于小芳，周怡，王帥

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，國家智能電網(wǎng)分布式電源裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海 201114）

引言

近年來，電動自行車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[1]，蓄電池作為電動自行車的動力能源，是影響電動自行車性能的關(guān)鍵部件，也是制約電動自行車行業(yè)發(fā)展的重要因素。

鋰電池因其比能量高、循環(huán)壽命長、適應(yīng)溫度范圍寬、自放電率低、單體電壓高、無記憶效應(yīng)、儲存期長等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代動力電池的代表，相比于鉛酸電池，鋰電池在電動自行車中使用的占有率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢，與此同時(shí)其質(zhì)量安全問題也被社會和行業(yè)所廣泛關(guān)注[2]。電動自行車用鋰電池放電容量是每年國家或地方監(jiān)督抽查中重要的抽檢項(xiàng)目，該項(xiàng)目存在不合格大部分是實(shí)測容量低于標(biāo)稱容量，即產(chǎn)品存在容量虛標(biāo)的現(xiàn)象，此項(xiàng)目不合格容易造成用戶在日常使用電動自行車時(shí)續(xù)航里程縮短。

目前，電動自行車用鋰電池檢測標(biāo)準(zhǔn)為國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》[3]，其中檢測項(xiàng)目I2（A）放電、2I2（A）放電、低溫放電、高溫放電、荷電保持能力與荷電恢復(fù)能力、長期貯存后荷電恢復(fù)能力及循環(huán)壽命等測試項(xiàng)目中，均需通過放電容量的數(shù)據(jù)作為衡量基礎(chǔ)，因此放電容量是評估電動自行車用鋰電池電性能的重要指標(biāo)。

在電動自行車用鋰電池放電容量檢測工作中，需要將放電容量的檢測結(jié)果與規(guī)定的限定值相比較并做出符合性判定。但是實(shí)際檢測過程中不可避免的產(chǎn)生不確定因素，如果不考慮不確定度評定會帶來評價(jià)和決策的高風(fēng)險(xiǎn)，特別是在放電容量檢測值處于臨界值時(shí)不考慮不確定度的影響，很可能導(dǎo)致完全相反的判定結(jié)論[4,5]。

CNAS-CL01-A003《檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則在電氣檢測領(lǐng)域的應(yīng)用說明》要求針對放電容量測量值處于判定邊界值的情況，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)進(jìn)行不確定度計(jì)算[6]。本文分析檢測過程中可能因設(shè)備、電流、時(shí)間等產(chǎn)生的不確定度因素，建立電動自行車用鋰電池放電容量的不確定度評定模型，通過結(jié)合不確定度評定對結(jié)果的符合性進(jìn)行評估，更好地保障檢測結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性。

2 放電容量的測試方法

電動自行車用鋰電池放電容量測試的環(huán)境要求為：試驗(yàn)溫度（23±2）℃，相對濕度不大于85 %，大氣壓力（86～106）kPa。

測試設(shè)備為深圳市新威爾電子有限公司生產(chǎn)的鋰電池組充放電測試，型號：CE-6004n-80V50A，電壓測試范圍：（0～80）V，電流測試范圍：（0～50）A。

選取4批次電動自行車用鋰電池放電容量均處于臨界值的測試數(shù)據(jù)。第1批次額定容量12 Ah，樣品編號a1、a2，第2批次額定容量12 Ah，樣品編號b1、b2，第3批次額定容量24 Ah，樣品編號c1、c2，第4批次額定容量24 Ah，樣品編號d1、d2。

測試方法步驟按照國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》 6.2.1 I2（A）放電進(jìn)行測試，具體測試步驟如下：

1）充電

充電前，電池組以 I2（A）恒流放電至終止電壓。在溫度為（23±2）℃的環(huán)境中，以0.4 I2（A）充電，當(dāng)電池組的端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.04 I2（A），最長時(shí)間不大于8 h，停止充電。

2）放電

在溫度為（23±2）℃的環(huán)境中，電池組按上述充電方法充電結(jié)束后擱置（0.5～1）h，以I2（A）)電流恒流放電至終止電壓，記錄放電時(shí)間，計(jì)算I2（A）放電容量。

3）上述充電-放電測試步驟重復(fù)3次，計(jì)算3次測試結(jié)果的平均值為初始容量Ca。

4）判定

電池組放電容量應(yīng)在第三次或之前達(dá)到標(biāo)稱容量。

如圖1所示，樣品a1的3次電壓-放電容量的曲線圖。3次測試結(jié)果的平均值為初始容量Ca，a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2三次放電容量如表1所示。其中初始容量Ca是2I2（A）放電、低溫放電、高溫放電、荷電保持能力與荷電恢復(fù)能力、長期貯存后荷電恢復(fù)能力及循環(huán)壽命等測試項(xiàng)目結(jié)果判定的基礎(chǔ)依據(jù)。

圖1 樣品a1電壓-放電容量的曲線

表1 電動自行車用鋰離子電池3次放電容量測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 不確定度評定方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定

根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定的基本方法是貝塞爾公式法，但鋰電池放電容量試驗(yàn)從表面上看是可以重復(fù)進(jìn)行的，但實(shí)際上在對同一電池進(jìn)行放電測試時(shí)，電池本身所經(jīng)歷的循環(huán)(充電、放電)次數(shù)是不同的。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池結(jié)構(gòu)、鈍化膜厚度等變化均會造成電池容量衰減，表現(xiàn)為對同一塊電池多次放電試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性較差。因此，不能通過重復(fù)測量來評定鋰電池放電容量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定

1）數(shù)學(xué)模型

式中：

C—容量，Ah或mAh；

I—放電電流，A或mA；

t—放電時(shí)間，h。

2）方差與傳播系數(shù)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

因I2（A）放電主要為恒流模式，影響不確定的因素主要考慮電流和時(shí)間。

1）電流不確定度

充放電測試設(shè)備校準(zhǔn)報(bào)告中，電流不確定度U2（k=2）=0.05 %。

2）時(shí)間不確定度

充放電測試設(shè)備校準(zhǔn)報(bào)告中，時(shí)間不確定度U3（k=2）=0.2 s。

綜上，本次I2（A）放電容量測試設(shè)備產(chǎn)生的不確定度如表2所示。

表2 I2(A)放電容量測試設(shè)備不確定度

表3 I2（A）放電容量測試不確定度匯總

4）合成不確定度

在實(shí)際應(yīng)用中，假設(shè)電流、時(shí)間兩個(gè)量彼此相互獨(dú)立，且僅考慮泰勒級數(shù)的一階近似（“不確定傳播率”），以樣品a1為例，計(jì)算合成不確定度方法如下：

3.4 擴(kuò)展不確定度

假設(shè)每個(gè)分量均服從正態(tài)分布，其有效自由度可有韋爾奇-薩特韋公式計(jì)算：

置信水準(zhǔn)0.95，包含因子2.0：

通過以上分析，檢測過程中因設(shè)備、電流、時(shí)間等因素產(chǎn)生的測量不確定度，本次試驗(yàn)鋰電池a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2的 I2（A）放電不確定度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

4 不確定度評定在實(shí)際中的應(yīng)用

本文將IEC GUIDE 115：2023[7]中關(guān)于不確定度評定的要求與電動自行車用鋰電池放電容量實(shí)際測試結(jié)果的判定相結(jié)合，建立電動自行車用鋰電池放電容量檢測結(jié)果不確定度評定模型，如圖2所示。

樣品a1、a2、b1、b2具體判定過程見圖3，樣品c1、c2、d1、d2具體判定過程見圖4。

圖3 第1批次和第2批次鋰電池放電容量結(jié)果判定

圖4 第3批次和第4批次鋰電池放電容量結(jié)果判定

4批次電動自行車用鋰電池放電容量測試符合性判定結(jié)果如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可看出，在未考慮不確定評定因素之前，設(shè)備直接檢測的結(jié)果中，4批次8個(gè)樣品的合格率為37.5 %。將不確定度考慮在內(nèi)，對結(jié)果進(jìn)行校正后，再結(jié)合不確定度評定模型對鋰電池放電容量檢測結(jié)果進(jìn)行重新評定，4批次8個(gè)樣品的合格率為62.5 %，其中a2和d2放電容量的直接檢測結(jié)果為不合格，通過不確定度評定模型重新校正后判定為合格，因此測量不確定度對于放電容量處于臨界值的檢測結(jié)果的判定具有較大的影響。

表4 電動自行車用鋰電池放電容量測試符合性判定結(jié)果

5 結(jié)語

本文根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對電動自行車用鋰電池放電容量進(jìn)行測試，分析檢測過程中可能因設(shè)備、電流、時(shí)間等因素產(chǎn)生的測量不確定度，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，分析不確定度對電動自行車鋰電池放電容量符合性判定的影響并建立模型，結(jié)果表明，不確定度對于放電容量均處于臨界值的檢測結(jié)果的判定具有較大的影響，因此電動自行車用鋰電池放電容量進(jìn)行測試中考慮測量不確定度評定的影響，可更好地保障檢測結(jié)果判定的可靠性、準(zhǔn)確性。