2020動力電池安全性測試與評價研究

動力電池安全性測試與評價2019

目錄2背景國內(nèi)外動力電池安全標準介紹動力電池安全性測試評價小結(jié)

新能源汽車著火頻發(fā)，電池安全引起重點關(guān)注！

3

動力電池等儲能裝置本質(zhì)上是具有危險性的，且隨著其比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險性將增大碰撞違規(guī)充電浸水自燃動力電池面臨的安全挑戰(zhàn)

事故描述關(guān)聯(lián)原因無法正常充電(2)斷路/部分斷路—電極材料脫落滿電態(tài)無法行駛(3)電池快速老化—有效鋰的量減少續(xù)駛里程與宣傳不符(1)電池快速老化—有效鋰的量減少快速充電功能失效(1)電池內(nèi)阻增大行駛中電池故障(1)斷路/部分斷路—電極材料脫落事故原因分析安全性影響因素選材電極研制工藝模塊老化熱穩(wěn)定性◎◎◎◎◎◎金屬Li析出○○◎◎◎◎金屬枝晶△△○◎◎◎SEI?Li量△△○○◎◎金屬枝晶SEILi量熱穩(wěn)定性金屬Li析出

6建立“材料—產(chǎn)品---安全”閉環(huán)聯(lián)動測評方法及平臺意義重大！為什么電池系統(tǒng)存在安全性問題？如何評價電池風險？

目錄背景7國內(nèi)外動力電池安全標準介紹動力電池安全性測試評價小結(jié)

3.1

國外主要動力電池測試標準8StandardOrganizationStandardnumberNameDUTNotescellmodulepackSAEJ2464-2009ElectricandHybridElectricVehicleRechargeableEnergyStorageSystemSafetyandAbuse

Testing√√√SafetyJ2380-2009VibrationTestingofElectricVehicleBatteries√√Mechanical

StressISO12405-1

2009Electricallypropelledroadvehicles-TestspecificationsforLithium-iontractionbatterypacksandsystems-Part1:Highpower

applications√Electricalperformance12405-2

2009Electricallypropelledroadvehicles-TestspecificationsforLithium-iontractionbatterypacksandsystems-Part2:HighEnergy

applications√Electricalperformance12405-3

2009Electricallypropelledroadvehicles-TestspecificationsforLithium-iontractionbatterypacksandsystems-Part3:

Safety√SafetyUSABCSAND2005-3123ElectricalEnergyStorageSystemAbuseTestManualforElectricandHybrideElectricVehicle

Applications√√√SafetyDOE/ID-11069FreedomCARBatteryTestManualforPower-AssistHybridElectric

Vehicle√ElectricperformanceUL1642Lithium

Batteries√√Reliability

andAbuse

Testing2580BatteriesforUseinElectric

Vehicles√√Reliability

andAbuse

TestingUN38.3LithiumBatteryTesting

Requirements√√SafetyECER

100Part2:RequirementsofaRechargeableEnergyStorageSystemwithregardtoitsSafety√SafetyIEC62660-1：2010Secondarylithium-ioncellsforthepropulsionofelectricroadvehicles–Part1:Performance

testing√Electricalperformance62660-2：2010Secondarylithium-ioncellsforthepropulsionofelectricroadvehicles–Part2:ReliabilityandAbuse

Testing√Reliability

andAbuse

Testing

UN38.3聯(lián)合國針對鋰離子電池航空運輸安全要求，T1~T8八項試驗。9

FreedomCar(SAND

2005-3123)機械濫用測試擠壓針刺跌落水浸模擬翻滾機械沖擊熱濫用測試熱穩(wěn)定性模擬火燒加速溫度存儲快速充放電溫度沖擊循環(huán)電濫用測試過充短路過放局部短路推薦測試順序測試內(nèi)容10

SAE

J246411機械濫用試驗電濫用試驗SAE

J2464主要針對電芯、模塊、系統(tǒng)的安全及濫用測試，包括機械、熱、電濫用試驗機械沖擊（電芯或以上）跌落（電池包）針刺（電芯或以上）翻滾（模塊和包）鹽水浸泡（模塊或包）擠壓（電芯或以上）熱濫用試驗短路（電芯和模塊或包）過充（電芯和模塊或包）過放（電芯和模塊）高溫危險（模塊和包）熱穩(wěn)定性（電芯）無熱管理的循環(huán)充放（模塊和包）溫度沖擊循環(huán)（電芯或以上）被動熱擴散電阻測試（模塊或包）

UL2580特有項12主要針對電池系統(tǒng)，相比其他國際標準，電氣測試項目增加，包括溫升、不平衡充電、耐壓、絕緣、接地、冷卻系統(tǒng)失效等。

ECER100Part

2振動溫度沖擊循環(huán)機械沖擊擠壓外部火燒外部短路保護過充保護過放保護過溫保護Acceleration

Maximum

curveMinimum

curveABCDEFGHTime擠壓100KN聯(lián)合國關(guān)于M、N類電動汽車儲能系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)定，共9項，鎳氫電池增加1項氣體排放實驗13模擬碰撞火燒試驗沖擊波形擠壓板

3.2

國內(nèi)現(xiàn)有電動汽車動力電池測試標準QC/T

741-2014

車用超級電容器QC/T

742-2006

電動汽車用鉛酸蓄電池QC/T

743-2006

電動汽車用鋰離子蓄電池QC/T

744-2006

電動汽車用金屬氫化物鎳蓄電池QC/T840-2010

電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸QC/T

897-2011

電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件GB/Z

18332.1-2009

電動道路車輛用鉛酸蓄電池GB/Z

18332.2-2001

電動道路車輛用金屬氫化物鎳蓄電池GB/Z

18333.1-2001

電動道路車輛用鋰離子蓄電池GB/Z

18333.2-2015

電動汽車用鋅空氣電池動力電池新國標GB/T

31467.1-2015

電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分高功率應用測試規(guī)程GB/T

31467.2-2015

電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分高能量應用測試規(guī)程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GB/T

31484-2015

電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法GB/T

31485-2015

電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法GB/T

31486-2015

電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法GB/T

34013-2017《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》GB/T

34014-2017《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》GB/T

34015-2017《車用動力電池回收利用

余能檢測》GB《電動汽車用動力蓄電池安全要求》

GB/T

31485單體、模塊安全要求及實驗方法，各10項測試，單體每項2個樣品，模塊每項1個樣品對電池單體和模塊本身安全的考量；動力電池產(chǎn)品公告要求；測試過程中去掉模塊保護措施三元電池針刺、過充失效率高送樣模塊容量要求大于20Ah；振動和熱相關(guān)實驗放在性能要求標準中。針刺暫不做要求15

GB/T

31467.3電池包或系統(tǒng)安全測試要求及測試方法，共16項，包括機械、熱、環(huán)境、電氣保護等項目測試要求滿電由于特殊原因（重量、尺寸）可用符合整車相關(guān)要求的子系統(tǒng)代替電池產(chǎn)品公告要求（征求意見稿），振動和擠壓暫緩；動力電池系統(tǒng)企業(yè)行業(yè)準入強制標準國內(nèi)獲得標準全項CNAS資質(zhì)的第三方實驗室4家，測試資源少

16

電動客車安全技術(shù)條件17可充電儲能系統(tǒng)蓄電池單元按照附錄B的熱失控測試條件進行試驗，測試對象不應發(fā)生起火、爆炸。蓄電池包按照附錄C的熱失控擴展測試條件進行試驗，測試對象應滿足表1中一級或二級安全要求。按照GB/T

31467.3-2015中7.1的要求，在電池包完成且通過的振動試驗后，再將此電池包按照GB/T

31467.3-2015中7.9所述的海水浸泡測試方法進行試驗，電池包應不起火、不爆炸。一級蓄電池包未發(fā)生起火、爆炸且蓄電池包表面溫度不超過150℃二級蓄電池包未發(fā)生起火、爆炸，但蓄電池包表面溫度超過150℃三級蓄電池包發(fā)生起火燃燒，但未發(fā)生爆炸四級蓄電池包發(fā)生爆炸蓄電池包熱失控擴展安全等級

蓄電池單元熱失控試驗(附件B)試驗方法完成測試對象與加熱裝置的裝配，加熱功率要求見表3,加熱裝置與蓄電池應直接接觸（參見圖1），安裝溫度監(jiān)測器，監(jiān)測測試對象的正、負極柱，和各可測面幾何中心的溫度，溫度數(shù)據(jù)采集頻率要求不小于1Hz記錄一個數(shù)據(jù)，精度要求小于±0.5℃。將測試對象充電到100%SOC后，再對測試對象用1C電流繼續(xù)充電12min。啟動加熱裝置對測試對象進行持續(xù)加熱，直到出現(xiàn)如下條件之一后,

關(guān)閉加熱器。與加熱裝置直接接觸的電池任何一測量點的溫度均超過150℃，且測得的溫升速率（dT/dt）超過10℃/s；各測量點的溫度超過300℃，并持續(xù)5min。加熱過程中及加熱結(jié)束1h內(nèi)，如果發(fā)生起火、爆炸現(xiàn)象，則試驗終止。測試對象容量x（Wh）加熱器最小功率（W）<=100200200<x<=800500>800800硬殼及軟包蓄電池單元圓柱形蓄電池單元18

2016年11月國家汽標委啟動了鋰離子動力電池強制性檢測標準（GB）的制定工作;2017年3月形成鋰離子動力電池強制性檢測標準（GB）的草案;預計2017年9月形成鋰離子動力電池強制性檢測標準（GB）的征求意見稿;制定目的是為了進一步嚴格要求新能源汽車用動力電池的要求5.將GB/T

31485-2015和GB/T31467.3-2015檢測項目合并，并加入車輛實際運行過程中可能遇到的濫用情形；新國標GB《電動汽車用動力蓄電池安全要求》

試驗項目

20

安全性試驗項目規(guī)范

21

3.3

標準對比單體/模塊序號測試項目GB/T31485-2015ISO

12405IEC62660-2ECE

R100.2GB1過充電√XXX√2過放電√XXX√3短路√XXX√4加熱√XXX√5溫度循環(huán)√XXX√6低氣壓√XXX√7擠壓√XXX√8振動√XXX√9機械沖擊√XXX√10跌落√XXX（機械沖擊代替）11針刺√XXX12海水浸泡√XXX

序號測試項目GB/T31467.3-2015ISO

12405IEC62660-2ECE

R100.2GB1振動√√X√√2機械沖擊√√XX√3模擬碰撞√√X√√4擠壓√√X√√5翻轉(zhuǎn)√XXX√6跌落√XXX√7溫度沖擊√√X√√8濕熱循環(huán)√√XX√9鹽霧√XXX√10高海拔√XXX√11海水浸泡√XXX√12熱失控擴展X√XX√3.3

標準對比

系統(tǒng)

序號測試項目GB/T31467.3-2015ISO12405IEC62660-2ECER100.2GB13外部火燒√√X√√14高溫保護√√X√√15短路保護√√X√√16過放電保護√√X√√17過充電保護√√X√√18低溫保護XXXX√19過流保護XXXX√

3.3

標準比對---動力電池包擠壓試驗標準比較標準新國標ECE

R100UL2580SAEJ2464擠壓板形式半徑75mm半圓柱體3個75mm半圓柱體，邊緣間隙30mm,底板平3個75mm半圓柱體，邊緣間隙30mm,底板平3個75mm半圓柱體，邊緣間隙30mm,底板平擠壓方向X,Y與車行駛方向垂直的2個方向X,Y,Z最脆弱的2個方向擠壓程度200kN或變形量30%100kN13±0.78

kN變形到85%保持5分鐘，繼續(xù)壓縮到50%，擠壓力小于1000倍電池重量保持時間10分鐘最少100ms，不超過10s1分鐘擠壓速度：電芯0.5~1mm/min包0.5~1cm/min測試對象電芯、模塊、系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)電芯、模塊、系統(tǒng)試驗前SOC狀態(tài)100%SOC>=50%SOC100%SOC100%SOC要求不起火、不爆炸<=4不漏液、不起火、不爆炸<=2不起火、不爆炸<=4部分漏液、不起火、不爆炸<=3

25

3.3

標準比對---動力電池包振動試驗標準比較26標準UN38.3ISO12405/GBT31467.3SAEJ2380GMW

16390頻率范圍7~200Hz5~200Hz10~190Hz8~1000Hz量級（大電池）最大2G，電池包>6.2kWh不做要求X:0.96GrmsY1:

1.23GrmsY2:

0.95GrmsZ:

1.44GrmsZ:1.9&

0.75/0.95GrmsY:1.5&0.4/0.75GrmsX:1.5&

0.4/0.75GrmsZ:

1.4GrmsX&Y:

1.1Grms試驗周期Z:

3小時Y:

3小時X:

3小時Z:

21/15/12小時Y:

21/15/12小時X:

21/15/12小時Z:

10.8/7.3小時Y:

38.18/13.58小時X:

38.18/13.58小時Z:

5.4/3.65小時Z:

24小時Y:

24小時X:

24小時樣品數(shù)量1個（前提是電芯和模塊已通過UN38.3)1/2/3個未規(guī)定Phase

4:

1個Development:

2個DV:

6個PV:

6個試驗前SOC狀態(tài)100%SOC50%SOC/滿電100%SOC未規(guī)定高低溫要求無有（-40~75℃或另行約定）無有（電芯最低溫達到TcellMin

+5℃以及電芯最高溫達到Tcell

Max

-5℃)試驗中充放電要求無無有(僅作為SOC調(diào)節(jié)，C/3）有（50%時間工況譜，50%時間1C

CHA/2C

DCH）

3.4

小結(jié)27國內(nèi)外動力電池安全測試標準較多，測試主要內(nèi)容基本相同，主要包括機械、熱、電濫用測試，根據(jù)國家或區(qū)域要求適當增減測試項目；測試方法和接受標準有所區(qū)別，但不起火、不爆炸是電池安全底線；我國動力電池安全相關(guān)標準比較全面，基本涵蓋國際主要標準測試項目，需要根據(jù)電池發(fā)展趨勢動態(tài)更新和完善，如熱管理相關(guān)的測試項目及要求；我國動力電池安全測試系統(tǒng)、設(shè)備、實驗室及研究分析平臺等能力需要進一步加強。

目錄背景國內(nèi)外動力電池安全標準介紹28動力電池安全性測試評價小結(jié)

使用安全續(xù)駛里程加速爬坡性能經(jīng)濟性使用便捷性全天候使用回收利用整車要求電池性能高安全特性高能量密度高功率密度長壽命低成本快速充電寬溫度范圍性能環(huán)境友好整車應用對動力電池的要求

動力電池系統(tǒng)主要包括電性能、機械、環(huán)境、EMC、低壓電源及接口、電氣安全、濫用安全等。30

三元電池模塊針刺試驗電芯溫度曲線試驗照片31容量大，比能量密度高的電池失效率高，主要是熱失控引起起火

電池熱安全電芯過充磷酸鐵鋰方殼電芯過充三元軟包電芯過充三元方殼電芯過充

磷酸鐵鋰電池包熱擴散(針刺觸發(fā))觸發(fā)電芯

磷酸鐵鋰電池包熱擴散(過充觸發(fā))Tmax250℃峰值電壓

磷酸鐵鋰電池包(加熱觸發(fā))觸發(fā)電芯電壓

典型磷酸鐵鋰標準箱熱擴散試驗后外觀上蓋下箱體觸發(fā)電芯池熱失控后，其相鄰四節(jié)電芯電壓異常，其余電芯外觀和電壓數(shù)據(jù)完好。

電池包振動試驗37結(jié)構(gòu)緊湊、外形規(guī)整對稱、體積和重量較小的電池包比較容易通過試驗；主要失效形式有外殼結(jié)構(gòu)件、線束連接段子、采樣線束、絕緣電阻下降、甚至漏液、起火；新國標與SAE

J2380相比，失效率更高；標準已修改，Z方向3小時

機械沖擊實驗標準的選擇ISO16750-3section

4.2.2GMW16390section7.3.3orsection

8.3.3ISO

標準最大50g，針對車用小零部件，不適用電池系統(tǒng)EP11機械沖擊采用GMW

標準，達到40g，功能正常38

電池包擠壓試驗如果車身部件作為電池外殼或保護件，可以與電池包一起試驗在已完成的試驗中，變形量和擠壓力達到的都有；如果高壓接插件在電池包兩端，擠壓過程中極易發(fā)生短路；擠壓方向的確定；試驗安全防護至關(guān)重要，擠壓過程中實時監(jiān)控BMS關(guān)鍵信息，試驗過程如果發(fā)生冒煙起火，可迅速將電池包吊裝到水槽中標準修改，擠壓力100kN39

電池包火燒試驗覆蓋GB/T

31467.3，

ECE

R100標準可靈活拼裝的油盤精確控制加油量和火燒時間隧道中試驗，風速可控，排煙處理火燒時間短，通過率高40

電池包模擬碰撞試驗試驗需在碰撞臺車上進行，試驗夾具及安裝隊試驗結(jié)果影響大；出于試驗風險考慮，一般在做完振動試驗后再做模擬碰撞試驗；試驗通過率高；試驗樣品過大時可用子系統(tǒng)代替試驗試驗安全保護考慮，碰撞臺車上加裝安全防護箱，配備大流量滅火系統(tǒng)，且防護箱具有電絕緣、防漏水功能41

3.5%NaCl鹽水，全部浸沒，絕緣電阻檢測不小于100Ω/V上下蓋、接插件及安裝部位容易漏水；一旦漏水，半浸危險大，全浸相對安全液冷系統(tǒng)通過率較高，風冷系統(tǒng)試驗時要連接好風道電池包水浸試驗

42

電池包跌落/