(高清版)GBT 42728-2023 鋰離子電池組安全設計指南

鋰離子電池組安全設計指南Guidelinesforsafetydesignoflithiumionbatteries2023-08-06發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會I 12規(guī)范性引用文件 l3術語和定義 14設計總則 25標識和警示說明 35.1標識要求和警示說明 35.2耐久性 3 36.1電池選擇 36.2電池容量選擇 36.3電池一致性 36.4電池數量 36.5電池組合間隙 36.6電池安全性 46.7電池外觀 47保護電路 47.1概述 47.2電壓管理 47.3電流管理 47.4溫度管理 57.5一致性管理 57.6多級保護 57.7保護可靠性 57.8其他考慮 68部件與材料 68.1過充過放保護裝置的安裝 68.2連接器/連接片連接 68.3端子和連接設計 68.4緊固件 68.5溫度傳感器 78.6布線 78.7材料 7Ⅱ9安全性熱設計 9.1熱保護設計 9.2電池在電池組中的位置 9.3電池組在設備中的位置 10防火設計 10.1材料阻燃 810.2防延燒設計 11安裝 11.1防止機械損傷 11.2防止跌落損傷 811.3嵌入其他設備 811.4安裝方向 8參考文獻 9ⅢGB/T42728—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中華人民共和國工業(yè)和信息化部提出并歸口。本文件起草單位：中國電子技術標準化研究院、東莞新能德科技有限公司、欣旺達電子股份有限公司、惠州市德賽電池有限公司、珠海冠宇電池股份有限公司、寧德新能源科技有限公司、寧波公牛數碼科技有限公司、深圳市華寶新能源股份有限公司、小米通訊技術有限公司、深圳市比亞迪鋰電池有限公司、聯(lián)想(北京)有限公司、OPPO廣東移動通信有限公司、深圳市睿能技術服務有限公司、煙臺海博電氣設備有限公司、上海道口松研智能科技有限公司、福建飛毛腿動力科技有限公司。1鋰離子電池組安全設計指南1范圍本文件提供了在設計鋰離子電池組時涉及的與電池組安全特性相關的指導，從電池、保護電路、材料與部件、熱設計、防火及安裝等方面給出了提升產品安全特性的建議。本文件適用于鋰離子電池組的設計，不區(qū)分應用領域。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。生產鋰離子電池的制造廠商。將電池組裝成電池組的制造廠商。注：在某些情況下，電池組制造廠商也可能是電池制造商。依靠鋰離子在正極和負極之間移動實現(xiàn)化學能與電能相互轉化的裝置，并被設計成可充電。注1:裝置通常包括電極、隔膜、電解質、容器和端子等。注2:以下簡稱為電池。多個電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起的配置，可能有也可能沒有保護裝置[如熔斷器或正溫度系數熱敏電阻(PTC)]和監(jiān)控電路。電池組保護板batteryprotectioncircuitmodule;PCM電池組管理單元batterymanagementunit;BMU電池組管理系統(tǒng)batterymanagementsystem;BMS以控制電池組的充放電行為為核心功能，用以保護電池安全的電路板、電路模塊或電子系統(tǒng)。注1:通常在簡單的便攜產品應用領域，使用單獨的電池組保護板來保護電池，而在復雜電池組系統(tǒng)中的組成模組中，使用電池組管理單元來管理模組中的電池，在復雜電池組系統(tǒng)如新能源汽車動力電池組中使用電池組管2理系統(tǒng)來實現(xiàn)對電池的管理保護。注2:復雜的電池組管理系統(tǒng)可能包括電池電壓、溫度及電流測量、能量均衡、電量(SOC)計算及顯示、異常報警、充放電管理、通信等。電池組batter電池組系統(tǒng)batterysystem注1:如果電池制造廠商和用戶達成協(xié)議，過放切斷并不是強制性的。注2:它可以包含冷卻或加熱裝置，有的甚至包含了充放電模塊和逆變模塊?？傎|量超過12kg的鋰離子電池組。注：本文件簡稱為大型電池組?？梢姷囊后w電解質的漏出。由于內部或外部因素引起電池外殼或電池組殼體的機械損傷，導致內部物質暴露或溢出，但沒有從電池或電池組發(fā)出火焰。電池或電池組的外殼劇烈破裂并且主要成分拋射出來。4設計總則產品設計人員在進行產品總體設計時首先要考慮產品的安全性，即對維修人員或使用人員提供可接受的保護措施，以免維修人員或使用人員在預期使用或合理可預見的誤用下導致人身傷害或財產損失。如果在安全性和經濟利益等產品其他因素之間發(fā)生沖突時，優(yōu)先考慮安全性的要求。鋰離子電池在確定電池或電池組采用何種設計方案時，需遵守以下的優(yōu)先次序：3GB/T42728—2023——其次，如果無法實行以上原則，那么需設計保護裝置，減少或消除危險發(fā)生的可能性；——最后，如果上述方案和其他的措施均不能徹底避免危險的發(fā)生，那么需對殘留的危險采取標識和說明的措施。在必要情況下，如針對電池的電安全保護(過壓充電、過流充電、欠壓放電、過載、外部短路等),使用雙重防護，甚至多級防護。5標識和警示說明5.1標識要求和警示說明電池組宜在本體上用中文標明必要的標識，如產品名稱、型號、額定容量或能量、充電限制電壓等。本體不具備標識條件的，在獲得相關方許可后將必要的信息放置在最小包裝、規(guī)格書或者系統(tǒng)設備本體中。電池組本體宜有生產廠和可以追溯生產日期批次的相關信息，如批次號、條碼、二維碼等。為了指導消費和維護人員不要將電池組進行非預期的使用，電池組的本體或最小包裝上宜有必要的中文警示說明。示例1:禁止拆解、撞擊、擠壓或投入火中。示例2:若出現(xiàn)嚴重鼓脹，切勿繼續(xù)使用。示例3:切勿置于高溫環(huán)境中。5.2耐久性電池組本體上的標識和警示說明要清晰可辨，且耐久和醒目。在正常使用時需考慮耐久性對其影響，例如最終用戶可以自行更換的電池組，其標識與警示說明宜有更高的耐久性。6電池6.1電池選擇對鋰離子電池組中電池的選擇，在滿足產品要求的情況下，如電性能、尺寸空間等，優(yōu)先選擇采用安全性較高材料的電池。6.2電池容量選擇同樣組成的單體電池，容量越大，能量越大，相應安全隱患越大。為保證整個電池組的安全性，謹慎選用標稱容量較大的單體電池，保證其安全性并配置必要的保護裝置。6.3電池一致性組合前需對電池的一致性進行篩選(考慮容量、內阻、電壓等);宜采用同一品牌、型號、規(guī)格的電池，否則需滿足與電池的一致性有關的國際標準、國家標準和行業(yè)標準的安全性要求。6.4電池數量為了降低安全風險，電池組中串聯(lián)和并聯(lián)的電池的最大數量分別不超過電池制造商的推薦數量。6.5電池組合間隙在電池組結構設計時，對方形結構和聚合物(包含液態(tài)軟包裝)結構的電池在電池最大面預留有足4GB/T42728—2023夠的膨脹空間，所預留的膨脹空間至少大于電池制造商推薦的最小值。6.6電池安全性電池組制造商使用的電池的安全性要滿足與電池有關的國際標準、國家標準和行業(yè)標準。6.7電池外觀組裝前，對電池的外觀進行檢查，電池的外觀符合電池組制造商的規(guī)定，表面清潔、無機械損傷等。7保護電路7.1概述鋰離子電池遭遇充電過壓、放電欠壓、充電過流、放電過流、外部短路等非正常條件，或在極端環(huán)境條件下充放電，或在實際應用環(huán)境下的充放電倍率超出其自身能力，均可能帶來安全風險。電池組在設計中，宜主動應對上述風險，以保護組成電池的安全。應對上述風險的方式包括，主動停止充放電行為或者將充放電行為控制到制造商規(guī)定的安全范圍之內。宜優(yōu)先從電路功能設計上響應上述安全考慮，即設計能夠控制電池組充放電行為的保護電路，如為電池組增加PCM/BMU/BMS。優(yōu)先在電池組內設計上述保護電路。若僅在系統(tǒng)設備電路中設計上述保護電路而使用了自身不含保護電路的電池組，則不宜將系統(tǒng)的電池組設計為用戶可更換結構。為實現(xiàn)完善的保護功能，電池組中可以考慮增加必要的信息采集裝置，電池組與設備的連接可以增加必要的通信和控制總線，某些場景下(如在保障人身、財產安全的前提下)可由系統(tǒng)控制電路來響應保護策略。7.2電壓管理電池組的保護電路宜具有過壓充電保護功能，防止任意一個電池被充電至超過其充電上限電壓。電池組的保護電路宜具有欠壓放電保護功能，防止任意一個電池被放電至低于其放電截止電壓。多節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池組，即使總電壓不超過電池組的安全范圍，也可能因組成電池一致性變差而出現(xiàn)的某個單節(jié)電池過壓或者欠壓。因此，多節(jié)串聯(lián)電池組針對每一個電池或者每一個電池并聯(lián)塊的電壓管理是十分必要的。對多級串聯(lián)的鋰離子電池組，恰當的均衡設計能夠降低因組成電池不一致造成的充電過壓或者放電欠壓出現(xiàn)的概率。但電池組不宜僅依賴電路均衡功能來防止充電過壓或者放電欠壓危險。若電池組或其組成電池的充電上限電壓或放電截止電壓與環(huán)境溫度緊密相關，則除擁有可靠的電壓保護之外，還宜控制充放電中任一組成電池不超出其在當前環(huán)境溫度下的充電上限電壓及放電截止電壓。對于設計有保護措施，不會被充電或放電至安全電壓范圍之外的電池使用的保護電路，可以降低電壓管理要求。7.3電流管理電池組的保護電路宜具有充電過電流保護功能，防止任意一個電池的充電電流超出其最大充電電流。電池組的保護電路宜具有放電過電流保護功能，防止任意一個電池的放電電流超出其最大放電5GB/T42728—2023電池組的保護電路宜具有短路保護功能，防止因為外部負載短路而造成電池組形成放電短路回路。對于多節(jié)電池并聯(lián)使用的鋰離子電池組，即使電池并聯(lián)塊的總電流不超過安全范圍，也可能因組成電池一致性變差而出現(xiàn)的某個單節(jié)電池遭遇充電或者放電過電流。宜在整個壽命周期內，將電池組每個組成電池的充電和放電電流均控制在制造商規(guī)定的安全范圍之內。必要時，并聯(lián)電池的電流管理宜包含針對每一個電流支路的充放電電流控制。對于充放電回路分開設計的鋰離子電池組，充電回路宜能阻止相反的電流通過。若因能量回收等設計需要在放電回路允許通過反向電流，設備和系統(tǒng)宜分別將充電和放電電流控制在電池的最大充電和放電電流之下，電池組宜保護充電和放電電流分別不超過電池的最大充電和放電電流。為了防止電路和電子元器件過熱引起著火，電池組的保護電路需要考慮回路是否擁有足夠的載流能力，保護電路使用的器件能否耐受足夠的電壓、電流、功率、脈沖能量等。通常鋰離子電池的最大充電電流和最大放電電流能力與電池溫度緊密相關。電池組的保護電路除了擁有可靠的充電和放電過電流保護之外，還宜根據電池溫度調整充放電電流，確保應用中任一組成電池的充電和放電電流不超出其在當前電池溫度下的最大充電和放電電流能力。對于設計有保護措施，充電和放電電流不會超出其安全電流范圍之外的電池，保護電路可以降低電流管理要求。7.4溫度管理電池組的保護電路宜具有高溫保護功能，防止電池組在超過組成電池的上限充電溫度和上限放電溫度的條件下充電和放電。電池組的保護電路宜具有低溫保護功能，防止電池組在低于組成電池的下限充電溫度的條件下充電。電池組的溫度采集宜盡可能覆蓋到每一個組成電池，且監(jiān)測其表面溫度，宜對電池最可能發(fā)熱的位置進行表面溫度的監(jiān)測。必要情況下，宜對電池組溫度最高的組成電池和溫度最低的組成電池的溫度之差實施管理，以降低電池失效或事故的可能。7.5一致性管理多級串聯(lián)的電池組，宜具備一定的電池均衡功能。對大型鋰離子電池組，宜有監(jiān)控電池組組成電池的狀態(tài)信息的功能，并且電池組宜具備將電池狀態(tài)信息通過電池組的接口上報給系統(tǒng)設備的能力。系統(tǒng)設備宜能通過通信信號發(fā)現(xiàn)電池組組成電池的一致性情況，并及時將不可接受的電池一致性問題通知給用戶或制造商。7.6多級保護推薦電池組采用二級或以上的過充電保護設計，以增加電氣安全保護冗余。若電池組采用了充電管理電路與保護電路集成在一起的集成電路器件，為了防止該單一集成電路器件失效造成對電池的超范圍充放電行為，采用二級或以上的電池保護設計是至關重要的。7.7保護可靠性電池組的保護電路在整個電池組生命周期中需要能按照預期啟動保護動作。例如，執(zhí)行電池保護功能的關鍵器件，除能按照預期啟動過壓充電保護外，還需要耐受可預見的持續(xù)高電壓輸入。電池保護器件的抗靜電能力也是需要考慮的可靠性因素之一。在設計有軟件控制的保護電路的電池組，還宜設計硬件保護電路作為最后一道安全保護。67.8其他考慮某些設備的電池組，若直接切斷充放電回路，可能造成衍生危險，且該風險比電池遭遇過充電或者過放電更不可接受，例如平衡車使用的電池直接切斷放電容易摔傷騎行人員。對于此類電池組，宜考慮將電池組與設備的第一級保護設置提前到系統(tǒng)設備中，并留有一定閾值，以系統(tǒng)設備主動限制充放電行為來保護電池。對充電上限電壓超過60V的高壓電池組，關于電擊危險的防護也是需要考慮的因素。鋰離子電池組可參考GB4943.1中針對信息技術設備產品電擊安全相關的要求。注：在家電安全標準中，超過42.4V的直流電壓就視為危險電壓，需要進行電擊安全相關試驗考核。便攜式家電產品使用的電池組充電上限電壓超過42.4V時也需考慮防護電擊危險。8部件與材料8.1過充過放保護裝置的安裝除了保護電路，其主要部件是關鍵元器件為金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET),電池組還可在充放電回路安裝相應保護器件，如節(jié)溫器(中斷電流),正溫度系數熱敏電阻器(PTCs),以及熱熔斷體等。安全關鍵元器件需符合電池組標準或元器件標準的相關要求。8.2連接器/連接片連接電池進行串并聯(lián)時，連接片不能通過高熱量輸入的焊接直接焊在電池上，如釬焊，容易引發(fā)電池過熱。過熱損壞雖然是不可見的，但可能引發(fā)漏液、破裂、起火，甚至爆炸。為了避免過熱損壞，推薦使用低熱量輸入的焊接方式，如超聲波焊、電阻焊、激光焊，進行電池間的連接。使用低熱量輸入的焊接方式對于采用鎳帶連接的電池，在結構設計時要確保鎳帶不會與無連接關系的其他任何電池節(jié)點觸碰到，或因鎳帶的邊緣毛刺刺破電池表面的絕緣表皮而發(fā)生短路現(xiàn)象。8.3端子和連接設計為了避免漏液、電池過熱、破裂、起火，在安裝或使用過程中，電池組和產品的設計需要避免電池短路。如果電池組中電池沒有正確安裝，電池組可能發(fā)生著火或爆炸。因此要確保電池組中的電池沒有在使用和充電過程中，電池組端子的設計、與設備或充電器的連接方式需要避免電池組的反接。8.4緊固件電池組內部的金屬緊固件，在結構設計時保證足夠的強度，避免在運輸震動或長期使用后脫落到電池組內部其他部位而導致發(fā)生短路現(xiàn)象。78.5溫度傳感器電池組中進行溫度測量的傳感器宜緊貼電池表面能測量到最高溫度的位置，必要情況下，還能測量到最低溫度的位置，并保證足夠的強度。如果是帶電物體，需要做好絕緣處理，不能引起短路。電池組中的布線需分別考慮該條線路所承載的最大電流。在關鍵點布線絕緣，避免發(fā)生短路。電池組在設計、組裝、使用過程中最大可能地避免布線的纏繞、損壞。8.7材料電池組和電池的老化、濫用等可能引發(fā)有機電解液漏液。電池組中端子、布線和連接片需考慮可能遭受的氣體或液體腐蝕，如電解液、冷卻液等，合適的材料如鎳、鎳基或金基材料，這些材料也都是低阻材料。電池組材料，尤其是外殼材料，可能暴露在有機電解液、高溫、物理沖擊以及使用過程中的其他危害中。電池組設計人員為導線的絕緣、電池的絕緣、電池組外殼等選擇的材料能夠耐電解液和高溫。其抵抗性和強度要適用于具體的位置和使用方式。將所有可能的使用都考慮到，在電池組設計中是非常重要的。電池組所用的起絕緣作用的材料(如絕緣膠帶、導線護套等)具有足夠的絕緣性能及相應的耐壓能力，并在預期存儲、使用的溫度范圍內具有較好的化學、電化學、機9安全性熱設計9.1熱保護設計電池組可配備結構保護裝置及熱管理(如通風等)來避免工作過程或周圍環(huán)境對電池造成的過熱現(xiàn)象。大容量電池模塊一般通過小型電池的密集組裝實現(xiàn)，因此在高電壓或大容量使用時需要考慮到小型電池的比能量和熱行為特性。電池組中個別單元的失效會影響整個系統(tǒng)的工作。一般采用通風冷卻或液冷的方式對電池組進行熱管理，或者使用相變材料等。為避免周圍環(huán)境對電池造成的過冷現(xiàn)象，可采取補充加熱方式提高電池周圍環(huán)境溫度。9.2電池在電池組中的位置在電池組結構設計時，可能發(fā)熱的部件放置于遠離電池的位置，避免電池受高溫的影響；電池管理系統(tǒng)中容易發(fā)熱的功率器件，在設計時宜盡可能擺放在遠離電池的位置，