，在溫度、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間以及時(shí)間有所不同，QB/T2947.3-2008溫度沖擊試驗(yàn)溫度范圍-40℃～85℃，試驗(yàn)從低溫開始，每個(gè)溫度下保持1h，循環(huán)32次。GB/T 36972-2018溫度沖擊高低溫以及溫度速率均低于QB/T2947.3-2008，為72℃～20℃～-20℃～20℃，且試驗(yàn)從高溫開始，其中72℃和-20℃每個(gè)溫度點(diǎn)保持4h，20℃保持2h，試驗(yàn)結(jié)束后還需要在20℃±5℃的環(huán)境中觀察7天。GB/T 36672-2018溫度沖擊則是引用了GBT31467.3-2015[9]的標(biāo)準(zhǔn)，溫度范圍-40～85℃，每個(gè)溫度保持8h，共5次循環(huán)，ISO 18243-2017溫度循環(huán)的測試方法和要求與GB/T 36672-2018類似，不同的是初始SOC降至80%，最高溫度為85℃或企業(yè)規(guī)定的最高溫度（不低于60℃），高低溫轉(zhuǎn)換溫度需要在30min內(nèi)，每個(gè)溫度點(diǎn)最小保持1h，共進(jìn)行5次循環(huán)。

1.3.2 濕熱循環(huán)

濕熱循環(huán)測試主要分為恒溫恒濕和交變溫度濕熱兩種。GB/T 36972-2018沒有該項(xiàng)測試，其余三部標(biāo)準(zhǔn)測試項(xiàng)目中均包含該測試項(xiàng)目，其中QB/T2947.3-2008采用恒溫恒濕的測試方法，要求溫度40℃，濕度90%～95%條件下保持48h。其余兩部標(biāo)準(zhǔn)均采用交變濕熱的測試方法，溫度范圍25～80℃，濕度范圍55%～95%，每個(gè)循環(huán)5h，共5個(gè)循環(huán)。

1.3.3 低氣壓

GB/T 36972-2018對低氣壓要求最為嚴(yán)苛，氣壓為11.6kPa（模擬海拔15420m高度），而GB/T 36672-2018規(guī)定的氣壓值為61.2kPa，對應(yīng)的是4000m的海拔高度，顯然前者側(cè)重于是運(yùn)輸中的要求，而GB/T36672-2018更偏向于實(shí)際應(yīng)用的海拔要求。而另外兩部標(biāo)準(zhǔn)未涉及到低氣壓的測試項(xiàng)目。結(jié)合試驗(yàn)對象、運(yùn)輸條件、應(yīng)用場景，11.6kPa比較符合兩輪車電池組實(shí)際運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

1.3.4 防護(hù)測試

防護(hù)測試包含防塵防水等級測試，一般參照GB4208-2017[10]中的相關(guān)測試方法和要求。QB/T2947.3-2008要求浸水深度為浸沒，且持續(xù)24h，要求不泄漏、不冒煙、不起火或不爆炸，GB/T 36972-2018除水溫要求為20±5℃，其余測試條件和QB/T2947.3-2008保持一致。要求不泄漏、不破裂、不起火或不爆炸。

1.4 安全測試

安全測試包含機(jī)械濫用、電濫用等幾個(gè)方面。其中機(jī)械濫用安全主要包含擠壓、針刺、跌落等試驗(yàn)項(xiàng)目，電濫用主要考察電池組BMS的保護(hù)功能，如過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)以及過流保護(hù)等。

1.4.1 擠壓

擠壓主要目的是考察電池組在收到外部機(jī)械力作用下，電池組外殼以及內(nèi)部電芯以及連接部件的狀態(tài)。QB/T2947.3-2008未對電池組擠壓有要求，只規(guī)定了組成電池組的單體電池應(yīng)進(jìn)行橫向和縱向擠壓，擠壓程度為單體電池變形1mm～3mm，GB/T 36972-2018則個(gè)則規(guī)定電池組應(yīng)收到30kN或者形變量達(dá)到30%，并保持5min。要求擠壓方向是單體電池排列方向和擠壓頭垂直。另外兩部標(biāo)準(zhǔn)液未對電池組有擠壓的要求，不同的是GBT36672-2018中有對模組擠壓的要求，滿足GBT31485-2015中對模組擠壓的要求，從實(shí)際應(yīng)用的角度，兩輪車的行駛速度遠(yuǎn)低于電動汽車，且新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)GB38031-2020已取消模組的安全測試要求，并且對電池包的擠壓力要求由之前的200kN降低至100kN?？v觀這四部標(biāo)準(zhǔn)，GB/T36972-2018對擠壓的要求更加符合實(shí)際的應(yīng)用要求。

1.4.2 機(jī)械沖擊

除QB/T2947.3-2008外，其余三部標(biāo)準(zhǔn)對電池組均有機(jī)械沖擊測試項(xiàng)目，其中GB/T36972-2018要求電池組在三個(gè)互相垂直的方向各承受三次沖擊，并且至少要保證一個(gè)沖擊方向與水平面垂直，沖擊加速度150g，脈寬6ms。GBT36672-2018和ISO 18243-2017的機(jī)械沖擊測試參數(shù)基本一致，機(jī)械沖擊方向均為±X、±Y、±Z六個(gè)方向，每個(gè)方向沖擊次數(shù)3次。按照電池組質(zhì)量劃分成兩組，不超過12kg的電池組沖擊參數(shù)為150g、6ms，超過12kg的電池組沖擊參數(shù)為50g、11ms。

1.4.3 跌落

跌落測試模擬了電池在運(yùn)輸過程及用戶異常使用遭遇跌落后電池組的安全性能。四部標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了跌落的測試要求，均為自由跌落，但是跌落的方向、高度、地面的要求有所不同。QB/T2947.3-2008跌落高度700mm，跌落方向±X、±Y、±Z，每個(gè)方向1次，跌落地面要求試20mm厚的硬木板臺面。而GB/T 36972-2018對跌落的高度提高至1000mm，跌落方向X、Y、Z，每個(gè)方向1次。GB/T 36672-2018則參考了GB/T31467.3-2015[9]的要求，跌落高度為1000mm，方向僅為Z方向，跌落次數(shù)僅為1次，跌落臺面要求為水泥地面。ISO 18243-2017對跌落的情況分為兩種情況，其中一種是1000mm自由跌落至水泥地面，每個(gè)方向一次，另外一種測試條件是最可能出現(xiàn)跌落的方向，需要跌落3次。

1.4.4 海水浸泡

海水浸泡項(xiàng)目的測試目的是評價(jià)電池組浸泡在海水中總正負(fù)極端子短路或者殼體密封失效，電芯正負(fù)極端子短路引起的電安全。僅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含該項(xiàng)測試，測試方法基本相同，均是5%NaCl浸泡2h，要求不起火，不爆炸。

1.4.5 外部火燒

GBT36972-2018針對非金屬殼體要求其阻燃性滿足GB/T5169. 16—2017要求，但對電池組有外部火燒的要求。僅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含該項(xiàng)測試，兩部標(biāo)準(zhǔn)中對外部火燒的測試方法基本一致，但要求略有不同，前者要求電池組無爆炸現(xiàn)象，若有火苗應(yīng)在火源移后2min內(nèi)熄滅，ISO 18243-2017則僅要求無爆炸現(xiàn)象，兩輪車電池組一般使用金屬和非金屬兩種材料，阻燃材料經(jīng)過能夠起到一定的阻燃作用，但是一旦著火在也很難滿足2min熄滅的要求，就應(yīng)用來說，除無爆炸的要求外，應(yīng)增加著火報(bào)警的功能。

1.4.6 電濫用安全

電濫用安全包含不帶保護(hù)的電濫用以及電氣保護(hù)測試，GB/T36972-2018包含了不帶保護(hù)的電濫用完全測試，但是隨著目前鋰離子電池比能量密度的不斷提升，其中有些測試項(xiàng)目需要商榷再評估，如過充電的條件要求5V*n持續(xù)24h，就系統(tǒng)而言應(yīng)該更加注重系統(tǒng)的電氣保護(hù)測試，其主要評價(jià)電池組BMS的保護(hù)功能，主要包含過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)及過溫保護(hù)等。這些測試項(xiàng)目的目的都是評價(jià)在電池組電濫用條件下，BMS能夠起到保護(hù)作用。在具體測試條件上，主要有充放電電流、時(shí)間的差異等，此外在短路保護(hù)測試時(shí)，外部電阻主要有80±20mΩ以及5mΩ以下兩種條件。除了BMS這些保護(hù)功能外，還應(yīng)增加低溫保護(hù)、反極保護(hù)能一些貼近實(shí)際應(yīng)用場景的評價(jià)項(xiàng)目。

2 結(jié)論

四部標(biāo)準(zhǔn)盡管都是兩輪車用鋰離子標(biāo)準(zhǔn)，但是QB/T2947.3-2008和GB/T36972-2018主要面向電動自行車，而GBT36672-2018和ISO 18243-2017主要面向電輕摩和電動摩托車，四部標(biāo)準(zhǔn)在測試項(xiàng)目設(shè)置上總體比較一致，但是在具體的測試條件仍存，在不少差異性。其中GBT36972-2018覆蓋的測試項(xiàng)目最廣，但是其中不帶BMS保護(hù)測試的一些評價(jià)項(xiàng)目可能過于嚴(yán)苛，兩輪車用鋰離子標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該更加符合電池使用場景的實(shí)際情況，如應(yīng)該更加關(guān)注機(jī)械可靠性測試后的浸水安全以及BMS電氣保護(hù)功能的可靠性等一些評價(jià)項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

[1]QB/T2947.3-2008，電動自行車用蓄電池及充電器 第3部分：鋰離子蓄電池及充電器[S].

[2]GB/T 36972-2018，電動自行車用鋰離子蓄電池[S].

[3]GB/T 36672-2018，電動摩托車和電動輕便摩托車用鋰離子電池[S].

[4]ISO 18243-2017，Electrically propelled mopeds and motorcycles — Test specifications and safety requirements for lithium-ion battery systems[S].

[5]GB/T 31486-2015， 電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法[S].

[6]陳穎平. 直流內(nèi)阻測試法在蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 云南電業(yè)，2003，9（2）：36-39.

[7]李芳培，毛建國，沈峘，et al. 基于交流阻抗法的蓄電池內(nèi)阻測量[J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23（9）：23-29.

[8]AURBACH D，MARKOVSKY B，WEISSMAN I，et al. On the correlation

between surface chemistry and performance of graphite negative electrodes for Li ion batteries[J]. Electrochim Acta， 1999， 45（1）：67-86.

[9]GB/T 31467.3-2015， 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[S].

[10]GB/T 4208-2017，外殼防護(hù)等級（IP代碼）[S].