郝維健,胡 建,牛萍健,柳邵輝,馬天翼,鄭天雷

(1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300;2.中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

2020年9月,我國(guó)明確提出“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)。根據(jù)研究顯示,交通運(yùn)輸行業(yè)二氧化碳排放量約占全國(guó)總碳排放量的10%,其中道路交通在交通全行業(yè)碳排放中的占比約為80%[1]。因此,電動(dòng)化被視為我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的必由之路。近年來,電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)船舶等電動(dòng)交通工具進(jìn)入了快速發(fā)展期。動(dòng)力電池作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)交通工具的核心部件,在電動(dòng)交通工具的動(dòng)力性、安全性和續(xù)航里程方面起到至關(guān)重要的作用。據(jù)報(bào)道,截至2022年,我國(guó)動(dòng)力電池的裝機(jī)量已達(dá)到295.7 GWh,同比增長(zhǎng)93%[2],連續(xù)多年位居世界第一,這為我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型發(fā)揮了重要作用。

動(dòng)力電池的最小儲(chǔ)能單元是單體。通常情況下,一種動(dòng)力電池單體產(chǎn)品可同時(shí)應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)船舶、電動(dòng)摩托車等多種終端產(chǎn)品。動(dòng)力電池的核心技術(shù)參數(shù)包括高低溫容量、功率、內(nèi)阻、無負(fù)載容量損失和循環(huán)性能等,這些參數(shù)是動(dòng)力電池單體產(chǎn)品研發(fā)和驗(yàn)證的關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目。研究不同電動(dòng)交通工具的動(dòng)力電池單體電性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的便利性和減少重復(fù)測(cè)試具有重要意義。因此,本文總結(jié)了我國(guó)常用電動(dòng)交通工具的動(dòng)力電池單體電性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)比分析了容量、比能量、能量效率、功率、無負(fù)載容量損失等測(cè)試項(xiàng)目的異同點(diǎn),為動(dòng)力電池的研發(fā)和驗(yàn)證提供參考。

1 中國(guó)動(dòng)力電池性能標(biāo)準(zhǔn)

目前,我國(guó)已經(jīng)發(fā)布或正在起草與電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)船舶、電動(dòng)軌道機(jī)車車輛、電動(dòng)航空器等相關(guān)的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范,見表1。

表1 動(dòng)力電池單體性能標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范總結(jié)

1.1 電動(dòng)汽車領(lǐng)域

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域,現(xiàn)行的單體性能標(biāo)準(zhǔn)包括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》[3]和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》[4]。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均由全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(TC114)歸口管理,分別規(guī)定了電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池單體和模組的電性能、循環(huán)性能要求。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均被工業(yè)和信息化部《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)定》引用,成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)品準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。目前,GB/T 31486《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)正在修訂中,主要修訂內(nèi)容包括根據(jù)動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),將全部模組測(cè)試的測(cè)試對(duì)象修改為單體,根據(jù)動(dòng)力電池使用場(chǎng)景調(diào)整部分測(cè)試項(xiàng)目的方法,并提高了指標(biāo)要求。該標(biāo)準(zhǔn)的修訂已完成公開征求意見。此外,GB/T 31484《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》已于2022年下半年啟動(dòng)修訂預(yù)研工作,預(yù)計(jì)2023年底或2024年初下達(dá)立項(xiàng)計(jì)劃?；谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)的修訂進(jìn)度,本文在敘述電動(dòng)汽車動(dòng)力電池性能類標(biāo)準(zhǔn)時(shí),主要參考了GB/T 31486修訂征求意見稿和GB/T 31484—2015。

1.2 電動(dòng)摩托車領(lǐng)域

在電動(dòng)摩托車領(lǐng)域,現(xiàn)行的單體性能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 36672—2018《電動(dòng)摩托車和電動(dòng)輕便摩托車用鋰離子電池》[5],由全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(TC114)歸口管理。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)摩托車和電動(dòng)輕便摩托車電池的型號(hào)和安全性、電性能要求。在單體電性能方面,GB/T 36672—2018與電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電性能標(biāo)準(zhǔn)保持一致。在安全性要求方面,該標(biāo)準(zhǔn)主要參考了歐盟摩托車安全法規(guī)ECE R136《關(guān)于L類電動(dòng)車輛特定要求的批準(zhǔn)與統(tǒng)一規(guī)定》。目前,相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化組織已啟動(dòng)了GB/T 36672的修訂預(yù)研工作。

1.3 電動(dòng)自行車領(lǐng)域

在電動(dòng)自行車領(lǐng)域,現(xiàn)行單體性能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 36972—2018《電動(dòng)自行車用鋰離子蓄電池》[6],由全國(guó)自行車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(TC155)歸口管理。該標(biāo)準(zhǔn)在原有的輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2947.3—2008《電動(dòng)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》[7]的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升了電性能,增加了安全性測(cè)試項(xiàng)目,對(duì)阻燃性能、電磁兼容性能以及互換性、兼容性提出了要求[8]。

1.4 電動(dòng)船舶

目前,在電動(dòng)船舶領(lǐng)域尚未制定動(dòng)力電池性能類的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。然而,船級(jí)社規(guī)范《船舶應(yīng)用電池動(dòng)力規(guī)范(2023)》[9]是電動(dòng)船舶用動(dòng)力電池領(lǐng)域具有較高影響力的規(guī)范文件。該規(guī)范文件在《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南(2019)》[10]基礎(chǔ)上起草,對(duì)動(dòng)力電池分別提出品質(zhì)、安全要求。

1.5 電動(dòng)軌道機(jī)車車輛

電動(dòng)軌道機(jī)車車輛領(lǐng)域動(dòng)力電池單體性能標(biāo)準(zhǔn)《軌道交通 機(jī)車車輛 動(dòng)力蓄電池 第1部分:鋰離子蓄電池》正在制定過程中。該標(biāo)準(zhǔn)修改采用IEC 62928:2017《Railway applications-Rolling stock-Onboard lithium-ion traction batteries》[11],在對(duì)應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,修改了安全性能要求、電性能要求和對(duì)應(yīng)測(cè)試方法。因該標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布,本文對(duì)比對(duì)象為該標(biāo)準(zhǔn)的公開征求意見稿。

1.6 電動(dòng)航空器

在無人機(jī)等電動(dòng)航空器領(lǐng)域,動(dòng)力電池單體性能標(biāo)準(zhǔn)《無人駕駛航空器用鋰離子電池和電池組規(guī)范》正在制定過程中。該標(biāo)準(zhǔn)適用于為民用輕小型多旋翼無人機(jī)(最大起飛重量約為150 kg)提供動(dòng)力源的鋰離子電池和電池組。因該標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布,本文對(duì)比對(duì)象為該標(biāo)準(zhǔn)的公開征求意見稿。

2 中國(guó)動(dòng)力電池單體電性能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

動(dòng)力電池為電動(dòng)交通工具提供驅(qū)動(dòng)能量,需滿足電動(dòng)交通工具在各種使用工況下的電性能要求,包括高低溫容量、倍率充電、荷電保持、能量效率、循環(huán)性能等。由于不同交通工具的使用場(chǎng)景不同,因此對(duì)應(yīng)的單體電性能標(biāo)準(zhǔn)也有一定區(qū)別。表2對(duì)比了不同電動(dòng)交通工具動(dòng)力電池單體電性能測(cè)試項(xiàng)目,其中所有標(biāo)準(zhǔn)中都包括室溫容量、低溫容量和荷電保持,其中電動(dòng)汽車和電動(dòng)摩托車涵蓋的單體電性能測(cè)試項(xiàng)目最多。

表2 動(dòng)力電池單體電性能測(cè)試項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2.1 室溫放電容量

容量是動(dòng)力電池的基礎(chǔ)參數(shù),用于衡量動(dòng)力電池作為電能存儲(chǔ)器件所存儲(chǔ)的電荷量。室溫放電容量是動(dòng)力電池單體最基礎(chǔ)的測(cè)試項(xiàng)目,其主要目的是驗(yàn)證電池單體是否能夠達(dá)到申報(bào)的額定容量。各類標(biāo)準(zhǔn)之間的主要區(qū)別在于放電倍率的不同。例如,電動(dòng)汽車動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)倍率不小于1/3 C,電動(dòng)摩托車為1 C,電動(dòng)自行車標(biāo)準(zhǔn)為0.5 C,而電動(dòng)航空器、電動(dòng)船舶的標(biāo)準(zhǔn)則未限制倍率,電動(dòng)軌道機(jī)車的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)單體最大充電倍率的不同規(guī)定了多個(gè)放電倍率檔位。

在動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的早期階段,為了提高測(cè)試效率,各個(gè)動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)中的室溫放電倍率均較高(如GB/T 31486—2015和GB/T 36672—2018中的放電倍率均為1 C)。一方面,隨著電動(dòng)汽車等行業(yè)發(fā)展日益成熟,新修訂的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)置室溫放電倍率時(shí)充分考慮了電池的裝載對(duì)象和使用場(chǎng)景。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,電動(dòng)汽車使用時(shí)的平均放電倍率在0.2～0.3 C,因此GB/T 31486修訂征求意見稿中將現(xiàn)行2015版的室溫放電倍率由1 C調(diào)整為1/3 C以上。另一方面,由于電動(dòng)船舶、電動(dòng)軌道機(jī)車、電動(dòng)航空器等產(chǎn)業(yè)仍處于快速發(fā)展階段,考慮到不同技術(shù)路線的動(dòng)力電池規(guī)格參數(shù)和工作倍率的差異,因此并未限制室溫容量測(cè)試倍率。動(dòng)力電池單體室溫放電容量測(cè)試方法總結(jié)見表3。

表3 動(dòng)力電池單體室溫放電容量測(cè)試方法總結(jié)

2.2 高低溫容量

溫度是影響動(dòng)力電池容量的重要性能參數(shù)。動(dòng)力電池通常在高低溫環(huán)境下使用,盡管動(dòng)力電池系統(tǒng)通常包括熱管理系統(tǒng),但動(dòng)力電池單體的高低溫容量性能對(duì)于方便熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提升動(dòng)力電池系統(tǒng)的高低溫性能意義較大,因此有必要考查動(dòng)力電池單體在高溫、低溫下的放電容量。

在鋰離子電池中,低溫會(huì)導(dǎo)致離子傳導(dǎo)速率減慢,從而降低容量[12-13]。動(dòng)力電池單體高低溫放電容量測(cè)試方法總結(jié)見表4,所有動(dòng)力電池單體性能標(biāo)準(zhǔn)均考查了低溫性能。電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車和電動(dòng)自行車的低溫測(cè)試溫度均為-20 ℃,且放電倍率與室溫放電倍率保持一致?？紤]到產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境不同,電動(dòng)船舶、電動(dòng)軌道機(jī)車和電動(dòng)航空器的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)制造商規(guī)定的測(cè)試工況開展測(cè)試。在測(cè)試指標(biāo)方面,由于目前鋰離子電池的低溫性能仍然受溫度影響較大,各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低溫容量的指標(biāo)要求集中在70%～80%的額定容量范圍內(nèi)。

表4 動(dòng)力電池單體高低溫放電容量測(cè)試方法總結(jié)

高溫對(duì)鋰離子電池的容量影響相對(duì)較小,甚至在某些體系中,高溫容量可能比常溫容量更高。因此,各項(xiàng)動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)高溫容量要求集中在90%～98%的額定容量范圍內(nèi)。

2.3 倍率特性

隨著電動(dòng)交通工具行業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平的提升,對(duì)于電動(dòng)交通工具快速放電和快速補(bǔ)能的需求日益增加[14],這對(duì)動(dòng)力電池的倍率特性提出了更高要求。

倍率特性考查電池在高倍率充放電下的能力。在倍率放電方面,電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)軌道機(jī)車和電動(dòng)航空器的標(biāo)準(zhǔn)均包括電池的高倍率放電測(cè)試。由于不同電動(dòng)交通工具的使用工況不同,不同標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試倍率也不同。例如,電動(dòng)汽車中的高功率單體(通常用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車)的測(cè)試倍率為10 C,高能量單體(通常用于純電動(dòng)汽車)的測(cè)試倍率為1 C,電動(dòng)自行車的電池單體的測(cè)試倍率統(tǒng)一為1 C,電動(dòng)航空器測(cè)試倍率統(tǒng)一為3 C。在測(cè)試形式方面,大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用高倍率100%放電深度,并要求放電后的容量不低于95%的初始容量。電動(dòng)軌道機(jī)車的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)單體的最大放電倍率的不同,采用6 C/20 C脈沖放電5 s后測(cè)量室溫放電容量的形式進(jìn)行測(cè)試。此外,只有電動(dòng)汽車和電動(dòng)摩托車的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)中包含倍率充電測(cè)試,考查電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車在快充工況下的放電容量。這主要是因?yàn)殡妱?dòng)汽車和電動(dòng)摩托車對(duì)快速補(bǔ)能的需求較為突出。電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)要求電池單體在30 min內(nèi)充滿后,測(cè)得的室溫放電容量不低于80%的初始容量;電動(dòng)摩托車標(biāo)準(zhǔn)要求的充電倍率為2 C(不大于400 A),技術(shù)要求與電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)一致。動(dòng)力電池單體倍率充放電容量測(cè)試方法總結(jié)見表5。

表5 動(dòng)力電池單體倍率充放電容量測(cè)試方法總結(jié)

2.4 荷電保持

荷電保持主要考查動(dòng)力電池單體在長(zhǎng)期停放工況下的電量保持能力。目前,本文所列舉的各項(xiàng)動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)中均包括荷電保持項(xiàng)目。荷電保持項(xiàng)目主要分為四類:常溫荷電保持、高溫荷電保持、常溫存儲(chǔ)和高溫存儲(chǔ)。荷電保持是在100%荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)下靜置一段時(shí)間后考查電池的保持容量和恢復(fù)容量,靜置時(shí)間通常為常溫28天左右、高溫7天左右。要求保持容量為初始容量的80%～90%,恢復(fù)容量為初始容量的85%～95%。存儲(chǔ)是在50% SOC下靜置一段時(shí)間后考查電池的恢復(fù)容量,相較于荷電保持測(cè)試,存儲(chǔ)測(cè)試的靜置時(shí)間更長(zhǎng)。動(dòng)力電池單體倍率荷電保持測(cè)試方法總結(jié)見表6。

表6 動(dòng)力電池單體倍率荷電保持測(cè)試方法總結(jié)

2.5 循環(huán)壽命

循環(huán)壽命顯著影響新能源汽車長(zhǎng)期使用后的續(xù)航里程。循環(huán)壽命較短、容量衰減較快的動(dòng)力電池顯著影響消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。因此,所有標(biāo)準(zhǔn)中均包含循環(huán)壽命測(cè)試。在測(cè)試方法方面,為便于開展測(cè)試,所有標(biāo)準(zhǔn)中均包含恒流充放電循環(huán)。根據(jù)不同的使用場(chǎng)景,不同類型的電動(dòng)交通工具具有不同的放電倍率。例如,電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)航空器的放電倍率為1 C,電動(dòng)自行車為0.5 C,電動(dòng)軌道機(jī)車為0.2 C。在充電倍率方面,各標(biāo)準(zhǔn)均允許制造商規(guī)定充電倍率。在循環(huán)壽命方面,考慮產(chǎn)品價(jià)格和預(yù)期使用壽命的不同,不同類型的電動(dòng)交通工具有不同的要求。例如,相較于電動(dòng)摩托車,電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池更換成本更高,預(yù)期使用壽命更長(zhǎng)。因此,在循環(huán)壽命指標(biāo)方面,電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)要求高于電動(dòng)摩托車用動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的循環(huán)壽命要求為500次循環(huán)后容量保持率不低于90%或1 000次循環(huán)后容量保持率不低于80%,而電動(dòng)摩托車用動(dòng)力電池的循環(huán)壽命要求為300次循環(huán)后容量保持率不低于90%或600次循環(huán)后容量保持率不低于80%。動(dòng)力電池單體循環(huán)壽命測(cè)試方法總結(jié)見表7。

表7 動(dòng)力電池單體循環(huán)壽命測(cè)試方法總結(jié)

3 結(jié)論和展望

本文系統(tǒng)對(duì)比了電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)船舶、電動(dòng)軌道機(jī)車等電動(dòng)交通工具動(dòng)力電池單體的電性能測(cè)試技術(shù)要求與試驗(yàn)方法。由于交通工具的使用環(huán)境條件相似,因此在低溫放電溫度、荷電保持條件、荷電保持要求等方面保持一致,但由于不同交通工具的行駛速度、使用年限等條件不同,各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在室溫放電倍率、循環(huán)壽命測(cè)試工況、循環(huán)壽命指標(biāo)要求方面各有不同。

隨著各類電動(dòng)交通工具以及對(duì)應(yīng)動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展,基于本文研究,提出以下動(dòng)力電池單體性能類標(biāo)準(zhǔn)的修訂建議。

(1)建議在測(cè)試溫度、荷電保持周期等測(cè)試方法上注重與同類產(chǎn)品電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和其他類型電池單體標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào),減少企業(yè)重復(fù)測(cè)試,方便企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)。

(2)建議在完善測(cè)試方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合行業(yè)技術(shù)水平適當(dāng)改進(jìn)技術(shù)指標(biāo),有利于進(jìn)一步提升動(dòng)力電池產(chǎn)品質(zhì)量,助力產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

(3)建議積極推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化,基于我國(guó)動(dòng)力電池技術(shù)積累和標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)驗(yàn),在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化舞臺(tái)上積極研提技術(shù)提案,貢獻(xiàn)“中國(guó)智慧”。