國內外動力鋰電池安全性測試標準及規(guī)范綜述

祝夏雨，金朝慶，趙鵬程，邱景義，陸 林，明 海

?

國內外動力鋰電池安全性測試標準及規(guī)范綜述

祝夏雨1,2，金朝慶1，趙鵬程1，邱景義1,2，陸 林1,2，明 海1,2

（1防化研究院，北京 100191；2北方軍用電池試驗檢測中心，北京 102205）

研究了國內外具有代表性的動力鋰電池安全性測試標準及規(guī)范，包括ISO 12405、IEC 62660、SAE J2464、SAE J2929、UL 2580、ECE R100-02、GB/T 31485、GB/T 31467.3和FreedomCAR。將安全性測試項目分為機械安全性、環(huán)境安全性和電氣安全性3類，詳細介紹了各試驗項目在不同標準規(guī)范的具體參數，總結了我國國標與國外標準的異同，最后指出了現行標準規(guī)范中的不足，提出了改進意見。

動力鋰電池；安全性測試；標準

近年來，世界各國不斷加大對新能源汽車的政策支持，特斯拉等車企也紛紛推出新車型，由此帶來了全球電動車市場的快速增長。據國際能源署（international energy agency，IEA）發(fā)布的《2018全球電動汽車展望》報告，2017年，全球電動汽車銷量達到114.8萬輛，相比2016年大幅增長了54%。截止2017年，全球電動汽車保有量已超過310萬輛[1]。但是，電動汽車的著火爆炸事故多次發(fā)生，使安全問題成為廣大消費者關注的重點。在此背景下，世界各國和相關國際組織紛紛出臺動力電池安全性檢測的標準，以規(guī)范動力電池的安全使用。

目前，國內外涉及動力電池安全性的技術標準/規(guī)范如表1所示。其中，ISO（international organization for standardization，國際標準化組織）、IEC（international electrotechnical commission，國際電工委員會）、SAE International（society of automotive engineers，國際自動機工程師學會）發(fā)布的標準是國際標準，對各國的標準具有較強的參考借鑒意義，如我國的GB/T 31467系列標準的試驗項目和試驗參數與ISO 12405系列標準有很多相似之處，日本的JIS C8715-2-2012《工業(yè)應用二次鋰電池第2部分：試驗和安全要求》[2]規(guī)定，道路車輛用電池優(yōu)先適用IEC 62660系列標準。UL 2580是美國保險商實驗所（UL）發(fā)布的動力鋰電池標準，它涵蓋內容全面，既包含了單體電池、電池模塊、電池堆及電池系統(tǒng)的電性能、環(huán)境適用性和安全性方面的要求，又包含了生產線上針對電池組零部件的基本安全測試，同時在電池管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及保護線路設計方面加強了安全性審查要求[3]。ECE R100是聯合國歐洲經濟委員會（the united nations economic commission for europe）汽車法規(guī)，該標準分兩部分，其中第2部分對車用的可充電儲能系統(tǒng)（rechargeable energy storage system，REESS）的安全性做了詳細規(guī)定[4]。GB/T 31485與GB/T 31484、GB/ T31486是由QC/T 743與QC/T 744標準演化而來的，側重與單體電池和模組層級的檢測。其將QC/T 743與QC/T 744標準相關內容進行了重新劃分，并在此基礎上進行升級，制定了更符合電動汽車實際使用情況的標準規(guī)范。該標準不再局限于鋰離子電池這一類型的動力電池，而是包括所有的動力電池類型[5]。除上述標準外，美國能源部的FreedomCAR計劃在2005年推出了電動汽車用動力電池安全測試手冊，對動力電池的安全性測試做了全面的規(guī)定[6]。

表1 國內外動力電池安全性相關技術標準/規(guī)范列表

根據測試項目的特性，一般可以將安全性測試分為機械安全性測試（振動、沖擊、跌落、針刺等）、環(huán)境安全性測試（熱沖擊、熱穩(wěn)定性、起火等）、電氣安全性測試（短路、過充電、過放電等）[7]。表2列出了各標準規(guī)范的安全性測試項目。其中，熱沖擊循環(huán)、短路、過充電、過放電、振動、機械沖擊、擠壓等應用較為廣泛的項目將在下文詳細介紹。鹽霧、低氣壓兩個項目應用較少，只有中國的兩個國標中有規(guī)定，不具有對比性，因此不做詳細介紹。就濕熱試驗而言，ISO 12405系列標準[8-10]引用了IEC 60068-2-30，GB/T 31467.3—2015[11]引用了GB/T 2423.4，而GB/T 2423.4[12]等同采用IEC 60068-2-30，因此，所有的濕熱試驗的試驗參數都相同，本文也不做詳細介紹。

表2 各標準/規(guī)范檢測項目一覽表

注：C代表cell，電池單體；M代表module，電池模塊；P代表pack，電池堆；S代表system，電池系統(tǒng)，下文同。

1 機械安全性

1.1 振 動

振動（vibration）在電動汽車的行駛過程中是不可避免的，因此，本文中幾乎所有的標準/規(guī)范都將其列為安全性檢測項目。振動試驗的頻率、功率 譜密度等參數在不同標準中差異較大，具體試驗條件如表3所示。為了更清晰地比較不同標準中的主要振動參數，圖1和圖2分別顯示了正弦掃頻和隨機振動的主要參數。正弦掃描測試通常用于識別產品共振，而隨機振動通常模擬樣品將經歷的日常生活場景[7]。

表3 各標準/規(guī)范中振動試驗的試驗參數

①樣品質量>12 kg時，為9.8～19.6 m/s2；樣品質量<12 kg時，為9.8～78.5 m/s2；②V代表vertical，垂直方向；L代表longitudinal，縱向；T代表transversal，橫向；下文同；③根據SAE J2380_201312，最大值為92.6 h；④根據SAE J2380_201312，垂直方向的樣品SOC為20%和100%，縱向和橫向的樣品SOC為60%。

圖1 各種標準/規(guī)范的振動參數（正弦波）

ISO 12405-1(2,3)[8-10]和IEC 62660-2(3)[13-14]的振動參數引用了IEC 60068-2-64，其中前者是表3所示標準中唯一一個要求在不同溫度條件下（-40 ℃、+25 ℃、+75 ℃）進行振動試驗的標準（系列）。GB/T 31467.3—2015[11]最初的振動試驗參考了ISO 12405系列標準，振動參數與其相同。2017年，該標準將振動試驗修改為正弦振動，具體試驗參數與ECE R100-02相同。SAE J2929_2013[15]的正弦掃頻引用了UN 38.3-2015，隨機振動引用了SAE J2380，其中正弦掃頻規(guī)定根據樣品的質量選擇不同的試驗參數。UL 2580-2013[16]的單體電池振動通過IEC 62660-2間接引用了IEC 60068-2-64。電池模塊和電池堆振動引用了SAE J2380。FreedomCAR[6]的隨機振動雖未明確聲明引用SAE J2380，但其振動參數與后者相同。

從振動試驗的持續(xù)時間上看，最長的為92.6 h，最短的為3 h，可見振動試驗更多地只是代表電池的短期濫用，而不是長期的機械耐久性。IEC 63660-2(3)[13-14]未提及振動方向，ECE R100-02- 2013[4]和GB/T 31487.3—2015[11]僅從垂直方向進行振動，其余標準均是從3個互相垂直的方向上進行振動，能全面地評估電池在使用過程中可能遭受的振動。對于測試樣品的荷電狀態(tài)（SOC），各個標準的規(guī)定不盡相同，從20%到100%不一而足。

1.2 機械沖擊

機械沖擊（mechanical shock）旨在評估電動汽車突然加速/減速對電池的影響。從正常行駛過程中的加減速、高速行駛時壓到路緣石到汽車發(fā)生車禍，這些場景都可以通過機械沖擊進行模擬或部分模擬。各種標準/規(guī)范對機械沖擊的試驗條件（峰值加速度、持續(xù)時間等）的規(guī)定存在很大差異，如表4所示。另外，ISO 12405-3-2014[10]在機械沖擊的條目中還引用了ECE R100-02，但后者的機械沖擊試驗應為碰撞試驗[4]。

SAE J2464_2009[17]和SAE J2929_2013[15]都引用了UN 38.3-2015，根據樣品的質量選擇試驗參數，質量小的峰值加速度大、持續(xù)時間短。這兩項標準對單體電池和質量較小的電池模塊/電池系統(tǒng)采用了遠高于其他標準的峰值加速度。盡管適用范圍不同，但ISO 12405-1(2,3)[8-10]、IEC 62660-2(3)[13-14]以及UL 2580-2013[16]的電池單體部分等6個標準的機械沖擊試驗都通過ISO 16750-3[18]間接地引用了IEC 60068?2-27[19]。FreedomCAR[6]將沖擊試驗分為兩個水平：低水平（測試后樣品很可能不會損壞）、中等水平（測試后樣品可能無法正常工作）。此外，FreedomCAR除了半正弦波外，還允許使用其他的脈沖波形，而其他標準都要求采用半正弦波。FreedomCAR規(guī)定的持續(xù)時間長于其他標準，峰值加速度則低于其他標準。GB/T 31467.3—2015在沖擊方向、沖擊次數、峰值加速度、持續(xù)時間等各方面的嚴酷程度均弱于國外標準，應考慮適當提高嚴酷等級。

圖2 各種標準/規(guī)范的振動參數（隨機振動）

表4 各標準/規(guī)范中機械沖擊試驗的試驗參數

①應施加在與車輛遭受沖擊加速度相同的方向，如果該方向未知，則在所有6個空間方向上施加；②對單體電池，峰值加速度為150，當單體電池質量大于0.5 kg時，峰值加速度是50；對電池模塊，質量<12 kg時，峰值加速度150，質量312 kg時，峰值加速度50；電池堆的峰值加速度為25；③單體電池持續(xù)時間6 ms，當單體電池質量大于0.5 kg時，持續(xù)時間也可以是11 ms；對電池模塊，質量<12 kg時，持續(xù)時間6 ms，質量312 kg時，持續(xù)時間11 ms；電池堆的持續(xù)時間為15 ms；④電池系統(tǒng)的質量<12 kg時，峰值加速度150，質量312 kg時，峰值加速度50；電池堆的峰值加速度為25；⑤電池系統(tǒng)的質量<12 kg時，持續(xù)時間6 ms，質量312 kg時，持續(xù)時間11 ms；電池堆的持續(xù)時間為15 ms。

1.3 碰 撞

碰撞（crash）試驗目的是驗證樣品在車輛碰撞帶來的慣性負載下的安全性能，因此在ISO 12405-3: 2014中也稱為車輛碰撞時的慣性負載（inertial load at vehicle crash）。該檢測項目與機械沖擊有一定的相似性。ECE R100-02-2013[4]雖然名為機械沖擊（mechanical shock），但實際上是碰撞試驗。此外，ISO 12405-3: 2014[10]和GB/T 31467.3—2015[12]兩項標準也規(guī)定了該試驗項目，值得一提的是，3項標準的碰撞試驗的試驗參數完全相同。

圖3中連線為加速度下限值，連線為加速度上限值，實際的試驗脈沖需在兩者之間。表5列出了不同的車型/重量的具體加速度值。對比表4和表5，可以發(fā)現碰撞試驗的加速度值 要遠低于機械沖擊試驗，脈沖持續(xù)時間則長于機械沖擊試驗?？梢娕鲎苍囼灥膰揽岬燃壍陀跈C械沖 擊試驗。

圖3 碰撞試驗脈沖圖

1.4 擠 壓

擠壓（crush）試驗用于評估汽車遭遇事故或其他外力作用時的持續(xù)作用力對電池外形及安全性能的影響。在ISO 12405-3:2014[10]中該項測試稱為汽車碰撞中的接觸力（contact force at vehicle crash），在SAE J2929_2013[15]中稱為電池外殼完整性（battery enclosure integrity）。擠壓試驗通常通過一個帶有規(guī)定形狀的鋼板向電池施加作用力，直到達到規(guī)定的壓力值或產生一定的形變或出現突然的電壓降為止，詳細試驗參數如表6所示。

表5 碰撞試驗參數表

①樣品重量的1000倍；②一個直徑為樣品直徑一半的圓柱形物品；③根據擠壓面接觸的單體電池數量選擇擠壓力，最小200 kN，最大500 kN。

有4項標準規(guī)定了一個相對的力值大?。悠分亓康?000倍），其余標準則規(guī)定了一個固定力值（如100 kN）。對重量較小的電池，其重量的1000倍可能不足以實現所需要的擠壓程度，也不足以模擬車輛碰撞中的擠壓；如果電池的重量較大，則1000倍的力值可能遠超實際碰撞中遭受的力值。此外，并不是所有標準都對擠壓速度進行了規(guī)定，但GB/T 31485—2015[20]規(guī)定的擠壓速度顯著高于國外標準。除SAE J2464_2009[17]和FreedomCAR[6]規(guī)定在樣品最薄弱的位置施加擠壓力外，其他標準均未對擠壓位置做出規(guī)定。

1.5 針 刺

針刺（penetration）試驗通過將鋼針以一定速度貫穿樣品來評估電池的安全性。鋼針穿過電池，破壞了電極和隔膜的完整性，從而造成電池內短路，不斷產生熱量。針刺試驗的嚴酷等級較高，本文介紹的標準中只有3項標準包含該試驗。根據測試樣品的差異，針刺試驗的試驗參數（針刺深度、鋼針直徑、針刺速度等）有較大差異，見表7。SAE J2464_2009[17]和GB/ T31485—2015[20]都要求鋼針在貫穿樣品后仍在樣品中保持1 h，而FreedomCAR[6]未作規(guī)定。

近年來，不少研究人員對針刺試驗的效用提出了質疑，主要是基于以下三個原因[21-22]：一是該試驗并不能完全代表實際發(fā)生的事件；二是該試驗不能代表自發(fā)的內短路[21, 23-24]；三是有許多其他參數可以強烈影響試驗結果，例如鋼針速度、鋼針尺寸和電池SOC[25-27]。

1.6 翻 轉

翻轉（rollover）試驗模擬汽車在事故中可能遭遇的翻轉、顛覆，在一些標準（UL2580-2013，SAE J2929_2013）中也被稱為旋轉（rotation）。各標準規(guī)范中翻轉試驗的參數如表8所示，其中，SAE J2929_2013[15]未單獨規(guī)定翻轉試驗項目，該項目被包含在擠壓試驗項目中，要求在擠壓試驗后進行翻轉試驗。

可以將上述5項標準的翻轉試驗大致分為3類：SAE J2464_2009[17]、FreedomCAR[6]、GB/T 31467.3—2015[11]三項標準都要求先以360°/min（6°/s）的速率將樣品旋轉一周，隨后以90°為步進增量，每個位置保持60 min，旋轉一周。所不同的是，SAE J2464_2009和FreedomCAR未規(guī)定旋轉軸，GB/T 31467.3—2015規(guī)定樣品需要軸軸2個方向旋轉。SAE J2929_2013[15]要求樣品在1～3 min內旋轉90°，然后保持5 min，旋轉一周。UL 2580_2013[16]要求樣品以90°/15s的速度旋轉一周，且需在2個或3個方向進行旋轉，且特別指出富液式鉛酸電池不進行該項試驗。

1.7 跌 落

跌落（drop）試驗模擬動力電池從車輛中意外滑落或從高處跌落的情景。該試驗要求樣品以一定方向從規(guī)定的高度自由跌落到地面上（見表9）。

①1～3min內旋轉90°；②對于只有2個對稱軸的電池，如圓柱形電池，則繞2個軸旋轉。

表9 各標準規(guī)范跌落試驗參數表

①最大可能跌落距離且不小于1 m

除了FreedomCAR[6]要求跌落在圓柱形鋼棒的圓柱面外，其余標準均要求跌落在混泥土地面或堅硬平面。就跌落高度而言，SAE J2464_2009、GB/T 31485—2015、GB/T 31467.3—2015規(guī)定了從1～2m不等的固定的跌落高度[11,17,20]，SAE J2929_2013和UL 2580_2013規(guī)定應從最可能跌落的高度 落下且跌落高度至少為1 m[15-16]，FreedomCAR[6]要求跌落高度不超過10 m，具體高度根據電池的制造、組裝和正常使用期間的可靠濫用條件來確定。UL 2580_2013[16]規(guī)定至少跌落1次，當僅跌落1次時，不能水平跌落，應該將樣品傾斜10°，讓邊緣與地面接觸；當跌落次數大于1次時，應該至少有1次非水平跌落。其余標準未對跌落次數有規(guī)定。

2 環(huán)境安全性

2.1 熱沖擊循環(huán)

熱沖擊循環(huán)（thermal shock cycling）試驗在不同標準有不同的名稱，如溫度循環(huán)（temperature cycling，IEC 62660-2(3)、GB/T 31485—2015）、溫度沖擊（GB/T 31467.3—2015）、熱沖擊（thermal shock，SAE J2929_2013）、熱循環(huán)（thermal cycling，UL 2580_2013）。該試驗的目的是驗證動力電池抵抗環(huán)境溫度突然快速變化的能力，是應用最為廣泛的試驗項目，本文中所有標準規(guī)范都包括了該項目。該試驗要求樣品在兩個極端溫度間快速轉換，并保持一定的時間，循環(huán)5次或更多次數，具體參數如表10所示。需要注意的是，試驗前需關閉相關的熱控制裝置或冷卻裝置。

從表10可以看出，除IEC 62660-2:2010[13]對樣品工作時的試驗要求最低溫度為-20 ℃外，其余標準規(guī)范要求的最低溫度均為-40 ℃，而最高溫度的要求則不盡相同，從+60 ℃到+85 ℃不等。溫度轉換時間間接規(guī)定了溫度變化速率，IEC 62660-2(3)和GB/T 31485—2015的溫度轉換時間較長，均在2 h以上[13-14]，其他標準規(guī)定的時間則都在30 min以內。循環(huán)次數大部分為5次或30次，一般而言，溫度轉換時間長的循環(huán)次數多，但GB/T 31485—2015[20]例外。需要說明的是，SAE J2929_2013[15]引用了UN 38.3和SAE J2464_2009，規(guī)定兩個標準的參數都可以選用。UL 2580_2013[16]引用了SAE J2464_2009和IEC 62660-2:2010的樣品不工作部分，按照樣品類型分別選用引用的標準。

表10 各標準規(guī)范熱沖擊循環(huán)試驗參數表

①最低溫到最高溫150 min，最高溫到最低溫130 min；②最低溫90 min，最高溫110 min；③電池堆的溫度均勻性達到±5 ℃；④質量大于12 kg時，試驗溫度下的保持時間至少12 h。

2.2 熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性（thermal stability）試驗也稱為高溫耐受力（high temperature endurance，IEC 62660-2(3)）試驗、加熱（heating，UL 2580_2013、GB/T 31485—2015）試驗，用于評估電池在高溫下的穩(wěn)定性，具體試驗參數如表11所示。

本文所述標準規(guī)范中有6項包含了熱失控試驗，按照試驗過程可以將其分為2類。第一類是IEC 62660-2:2010、IEC 62660-3:2016、UL 2580_2013、GB/T 31485—2015，其中UL 2580_2013[16]直接引用了IEC 62660-2:2010，這類標準要求以5 ℃/min的速率直接加溫到規(guī)定的溫度，保持30 min或120 min后停止加熱；第二類是SAE J2464_2009、FreedomCAR，這類標準要求以5 ℃的步長步進加熱，且在每個溫度下保持一定時間，直到達到規(guī)定的溫度或者樣品出現嚴重事故，隨后從最后一個溫度階梯開始，以2 ℃的步長步進升溫，且在每個溫度下至少保持1 h，直至樣品出現熱失控，從而確定熱失控溫度。第一類熱失控試驗更注重評估電池在高溫下的穩(wěn)定性，而第二類試驗更注重估計電池的熱失控溫度。

2.3 起 火

起火（fire）試驗通過將電池樣品暴露在火中或者通過模擬手段，評估電池在遭遇起火時的安全性能。這類試驗的名稱不盡相同，本文將外部火燒（GB/T 31467.3—2015）、暴露在火中（exposure to fire，ISO 12405-3:2014）、高溫危險（high temperature hazard，SAE J2464_2009）、暴露于模擬車輛火災（exposure to simulated vehicle fire，SAE J2929_ 2013）、外部火災暴露（external fire exposure，UL 2580_2013）、內部火災暴露（internal fire exposure，UL 2580_2013）、燃燒拋射（projectile，UL 2580_2013）、防火性能（fire resistance，ECE R100-02_2013）、模擬燃料火災（simulated fuel fire，FreedomCAR）等試驗都歸為一類，統(tǒng)一稱為起火試驗。

ISO 12405-3:2014、ECE R100-02_2013和GB/T 31467.3—2015的試驗過程相似，將燃料放入平盤容器中，點燃預熱60s后再將平盤放至樣品下方，使其直接暴露在火焰下方70 s，隨后將蓋板蓋住平盤，保持60 s，結束試驗[4,10,12]。SAE J2464_2009和FreedomCAR 的試驗過程相似，不采用明火進行試驗，而是通過將樣品放入圓柱形金屬銅中，90 s內加熱到890 ℃，保持10 min或出現其他阻止試驗繼續(xù)進行的情況[6,17]。SAE J2929_2013[15]未對試驗過程作具體規(guī)定，由負責組織規(guī)定詳細細節(jié)，同時提供了SAE J2464、ECE R34、 SAE J2579、Korean MVSS 18-3、FMVSS 304等可供參考的標準。UL 2580_2013[16]有3個起火試驗類的測試項目。外部燃燒試驗采用明火將樣品加熱至590 ℃，隨后保持20 min。內部燃燒試驗驗證的是單體電池熱失控后對整個電池堆的影響，通過加熱、針刺等手段在10 min內促使中心位置的電池單體熱失控，觀察電池堆的狀況，該試驗只適用于鋰離子電池。燃燒拋射引用了UL 1642-2012，使樣品直接暴露在明火中，直至著火或爆炸。

表11 各標準規(guī)范中熱穩(wěn)定性試驗參數表

①最高工作溫度以上300℃或發(fā)生發(fā)生泄氣、嚴重毀壞等嚴重事件；②自加熱是指升溫速率大于1℃/min；③檢測到自加熱或達到最高工作溫度以上200 ℃或發(fā)生泄氣、嚴重毀壞等嚴重事件；④鋰離子電池最高溫度為（130±2）℃，金屬氫化物鎳電池最高溫度為（80±2）℃；⑤鋰離子電池保持時間為30 min，金屬氫化物鎳電池保持時間為120 min。

表12 各標準規(guī)范中起火試驗參數表

2.4 浸 泡

浸泡（immersion）試驗，在中國國標中稱為海水浸泡，評估電池被水浸沒時的安全性。該試驗要求樣品被一定濃度的鹽水浸沒并保持規(guī)定時間。各標準規(guī)范的浸泡試驗具體參數如表13所示。

ISO 12405-3:2014[10]雖然包含了浸泡試驗，但并未對鹽水濃度和保持時間等試驗參數作具體規(guī)定，只是指出浸泡試驗最壞的結果是造成電池短路，可能釋放出有毒氣體。各標準對浸泡試驗的鹽度規(guī)定不同，一般為3.5%或5%，其中前者是全球海水的平均鹽度，保持時間為1～2 h。

2.5 過 熱

過熱（overheat）試驗旨在評估溫度控制失效或其他保護功能失效對內部過熱的影響。本文將無熱控制/冷卻（Loss of thermal control/cooling，ISO 12405-3:2014）、無熱管理循環(huán)（cycling without Thermal Management, SAE J2464_2009）、單點熱控制系統(tǒng)故障（single point thermal control system failure，SAE J2929_2013）、過溫保護（over- temperature protection，ECE R100-02_2013）、快速充放電（rapid charge/discharge，FreedomCAR）5項試驗歸為此類。這類試驗均要求試驗前關閉冷卻系統(tǒng)或熱控制系統(tǒng)，然后用一定倍率充放電，各標準規(guī)范過熱試驗具體參數如表14所示。

表13 各標準中規(guī)范浸泡試驗具體參數表

①直到所有可見反應都停止。

表14 各標準規(guī)范中過熱試驗參數表

上述5項標準規(guī)范可以分為2類，ISO 12405- 3:2014為一類，其余3項標準規(guī)范為一類，其中SAE J2929_2013[15]引用了SAE J2464_2009。ISO 12405- 3:2014[10]要求樣品在高于額定工作溫度的環(huán)境中充放電，其余4項標準均在額定工作溫度下充放電。ISO 12405-3:2014和ECE R100-02_2013未對循環(huán)次數作規(guī)定[4,10]，其余3項標準均規(guī)定了20次充放電循環(huán)。各項標準的充電電流均由制造商規(guī)定，但放電電流不盡相同。

此外，GB/T 31467.3—2015[12]包含“過溫保護”試驗項目，該項目要求試驗時所有控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，試驗溫度為最高工作溫度，未規(guī)定充放電循環(huán)次數。該試驗驗證的是控制系統(tǒng)正常工作時對電池系統(tǒng)熱管理是否有效，其試驗過程和目的與前述的5項過熱試驗不同，因此不列入過熱試驗。

3 電氣安全性

3.1 短 路

短路（short circuit）試驗通常是指外部短路（external short circuit）試驗，也被稱為短路保護（short circuit protection）試驗或外部短路保護（external short circuit protection），用于評估電池在遭受外部短路時的安全性能。短路試驗和下文將介紹的過充電試驗、過放電試驗的應用都十分廣泛，所有電池安全性標準規(guī)范中均包含了這3項電氣安全性試驗。短路試驗一般要求用電阻值較低的導線，例如5 mΩ，短接電池正負極一定時間，然后觀察電池樣品是否著火、爆炸，具體試驗參數如表15所示。

表15 各標準規(guī)范短路試驗參數表

①嚴酷的短路試驗（hard short circuit）：￡5mΩ且遠小于電池樣品直流阻抗；溫和的短路試驗（soft short circuit）：310 mΩ且與電池樣品直流阻抗相當；②參考ISO 12405-1:2011或ISO 12405-2:2012或SAE J2464_2009；③直至電池著火/爆炸或電池放完電或模塊溫度達到峰值/穩(wěn)定態(tài)或試驗時間達到7h；④直至電池保護裝置工作或溫度穩(wěn)定（1 h內溫升小于4 ℃）后1h；⑤當樣品內阻￡5 mΩ時，導線電阻應小于樣品最小內阻的1/10。

外部線路電阻較小，通常小于100 mΩ，大多數標準都規(guī)定了一個最大值，只有ISO 12405系列標準規(guī)定了一個阻值范圍[8-10]。短路時間通常規(guī)定為10 min，只有SAE J2464_2009[17]規(guī)定為60 min，UL 2580_2013[16]對電池模塊和電池堆沒有規(guī)定固定時間，而是規(guī)定了4個試驗終止條件。ECE R100-02_2013[4]同樣沒有規(guī)定固定的短路時間，僅規(guī)定了2個試驗終止條件。SAE J2464_2009[17]將短路試驗分為強短路（hard short circuit）和弱短路（soft short circuit）兩個等級，其中后者的外接電路阻值更大，該標準認為弱短路試驗更能反映電池單體本身在發(fā)生短路時的安全性能，而不是在大電流時可能發(fā)生的內部連接方面的故障。SAE J2929_2013[15]引用了UN 38.3、ISO 12405-1:2011、ISO 12405-2:2012、SAE J2464_2009，規(guī)定短路試驗的參數從上述4個標準中選取，其中，UN 38.3要求將電池樣品加熱到（57 ± 4）℃，然后開始試驗，其余標準都是在室溫或正常工作溫度下進行短路 試驗。

此外，IEC 62660-3:2016[14]還規(guī)定了內部短路試驗（internal short circuit test），它通過使用絕緣的夾具對電池進行擠壓，誘發(fā)電池內短路。試驗過程中實時監(jiān)測電池電壓，當電壓值下降超過50mV時認為電池發(fā)生內短路。

3.2 過充電

過充電（overcharge）試驗，又稱過充電保護（overcharge protection）試驗，用于評估電池在充電器或相關控制電路故障時可能發(fā)生的充電超出制造商限制時的安全性。該試驗以一定倍率的電流對電池進行充電直至電池電壓或SOC值達到規(guī)定的條件，詳細試驗參數如表16所示。

表16 各標準規(guī)范過充電試驗參數表

①高功率應用5 C，高能量應用2 C；②BEV，1 C，HEV：5 C；③對單體電池需兩次過充電，一次以1 C過充電，一次以充電機能提供的最大電流或者3C充電；④電壓達到充電設備的保護電壓；

各個標準對過充電電流的規(guī)定各有不同，除FreedomCAR和SAE J2929_2013規(guī)定了具體的電流值外[6,15]，其余標準規(guī)定的都是一個放電倍率，最小的倍率為1 C，最大的為5 C。一般而言，過充電電流越大對電池的威脅越大。過充電試驗的截止條件則有很多類，大部分標準規(guī)范都以電池樣品所達到的電壓或SOC值為截止條件，ISO 12405系列標準和GB/T 31467.3—2015還規(guī)定了電池樣品溫度的截止條件[8-11]。

3.3 過放電

過放電（overdischarge）試驗，又稱為過充電保護（overdischarge protection）、強制放電（forced discharge）。該試驗要求電池樣品在放電至規(guī)定的放電截止電壓后（即SOC為0）仍然以一定的電流繼續(xù)放電，直至達到規(guī)定的截止條件。表17列出了各標準規(guī)范規(guī)定的過放電試驗的參數值，其中GB/T 31485—2015、FreedomCAR、IEC 62660-2:2010、ECE R100-02_2013以及引用該標準的UL 2580_2013的電池單體部分規(guī)定的放電電流和 放電時間是從滿電狀態(tài)正常放電開始計算的值，其余標準規(guī)范規(guī)定的參數值都是過放電階段的 值[4,6,13,16, 20]。

各標準規(guī)范對過放電電流的規(guī)定分為1C、1/3C和最大電流3種，其中大多數標準規(guī)定的電流值為1 C。SAE J2464_2009、SAE J2929_2013、ECE R100-02_2013等3項標準未規(guī)定過放電時 間[4,15,17]，而其余所有標準規(guī)定的過放電時間均為30 min，GB/T 31485—2015、FreedomCAR、IEC 62660-2:2010以及UL 2580_2013雖然規(guī)定放電時間為90 min，但由于該放電時間是從SOC為100%時開始計算的，且放電電流為1 C，因此，其實際過放電時間也為30 min[6, 13, 16, 20]。大部分標準還規(guī)定了以樣品電壓值作為過放電試驗的終止條件，當電壓低于額定電壓值的25%時（或為0 V時），終止試驗。

表17 各標準規(guī)范規(guī)定的過放電試驗參數值

①高功率應用1C，高能量應用1/3C；②電壓絕對值＜額定電壓的25%；③HEV/PHEV為1 C，EV為1/3C；④50%的子單元的維持電壓負值15 min以上。

4 結 論

電動汽車的逐步普及對動力電池的安全性提出了更高的要求，總結了國內外動力電池安全性測試標準規(guī)范，按機械安全性、環(huán)境安全性、電氣安全性分類比較了各個試驗項目的試驗參數。從包含的測試項目上看，各個標準規(guī)范的電氣安全性測試都包含了短路、過充電、過放電3個項目，這與動力電池的電池屬性相符。大部分標準規(guī)范的機械安全性測試都包含了振動、機械沖擊、擠壓3個項目，這與動力電池在實際使用中遭遇的工況一致。而環(huán)境安全性中，除了熱沖擊循環(huán)在各個標準規(guī)范中都有規(guī)定外，其余項目的應用都不夠廣泛，其中的鹽霧和低氣壓更是只有中國的國標有規(guī)定，這與一些標準將部分測試項目列入環(huán)境適應性有關。此外，我國的標準中沒有對測試項目的測試目的進行說明，國外的標準則從測試目的、測試流程/方法、測試要求3個方面對每一項測試項目進行詳細規(guī)定和說明。

雖然國內外的標準規(guī)范對電池的安全性做了較為全面的規(guī)定，但目前的測試更多是針對電池本身，整車級別的測試較少。僅對電池本身進行安全性測試顯然是不夠的，例如擠壓測試，電池在整車中有底盤或外殼的保護，這與標準中規(guī)定的電池直接接受擠壓是不同的。應加強電池在整車中的測試研究，并制定相關標準。另外，電池自身的內短路是引發(fā)電池著火爆炸等安全性問題的重要原因，目前僅有IEC 62660-3:2016對內短路進行了規(guī)定，且該規(guī)定與擠壓試驗較為接近。內短路的測試非常復雜，仍需要對測試方法進行開發(fā)研究。

[1] International Energy Agency. Global EV Outlook 2018[R]. Paris: IEA, 2018.

[2] Japanese Industrial Standards Committee. JIS C8715-2:2012 Secondary lithium cells and batteries for use in industrial applications—Part 2: Tests and requirements of safety[S]. Japanese Industrial Standards, 2012.

[3] 楊杰, 張凱慶. 國內外鋰離子動力電池安全性技術標準對比分析[J]. 客車技術與研究, 2015(2): 48-50. YANG Jie, ZHANG Kaiqing. Comparative analysis on safety standards of lithium-ion power battery at home and abroad[J]. Bus & Coach Technology and Research, 2015(2): 48-50.

[4] The United Nations Economic Commission for Europe. UN/ECE Regulation No. 100.02. Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to specific requirements for the electric power train[S]. Economic Commission of Europe, 2013.

[5] 邵杰, 謝佶宏, 趙奕凡, 等. 車用動力電池測試標準存在的問題及發(fā)展趨勢[J]. 標準科學, 2017(9):82-87. SHAO Jie, XIE Jihong, ZHAO Yifan, et al. Existing problems and development trend of power battery test standards for electric vehicle[J]. Standard Science, 2017(9): 82-87.

[6] DOUGHTY D H, CRAFTS C C. SAND 2005–3123: FreedomCAR electrical energy storage systems abuse test manual for electric and hybrid electric vehicle applications[R]. Sandia National Laboratories, 2005.

[7] RUIZA V, PFRANGA A, KRISTONA A, et al. A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018 (81): 1427-1452.

[8] International Organization for Standardization. ISO 12405-1:2011 Electrically propelled road vehicles —Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems —Part 1:High-power applications[S]. International Organization for Standardization, 2011.

[9] International Organization for Standardization. ISO 12405-2:2012 Electrically propelled road vehicles —Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems —Part 2:High-energy applications[S]. International Organization for Standardization, 2012.

[10] International Organization for Standardization. ISO 12405-3:2014 Electrically propelled road vehicles —Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems —Part 3: Safety performance requirements[S]. International Organization for Standardization, 2014.

[11] 全國汽車標準化技術委員會. 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]. 北京: 中國標準出版社, 2015. National Technical Committee of Auto Standardization. GB/T 31467.3—2015 Lithium-ion traction battery pack and system for electric vehicles—Part 3: Safety requirements and test methods[S]. Beijing: Standards Press of China, 2015.

[12] 全國電工電子產品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標準化技術委員會. GB/T 2423.4-2008 電工電子產品環(huán)境試驗第2部分: 試驗方法試驗Db：交變濕熱(12 h+12 h循環(huán))[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008. National Technical Committee of Environmental Conditions and Environmental Testing Standardization of Electric and Electronic Products. GB/T 2423.4—2008 Environmental testing for electric and electronic products—Part 2: Test method—Test Db: Damp heat, cyclic(12 h + 12 h cycle)[S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

[13] International Electrotechnical Commission. IEC 62660-2:2010 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles — Part 2: Reliability and abuse testing[S]. International Electrotechnical Commission, 2010.

[14] International Electrotechnical Commission. IEC 62660-3:2016 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles — Part 3: Safety Requirements [S]. International Electrotechnical Commission, 2016.

[15] International Society of Automotive Engineers. SAE J2929_2013 Safety standard for electric and hybrid vehicle propulsion battery systems utilizing lithium-based rechargeable cells [S]. SAE International, 2013.

[16] Underwriter Laboratories Inc. UL 2580:2013 Batteries for use in electric vehicles [S].UL Standard Designation, 2013.

[17] International Society of Automotive Engineers. SAE J2464_2009 Electric and hybrid electric vehicle rechargeable energy storage system (RESS) safety and abuse testing [S]. SAE International, 2009.

[18] International Organization for Standardization. ISO 16750-3:2012 Road vehicles — Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment — Part 3:Mechanical loads[S]. International Organization for Standardization, 2012.

[19] International Electrotechnical Commission. IEC 60086-2-27:2008 Environmental testing –Part 2-27: Tests – Test Ea and guidance: Shock[S]. International Electrotechnical Commission, 2008.

[20] 全國汽車標準化技術委員會. GB/T 31485—2015電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2015. National Technical Committee of Auto Standardization. GB/T 31485-2015 Safety requirements and test methods for traction battery of electric vehicle[S]. Beijing: Standards Press of China, 2015.

[21] LAMB J, ORENDORFFC J. Evaluation of mechanical abuse techniques in lithium ionbatteries[J]. J. Power Sources, 2014(247): 189-196.

[22] DUBANIEWICZ T H, DUCARME J P. Are lithium ion cells intrinsically safe?[R]. Las Vegas: IEEE Proceedings of the industry applications society annual meeting (IAS), 2012.

[23] MALEKI H, HOWARD J N. Internal short circuit in Li-ion cells[J]. J. Power Sources, 2009(191): 568-574.

[24] CAI W, WANG H, MALEKI H, et al. Experimental simulation of internal short circuit in Li-ion and Li-ion-polymer cells[J]. J. Power Sources, 2011(196): 7779-7783.

[25] SPOTNITZ R, FRANKLIN J. Abuse behavior of high-power, lithium-ion cells[J]. J. Power Sources, 2003(113): 81-100.

[26] DUBANIEWICZ T H, Jr, DUCARME J P. Further study of the intrinsic safety of internally shorted lithium and lithium-ion cells within methane-air[J]. J. Loss Prev. Process Ind., 2014(32): 165-173.

[27] SPEK E J. Lithium ion abuse test methods improvement[R]. Portland: IEEE symposium on product compliance engineering (ISPCE), 2012.

A review of international safety testing standards and regulations for lithium ion power batteries

1,2,1,1,1,2,1,2,1,2

(1Research Institute of Chemical Defense, Beijing 100191, China;2North Military Battery Test Center, Beijing 102205, China)

Some of typical safety standards and regulations of lithium ion traction batteries are compared, including ISO 12405, IEC 62660, SAE J2464, SAE J2929, UL 2580, ECE R100-02, GB/T 31485, GB/T 31467.3 and FreedomCAR. Safety tests are classified into three type tests, i·e. mechanical, environmental and electrical tests. The specific parameters of each test item in different standards and regulations are introduced in details. The similarities and differences of Chinese national standards with foreign standards are summarized, some shortcomings in the current standards are pointed out, and suggestions for improvement are put forward.

lithium ion power batteries; safety test; standards

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0203

TM 912.2

A

2095-4239（2019）02-428-14

2018-10-11；

2018-11-27。

國家自然科學基金青年基金項目（21703285）。

祝夏雨（1989—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為電池測試評價技術，E-mail：zhuxy89@126.com。