動(dòng)力電池安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)研究

目錄1背景國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)介紹動(dòng)力電池安全性測(cè)試評(píng)價(jià)小結(jié)新能源汽車著火頻發(fā)，電池安全引起重點(diǎn)關(guān)注！2動(dòng)力電池等儲(chǔ)能裝置本質(zhì)上是具有危險(xiǎn)性的，且隨著其比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險(xiǎn)性將增大碰撞違規(guī)充電浸水自燃動(dòng)力電池面臨的安全挑戰(zhàn)事故描述關(guān)聯(lián)原因無(wú)法正常充電(2)斷路/部分?jǐn)嗦贰姌O材料脫落滿電態(tài)無(wú)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?jǐn)嗦贰姌O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(dòng)測(cè)評(píng)方法及平臺(tái)意義重大！為什么電池系統(tǒng)存在安全性問(wèn)題？如何評(píng)價(jià)電池風(fēng)險(xiǎn)？目錄背景6國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)介紹動(dòng)力電池安全性測(cè)試評(píng)價(jià)小結(jié)3.1

國(guó)外主要?jiǎng)恿﹄姵販y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)7StandardOrganizationStandardnumberNameDUTNotescellmodulepackSAEJ2464-2009Electric

and

Hybrid

Electric

VehicleRechargeable

Energy

Storage

SystemSafety

and

Abuse

Testing√√√SafetyJ2380-2009Vibration

Testing

of

Electric

VehicleBatteries√√Mechanical

StressISO12405-1

2009Electrically

propelled

road

vehicles-Test

specifications

for

Lithium-iontraction

battery

packs

and

systems-

Part1:

High

power

applications√Electricalperformance12405-2

2009Electrically

propelled

road

vehicles-Test

specifications

for

Lithium-iontraction

battery

packs

and

systems-

Part2:

High

Energy

applications√Electricalperformance12405-3

2009Electrically

propelled

road

vehicles-Test

specifications

for

Lithium-iontraction

battery

packs

and

systems-

Part3:

Safety√SafetyUSABCSAND2005-3123Electrical

Energy

Storage

System

AbuseTest

Manual

for

Electric

and

HybrideElectric

Vehicle

Applications√√√SafetyDOE/ID-11069FreedomCAR

Battery

Test

Manual

forPower-Assist

Hybrid

Electric

Vehicle√ElectricperformanceUL1642Lithium

Batteries√√Reliability

andAbuse

Testing2580Batteries

for

Use

in

Electric

Vehicles√√Reliability

andAbuse

TestingUN38.3Lithium

Battery

Testing

Requirements√√SafetyECE

R

100Part

2:

Requirements

of

a

RechargeableEnergy

Storage

System

with

regard

to

itsSafety√SafetyIEC62660-1：2010Secondary

lithium-ion

cells

for

thepropulsion

of

electric

road

vehicles

–Part

1:

Performance

testing√Electricalperformance62660-2：2010Secondary

lithium-ion

cells

for

thepropulsion

of

electric

road

vehicles

–Part

2:

Reliability

and

Abuse

Testing√Reliability

andAbuse

TestingUN38.3聯(lián)合國(guó)針對(duì)鋰離子電池航空運(yùn)輸安全要求，T1~T8八項(xiàng)試驗(yàn)。8Freedom

Car

(SAND

2005-3123)機(jī)械濫用測(cè)試擠壓針刺跌落水浸模擬翻滾機(jī)械沖擊熱濫用測(cè)試熱穩(wěn)定性模擬火燒加速溫度存儲(chǔ)快速充放電溫度沖擊循環(huán)電濫用測(cè)試過(guò)充短路過(guò)放局部短路推薦測(cè)試順序測(cè)試內(nèi)容9SAE

J246411機(jī)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）SAE

J2464主要針對(duì)電芯、模塊、系統(tǒng)的安全及濫用測(cè)試，包括機(jī)械、熱、電濫用試驗(yàn)機(jī)械濫用試驗(yàn)熱濫用試驗(yàn) 電濫用試驗(yàn)短路（電芯和模塊或包）過(guò)充（電芯和模塊或包）過(guò)放（電芯和模塊）高溫危險(xiǎn)（模塊和包）熱穩(wěn)定性（電芯）無(wú)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(dòng)熱擴(kuò)散電阻測(cè)試（模塊或包）UL2580特有項(xiàng)11主要針對(duì)電池系統(tǒng)，相比其他國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，電氣測(cè)試項(xiàng)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。ECE

R100

Part

2振動(dòng)溫度沖擊循環(huán)機(jī)械沖擊擠壓外部火燒外部短路保護(hù)過(guò)充保護(hù)過(guò)放保護(hù)過(guò)溫保護(hù)Acceleration

Maximum

curve

Minimum

curveABCDEFGHTime擠壓100KN聯(lián)合國(guó)關(guān)于M、N類電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)定，共9項(xiàng)，鎳氫電池增加1項(xiàng)氣體排放實(shí)驗(yàn)12模擬碰撞火燒試驗(yàn)沖擊波形擠壓板3.2

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電動(dòng)汽車動(dòng)力電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)QC/T741-2014

車用超級(jí)電容器QC/T

742-2006

電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池QC/T

743-2006

電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池QC/T

744-2006

電動(dòng)汽車用金屬氫化物鎳蓄電池QC/T840-2010

電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸

QC/T

897-2011電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件GB/Z

18332.1-2009

電動(dòng)道路車輛用鉛酸蓄電池GB/Z

18332.2-2001

電動(dòng)道路車輛用金屬氫化物鎳蓄電池GB/Z

18333.1-2001

電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池GB/Z

18333.2-2015

電動(dòng)汽車用鋅空氣電池動(dòng)力電池新國(guó)標(biāo)GB/T

31467.1-2015

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

31467.2-2015

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

31467.3-2015

電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分安全性要求與測(cè)試方法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GB/T

31485-2015

電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法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GB/T

34013-2017《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》

GB/T

34014-2017《汽車動(dòng)力蓄電池編碼規(guī)則》GB/T

34015-2017《車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)》GB《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》GB/T

31485單體、模塊安全要求及實(shí)驗(yàn)方法，各10項(xiàng)測(cè)試，單體每項(xiàng)2個(gè)樣品，模塊每項(xiàng)1個(gè)樣品對(duì)電池單體和模塊本身安全的考量；動(dòng)力電池產(chǎn)品公告要求；測(cè)試過(guò)程中去掉模塊保護(hù)措施三元電池針刺、過(guò)充失效率高送樣模塊容量要求大于20Ah；振動(dòng)和熱相關(guān)實(shí)驗(yàn)放在性能要求標(biāo)準(zhǔn)中。針刺暫不做要求14GB/T

31467.3電池包或系統(tǒng)安全測(cè)試要求及測(cè)試方法，共16項(xiàng)，包括機(jī)械、熱、環(huán)境、電氣保護(hù)等項(xiàng)目測(cè)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(dòng)和擠壓暫緩；動(dòng)力電池系統(tǒng)企業(yè)行業(yè)準(zhǔn)入強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)獲得標(biāo)準(zhǔn)全項(xiàng)CNAS資質(zhì)的第三方實(shí)驗(yàn)室4家，測(cè)試資源少15電動(dòng)客車安全技術(shù)條件16可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池單元按照附錄B的熱失控測(cè)試條件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)象不應(yīng)發(fā)生起火、爆炸。蓄電池包按照附錄C的熱失控?cái)U(kuò)展測(cè)試條件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)象應(yīng)滿足表1中一級(jí)或二級(jí)安全要求。按照GB/T31467.3-2015中7.1的要求，在電池包完成且通過(guò)的振動(dòng)試驗(yàn)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(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)，電池包應(yīng)不起火、不爆炸。一級(jí)蓄電池包未發(fā)生起火、爆炸且蓄電池包表面溫度不超過(guò)150℃二級(jí)蓄電池包未發(fā)生起火、爆炸，但蓄電池包表面溫度超過(guò)150℃三級(jí)蓄電池包發(fā)生起火燃燒，但未發(fā)生爆炸四級(jí)蓄電池包發(fā)生爆炸蓄電池包熱失控?cái)U(kuò)展安全等級(jí)蓄電池單元熱失控試驗(yàn)(附件B)試驗(yàn)方法完成測(cè)試對(duì)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(yīng)直接接觸（參見圖1），安裝溫度監(jiān)測(cè)器，監(jiān)測(cè)測(cè)試對(duì)象的正、負(fù)極柱，和各可測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)，精度要求小于±0.5℃。將測(cè)試對(duì)象充電到100%SOC后，再對(duì)測(cè)試對(duì)象用1C電流繼續(xù)充電12min。啟動(dòng)加熱裝置對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)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(cè)量點(diǎn)的溫度均超過(guò)150℃，且測(cè)得的溫升速率（dT/dt）超過(guò)10℃/s；各測(cè)量點(diǎn)的溫度超過(guò)300℃，并持續(xù)5min。加熱過(guò)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(yàn)終止。測(cè)試對(duì)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172016年11月國(guó)家汽標(biāo)委啟動(dòng)了鋰離子動(dòng)力電池強(qiáng)制性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（GB）的制定工作;2017年3月形成鋰離子動(dòng)力電池強(qiáng)制性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（GB）的草案;預(yù)計(jì)2017年9月形成鋰離子動(dòng)力電池強(qiáng)制性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（GB）的征求意見稿;制定目的是為了進(jìn)一步嚴(yán)格要求新能源汽車用動(dòng)力電池的要求將GB/T31485-2015和GB/T31467.3-2015檢測(cè)項(xiàng)目合并，并加入車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可能遇到的濫用情形；新國(guó)標(biāo)GB《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》試驗(yàn)項(xiàng)目19安全性試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)范203.3

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比單體/模塊序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目GB/T31485-2015ISO

12405IEC62660-2ECER100.2GB1過(guò)充電√XXX√2過(guò)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(dòng)√XXX√9機(jī)械沖擊√XXX√10跌落√XXX（機(jī)械沖擊代替）11針刺√XXX12海水浸泡√XXX序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目GB/T31467.3-2015ISO

12405IEC62660-2ECE

R100.2GB1振動(dòng)√√X√√2機(jī)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?cái)U(kuò)展X√XX√3.3

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

系統(tǒng)序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目GB/T31467.3-2015ISO12405IEC62660-2ECER100.2GB13外部火燒√√X√√14高溫保護(hù)√√X√√15短路保護(hù)√√X√√16過(guò)放電保護(hù)√√X√√17過(guò)充電保護(hù)√√X√√18低溫保護(hù)XXXX√19過(guò)流保護(hù)XXXX√3.3

標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)---動(dòng)力電池包擠壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比較標(biāo)準(zhǔn)新國(guó)標(biāo)ECE

R100UL2580SAE

J2464擠壓板形式半徑75mm半圓柱體3個(gè)75mm半圓柱體，邊緣間隙30mm,底板平3個(gè)75mm半圓柱體，邊緣間隙30mm,底板平3個(gè)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(gè)方向X,Y,Z最脆弱的2個(gè)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(shí)間10分鐘最少100ms，不超過(guò)10s1分鐘擠壓速度：電芯0.5~1mm/min包0.5~1cm/min測(cè)試對(duì)象電芯、模塊、系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)電芯、模塊、系統(tǒng)試驗(yàn)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<=3243.3

標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)---動(dòng)力電池包振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比較25標(biāo)準(zhǔn)UN38.3ISO12405/GBT31467.3SAE

J2380GMW

16390頻率范圍7~200Hz5~200Hz10~190Hz8~1000Hz量級(jí)（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(yàn)周期Z:

3小時(shí)Y:3小時(shí)X:3小時(shí)Z:

21/15/12小時(shí)Y:21/15/12小時(shí)X:21/15/12小時(shí)Z:

10.8/7.3小時(shí)Y:38.18/13.58小時(shí)X:38.18/13.58小時(shí)Z:

5.4/3.65小時(shí)Z:

24小時(shí)Y:24小時(shí)X:24小時(shí)樣品數(shù)量1個(gè)（前提是電芯和模塊已通過(guò)UN38.3)1/2/3個(gè)未規(guī)定Phase

4:1個(gè)Development:

2個(gè)DV:

6個(gè)PV:

6個(gè)試驗(yàn)前SOC狀態(tài)100%SOC50%SOC/滿電100%SOC未規(guī)定高低溫要求無(wú)有（-40~75℃或另行約定）無(wú)有（電芯最低溫達(dá)到TcellMin+5℃以及電芯最高溫達(dá)到Tcell

Max-5℃)試驗(yàn)中充放電要求無(wú)無(wú)有(僅作為SOC調(diào)節(jié)，C/3）有（50%時(shí)間工況譜，50%時(shí)間1C

CHA/2C

DCH）3.4小結(jié)26國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)較多，測(cè)試主要內(nèi)容基本相同，主要包括機(jī)械、熱、電濫用測(cè)試，根據(jù)國(guó)家或區(qū)域要求適當(dāng)增減測(cè)試項(xiàng)目；測(cè)試方法和接受標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，但不起火、不爆炸是電池安全底線；我國(guó)動(dòng)力電池安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較全面，基本涵蓋國(guó)際主要標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目，需要根據(jù)電池發(fā)展趨勢(shì)動(dòng)態(tài)更新和完善，如熱管理相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目及要

求；我國(guó)動(dòng)力電池安全測(cè)試系統(tǒng)、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室及研究分析平臺(tái)等能力需要進(jìn)一步加強(qiáng)。目錄背景國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)介紹27動(dòng)力電池安全性測(cè)試評(píng)價(jià)小結(jié)使用安全續(xù)駛里程加速爬坡性能經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)壽命低成本快速充電寬溫度范圍性能環(huán)境友好整車應(yīng)用對(duì)動(dòng)力電池的要求動(dòng)力電池系統(tǒng)主要包括電性能、機(jī)械、環(huán)境、EMC、低壓電源及接口、電氣安全、濫用安全等。29三元電池模塊針刺試驗(yàn)電芯溫度曲線試驗(yàn)照片30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?zé)岚踩娦具^(guò)充磷酸鐵鋰方殼電芯過(guò)充三元軟包電芯過(guò)充三元方殼電芯過(guò)充磷酸鐵鋰電池包熱擴(kuò)散(針刺觸發(fā))觸發(fā)電芯磷酸鐵鋰電池包熱擴(kuò)散(過(guò)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(biāo)準(zhǔn)箱熱擴(kuò)散試驗(yàn)后外觀上蓋下箱體觸發(fā)電芯池?zé)崾Э睾?，其相鄰四?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(dòng)試驗(yàn)37結(jié)構(gòu)緊湊、外形規(guī)整對(duì)稱、體積和重量較小的電池包比較容易通過(guò)試驗(yàn)；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(guó)標(biāo)與SAE

J2380相比，失效率更高；標(biāo)準(zhǔn)已修改，Z方向3小時(shí)機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的選擇ISO16750-3

section

4.2.2GMW

16390

section

7.3.3

or

section

8.3.3ISO

標(biāo)準(zhǔn)最大50g，針對(duì)車用小零部件，不適用電池系統(tǒng)EP11機(jī)械沖擊采用GMW

標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到40g，功能正常38電池包擠壓試驗(yàn)如果車身部件作為電池外殼或保護(hù)件，可以與電池包一起試驗(yàn)在已完成的試驗(yàn)中，變形量和擠壓力達(dá)到的都有；如果高壓接插件在電池包兩端，擠壓過(guò)程中極易發(fā)生短路；擠壓方向的確定；試驗(yàn)安全防護(hù)至關(guān)重要，擠壓過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控BMS關(guān)鍵信息，試驗(yàn)過(guò)程如果發(fā)生冒煙起火，可迅速將電池包吊裝到水槽中標(biāo)準(zhǔn)修改，擠壓力100kN38電池包火燒試驗(yàn)覆蓋GB/T

31467.3，ECE

R100標(biāo)準(zhǔn)可靈活拼裝的油盤精確控制加油量和火燒時(shí)間隧道中試驗(yàn)，風(fēng)速可控，排煙處理火燒時(shí)間短，通過(guò)率高39電池包模擬碰撞試驗(yàn)試驗(yàn)需在碰撞臺(tái)車上進(jìn)行，試驗(yàn)夾具及安裝隊(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響大；出于試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)考慮，一般在做完振動(dòng)試驗(yàn)后再做模擬碰撞試驗(yàn)；試驗(yàn)通過(guò)率高；試驗(yàn)樣品過(guò)大時(shí)可用子系統(tǒng)代替試驗(yàn)試驗(yàn)安全保護(hù)考慮，碰撞臺(tái)車上加裝安全防護(hù)箱，配備大流量滅火系統(tǒng)，且