鋰離子動力電池安全性試驗(yàn)檢測方法

楊杰 張凱慶 史瑞祥 夏晴

（重慶車輛檢測研究院；國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

隨著電動汽車保有量的與日俱增，電動汽車也頻發(fā)起火事故，引發(fā)了社會各界對電動汽車動力電池安全性的擔(dān)憂和質(zhì)疑，其試驗(yàn)檢測技術(shù)受到世界各國的高度重視。在概述國內(nèi)外鋰離子動力電池安全性相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，以QC/T 743-2006為例，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，探討其試驗(yàn)檢測方法并提出建議，為開展相關(guān)試驗(yàn)檢測提供參考，以促進(jìn)鋰離子動力電池試驗(yàn)檢測技術(shù)的發(fā)展，提高其安全性。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)外涉及鋰離子動力電池安全性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有 ISO 12405 系列[1-3]、IEC 62660 系列[4-5]、SAE J2929[6]、UL 2580[7]和 QC/T 743[8]，其標(biāo)準(zhǔn)代號、頒布日期、適用范圍及技術(shù)特點(diǎn)，如表1所示。

表1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比

綜合對比表1所列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要存在以下4個方面的差異。

1）在頒布日期方面：國外標(biāo)準(zhǔn)大多在2011年以后頒布，個別標(biāo)準(zhǔn)（如ISO/CD 12405-3）還正在制定中，而國標(biāo)QC/T 743在2006年8月就已頒布，從2009年7月開始作為我國鋰離子動力電池的強(qiáng)制性檢驗(yàn)依據(jù)。

2）在適用范圍方面：QC/T 743只針對單體電池及電池模塊，范圍較窄，而UL 2580作為UL認(rèn)證的依據(jù)，涵蓋內(nèi)容全面，既包含了單體電池、電池模塊、電池包及電池系統(tǒng)的電性能、環(huán)境適用性和安全性方面的要求，又包含了生產(chǎn)線上針對電池組零部件的基本安全測試，如外殼耐燃和金屬材料耐腐蝕等，同時在電池管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及保護(hù)線路設(shè)計(jì)方面加強(qiáng)了安全性審查要求[9]。

3）在技術(shù)特點(diǎn)方面：除IEC 62660系列無技術(shù)要求外，其余標(biāo)準(zhǔn)都涵蓋了試驗(yàn)方法和技術(shù)要求兩方面內(nèi)容，且SAE J2929引用了國際上相對成熟的標(biāo)準(zhǔn)方法，是專門針對電池包及電池系統(tǒng)的安全性標(biāo)準(zhǔn)。

4）在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容方面：SAE J2929相比QC/T 743增加了浸水、火災(zāi)模擬及機(jī)械沖擊等試驗(yàn)內(nèi)容，更好地模擬和評估動力電池的安全性。

2 試驗(yàn)檢測方法

我國從2008年才開始大規(guī)模發(fā)展電動汽車，以磷酸鐵鋰電池為代表的鋰離子動力電池也是2008年以后才得以廣泛應(yīng)用，而QC/T 743早在2006年就已頒布，標(biāo)準(zhǔn)尚缺乏大量實(shí)踐基礎(chǔ)，從2009年開始作為強(qiáng)制性檢驗(yàn)依據(jù)實(shí)施至今，難免存在不足之處。在QC/T 743全部13項(xiàng)安全性試驗(yàn)檢測項(xiàng)目中（單體電池7項(xiàng)，電池模塊6項(xiàng)），過放電、加熱和跌落等試驗(yàn)項(xiàng)目的問題不大，存在的主要問題有：容易發(fā)生起火、爆炸的過充電、短路、針刺和擠壓等關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)試驗(yàn)檢測方法[10-11]。

2.1 過充電試驗(yàn)2種方法的確定

QC/T743過充電試驗(yàn)給出了2種方法，方法1：以3I3（A）電流充電，即以3倍的3h率放電電流充電，至蓄電池電壓達(dá)到5V或充電時間達(dá)到90min（其中一個條件優(yōu)先達(dá)到即停止試驗(yàn)）；方法2：以9I3（A）電流充電，即以9倍的3h率放電電流充電，至蓄電池電壓達(dá)到10 V即停止試驗(yàn)。圖1示出相同電池在2種方法下的試驗(yàn)結(jié)果。

從圖1可以看出，方法2電池在較短時間內(nèi)表面溫度達(dá)到72℃，是方法1電池表面溫度23℃的3倍多，且試驗(yàn)結(jié)束時電壓瞬時最高達(dá)到11.5 V，是方法1的2倍多?？梢?，方法2比方法1的考核更為苛刻。此外，相比而言，方法1對設(shè)備能力要求不高，結(jié)束試驗(yàn)時的電池電壓也較低，即對試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)人員的安全性較好，且試驗(yàn)時間最多為90min，實(shí)際操作性較強(qiáng)。而方法2對于部分加裝有保護(hù)電路的電池，實(shí)際可能達(dá)不到10V的試驗(yàn)結(jié)束條件，適用性不強(qiáng)。

建議：在實(shí)際試驗(yàn)檢測中，作為對電池的基本考核以及部分加裝有保護(hù)電路的電池，應(yīng)優(yōu)先選擇方法1，若是加嚴(yán)考核，則可選擇方法2。

2.2 短路試驗(yàn)中電池狀態(tài)的確定

QC/T 743短路試驗(yàn)要求電池經(jīng)外部短路時間為10min，而對于部分加裝了熱敏電阻PTC等保護(hù)電路的圓柱形電池或極耳處連接片橫截面較小的方形電池，在短路試驗(yàn)中電流過大后，由于PTC等保護(hù)電路作用或連接片承受電流有限被熔斷，通常在3min左右就會切斷電流，致使剩余的短路試驗(yàn)時間沒有實(shí)際考核意義。值得注意的是：類似以上電池狀態(tài)的出現(xiàn)也不排除是企業(yè)為了通過檢測，故意為之。

建議：在實(shí)際試驗(yàn)檢測中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際裝車情況確定短路試驗(yàn)中的電池狀態(tài)。對于“故意為之”的電池，應(yīng)采取去除保護(hù)電路和增加連接片等措施后再進(jìn)行短路試驗(yàn)。

2.3 針刺試驗(yàn)條件的確定

QC/T 743針刺試驗(yàn)要求鋼針直徑為3～8mm，針刺速度為10～40mm/s，電池模塊針刺至少貫穿3個單體電池。由于不同的鋼針直徑、針刺速度和貫穿電池個數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果影響很大，而且標(biāo)準(zhǔn)給出的范圍又較大，在實(shí)際試驗(yàn)檢測中容易造成試驗(yàn)結(jié)果的不可比和不準(zhǔn)確。

其中，鋼針直徑和貫穿電池個數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果的影響比較確定，針刺速度對試驗(yàn)結(jié)果的影響尚不明確。鋼針直徑越大，與電池內(nèi)部正負(fù)極材料、隔膜及電解液等組成部分的接觸面積越大，且能夠承受的內(nèi)部短路電流越大，導(dǎo)致電池內(nèi)部的化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)越劇烈，越容易發(fā)生起火、爆炸。貫穿電池個數(shù)越多，即電池模塊內(nèi)部短路電流越大，也會導(dǎo)致電池內(nèi)部的化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)越劇烈，越容易發(fā)生起火、爆炸。而針刺速度的影響與電池的材料體系、電解液配方有很大關(guān)系，加之標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定試驗(yàn)保持時間及觀察時間，故針刺速度對不同電池試驗(yàn)結(jié)果的影響還需進(jìn)一步分析研究。

建議：在實(shí)際試驗(yàn)檢測中，作為對電池的基本考核，應(yīng)選擇φ3mm鋼針，貫穿3個單體電池，若是加嚴(yán)考核，則可選擇較大鋼針直徑和貫穿較多單體電池。而對于針刺速度的選擇，鑒于目前其影響規(guī)律尚不明確，可選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的中值（25mm/s）進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 擠壓試驗(yàn)中擠壓方向的確定

QC/T 743電池模塊的擠壓試驗(yàn)要求擠壓方向?yàn)榇怪庇趩误w電池排列方向施壓，而對于不同排列方向的電池，其擠壓方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響很大，在實(shí)際試驗(yàn)檢測中容易造成試驗(yàn)結(jié)果的不可比和不準(zhǔn)確。

由于動力電池目前還處于發(fā)展階段，受到裝車后的結(jié)構(gòu)布置、散熱及充放電效率等因素影響，其單體電池的排列方向也有較多類型。圖2示出單體電池排列方向與擠壓方向示意圖。

從圖2可知，擠壓方向1為平行于單體電池排列方向，擠壓方向2，3均為垂直于單體電池排列方向，且擠壓方向3直接與電池極耳接觸，更容易引起電池的內(nèi)、外部短路，考核更為苛刻?？紤]到擠壓試驗(yàn)主要是考核電池裝車后受到擠壓的情形，擠壓方向理論上應(yīng)與實(shí)際裝車后最易受到擠壓的方向一致，然而實(shí)際車輛運(yùn)行工況復(fù)雜多變，該方向通常不可獲得。如圖2a，2b，2c中的擠壓方向3以及圖2d中的擠壓方向1，都對應(yīng)于整車垂直方向上受到擠壓的情形，顯然相較于其余2個擠壓方向，該方向不容易受到擠壓，而除了圖2d中的擠壓方向3比擠壓方向2考核更為苛刻，圖2a，2b，2c中的其余2個擠壓方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響尚不明確，還需要進(jìn)一步分析研究。

建議：在實(shí)際試驗(yàn)檢測中，應(yīng)結(jié)合電池裝車后的布局，考慮前碰、后碰及側(cè)碰等情況確定擠壓方向。對于圖2a，2b，2c中的情形，可在擠壓方向1和擠壓方向2下分別做試驗(yàn)，全面考核電池受到擠壓變形后的安全性。對于圖2d中的情形，作為基本考核，可選擇擠壓方向2，若是加嚴(yán)考核，則可選擇擠壓方向3。

3 結(jié)語

依據(jù)2012年6月國務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量將力爭達(dá)到50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力將達(dá)200萬輛、累計(jì)產(chǎn)銷量將超過500萬輛?？梢灶A(yù)見，國家及地方政府對電動汽車產(chǎn)業(yè)的扶持力度還將持續(xù)加大，動力電池的安全性問題勢必會更加凸顯。國內(nèi)相關(guān)單位應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)完善動力電池的標(biāo)準(zhǔn)體系，不斷提升其安全性試驗(yàn)檢測技術(shù)，進(jìn)而增強(qiáng)動力電池的安全性水平。