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现有动力电池国家标准解读
  信息来源:能源情报中心  发布时间:2018-03-21   点击数:  
 

  目前,在国家政策的引导下,新能源汽车的研发和产业化出现了前所未有的高潮。随着我国新能源汽车的迅猛发展,作为核心零部件的动力电池发展也紧随着新能源汽车的整体趋势在大幅度上升。但在早期的发展中,动力电池相关的标准依据单一,仅有行业标准QC/T743-2006作为参考,缺乏权威性及广泛性,行业监管的门槛不清晰,国家标准体系的建立也日趋重要。我国的电动汽车及动力电池产业,需要符合现阶段行业的规范和监管标准。

  一、概述

  围绕电动汽车产业,中国质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会出台了一系列的国家标准。而相关标准中包括了整车、零部件、接口及设施3部分。动力电池属于零部件类,针对电动汽车用动力蓄电池,中国质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2015年5月15日联合发布了6项国家标准,并在2016年全面实施。动力电池相关6项国标文件有:《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》(GB/T 31484-2015)、《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》(GB/T 31485-2015)[[ii]]、《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》(GB/T 31486-2015)、《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第1部分:高功率应用测试规程》(GB/T 31467.1-2015)、《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第2部分:高能量应用测试规程》(GB/T 31467.2-2015)、《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》(GB/T 31467.3-2015)。其中经国家标准化管理委员会批准:GB/T 31467.3-2015的“7.1 振动”有三方向振动改为正弦波振动及“7.6 挤压”项中压力值等部分内容有变更,并于2017年7月1日起实施。

  2015年是历年来发布电动车电池相关的国家标准数量最多一年,说明我国2015年在电动汽车国家标准方面取得了重大突破。GB/T 31484、31485、31486是在QC/T743-2006基础上演变而来的国家标准,而GB/T 31467.1/2/3标准是以ISO12405-1/2为依据进行编制,但也不完全按照ISO12405的测试规程制定。GB/T 31484、31485、31486国家标准的电池类型范围由原来的锂离子电池扩大至各类动力电池;样品级别在单体和模组基础上增加了系统级别;模组的定义由5个以上单体串联,变为1个以上单体串联、并联、串并联;新标准默认的充放电倍率为1C,要求更严格;新标准中,实验条件也明确规定了测试的室温为25±2℃,环境温度为25±5℃,相对湿度15%~90%,测试气压为86~106kpa。

  二、6项国家标准解读

  1. GB/T 31484-2015

  GB/T 31484-2015规定了电动汽车用动力蓄电池的标准循环寿命的要求、实验方法、检验规则和工况循环寿命试验方法和检验规则,详见表1。室温放电容量项中,对容量的差异进行判定,说明国家标准开始对电池、模组及系统生产的一致性提出要求。循环工况测试车型范围涵盖了混合动力、纯电动、插电式和增程式各类电动车类型。纯电动车只有电池和电动机一套驱动系统,而混合动力车的驱动系统至少由一台耗油的发动机及一台电动机组成,故测试工况有区分混合动力车和纯电动车。插电/增程式电动车的汽油发动机并没有使用任何机械结构连接到车轮,驱动车轮的还是电能,并没有发动机的机械能,可被认为无动力的混合,故增程式电动车循环工况测试的方法和判定条件与纯电动车基本一致。

  表1 GB/T 31484-2015电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法

  混合动力乘用车和商用车在市场上均为功率型蓄电池,在启动、爬坡以及加速时启动电机及动力电池系统,功率型蓄电池起到短时功率输出的作用从而保证整车的动力性,工况循环寿命测试由“主充电工况”和“主放电工况”2部分组成,测试荷电状态(SOC)波动如图1。混合动力车和纯电动车在标准中的循环测试工况又区分了乘用车和商用车2类。乘用车是指在其设计和技术特性上主要用于载运乘客及随身行李或临时物品的汽车,涵盖了轿车、微型客车以及不超过9座的轻型客车;商用车是在设计和技术特征上是用于运送人员与货物的汽车,习惯把商用车分为客车和货车2大类,将商用车范围包括所有的载货汽车和9座以上的客车。混合动力乘用车和商用车的循环测试工况基本一致,但由于乘用车和商用车集成的电池数量不同,“主放电工况”和“主充电工况”的充放电电流大小有差异:乘用车功率型蓄电池的电流范围为8I1~-4I1,而商用车功率型蓄电池的电流范围为:4I1~-2I1。

  与混合动力车不同,纯电动乘用车和商用车能量型蓄电池的国标循环测试工况为:充电部分均按照标准1C充满电后,要求按照不同的“主放电工况”放电,SOC波动示意图如图2,纯电动商用车放电电流范围为:3I1~-1I1,而纯电动乘用车放电电流范围为:-1I1~-1/3I1。国标对于模组和系统经工况循环后的结果:总放电能量/初始额定能量>500时,计算放电容量和5s放电功率,国家标准对其结果并没有具体数值要求,只明确了应满足产品规格书要求,说明国家标准中对模组和系统层面的循环工况测试对企业更注重测试方法指导。

        2.GB/T 31485-2015

  GB/T 31485-2015规定了电动汽车用动力电池的安全要求、实验方法和检验规则。GB/T 31485-2015较QC/T743-2006相比,内容更全面和合理.

  (1)每项增加“观察1h”内容

  由于安全性测试均为超出电池使用范畴的测试,引起电池内部结构破坏造成电解液分解、正负极短路引发多种化学反应的情况,增加测试后“观察1h”内容,即增加了对电池反应观察时间,以实现更准确的对结果进行判定。

  (2)各项测试内容细节更充分

  跌落测试项:要求更严格,单体跌落测试要求正负端子一侧向下,从1.5m高度自由跌落至水泥地面,模组也增加了跌落测试项;模组和单体挤压测试项中增加了挤压板半径要求75mm的半圆球柱体、挤压速度为(5±1)mm/s、对挤压程度均做了详细要求;加热测试:将温度定为以5℃/min提高至130℃保持30min,提高了考察温度,将高温下锂离子电池内部SEI膜分解、电解液的稳定性及隔膜是否收缩引起的内短路等因素造成的电池燃烧、爆炸因素纳入了考察范围。针刺测试项:钢针的直径和贯穿电池个数对试验结果影响比较确定,针的直径越大,电池内短路的面积越大,可导致化学反应越剧烈,而针刺速度对试验结果的影响尚不明确,与电池的正负极材料体系、电解液配方等有很大的关系,GB/T 31485-2015针刺测试中明确要求了针的直径范围单体为5~8mm、模组为6~10mm,贯穿速度限为(25±5)mm/s,针刺位置为刺面的几何中心,提高了测试方法的统一性。

  (3)增加了海水浸泡、温度循环、低气压3项测试

  充分考虑了电池及模组在航海、温差大的陆地及天空低压等特殊环境下的使用及运输中的影响,反映出新国标对电池使用和运输性能的关注。

  3. GB /T 31486-2015

  GB /T 31486-2015规定了动力汽车用动力蓄电池的电性能要求、试验方法和检验规则,详见表3。GB /T 31486-2015对于电池单体考察仅有外观、极性、外形尺寸和质量、室温放电容量4项测试,而蓄电池模块的测试涵盖了11项测试,强化了模组级别的电性能考察。蓄电池模块试验样品明确要求总电压不低于单体蓄电池电压的5倍,即送检模组至少由5串单体电池组。

       4. GB/T 31467.1/2/3

  GB/T 31467.1/2/3 标准增加了电池包和电池系统的检测内容,弥补了我国电池包和电池系统检测项目的空白,要求对电池包和系统做全面的电性能、负载性能、环境性能及安全性测试等,使我国评价标准更符合实际使用情况,可更加科学、合理的评价车用锂离子动力电池系统的性能。测试项目详见表4、表5。GB/T 31467-1规定了电动汽车用高功率锂离子动力蓄电池包和系统电性能的测试方法;而GB/T 31467-2则规定了电动汽车用高能量锂离子动力蓄电池包和系统电性能的测试方法,以高功率、高能量为目的的镍氢动力蓄电池包和系统等也可参照执行。

  GB/T31467-1/2/3三项标准明确要求了测试样品交付时,需要提交必要的操作文件及和测试设备相连所需的接口部件如连接器、插头、冷却接口等,制造商提供的蓄电池包或者系统的工作限值以保证测试过程的安全;当测试目标环境温度改变时,在进行测试前测试对象需要完成环境适应过程:在低温下静置不少于24h,高温下静置不小于16h;如果电池包或系统由于某些原因(尺寸或质量)不适合进行某些测试,那么供需双方协商一致后可以用电池包或电池系统的子系统代替作为测试样品,进行全部或部分试验,但作为测试样品的子系统应该包含和整车要求相关的所有部分;蓄电池放电电流符号为正,充电电流符号为负;数据记录除非另有说明,否则在预计的充电或放电时间的至少每1%间隔出记录测试数据,如时间、温度、电流和电压等。

  3项标准均在试样准备项中对电池包和系统有明确要求。蓄电池包的高压、低压及冷却装置要和测试平台设备相连,开启蓄电池包的被动保护功能,保证主动保护开启,必要时可通过断开蓄电池包的主接触器来实现,冷却装置根据制造商的要求工作。蓄电池包与测试平台之间并没有信息交换,测试平台检测蓄电池系统的电流、电压、容量或能量等参数而蓄电池系统与测试平台之间有信号交换。蓄电池包的参数限值由测试平台直接控制,而蓄电池系统的高压、低压、冷却装置及BCU要和测试平台设备相连接,开启蓄电池系统的主动和被动保护。测试平台和BCU之间实现正常通讯,测试平台保证测试参数、条件与测试规程的要求一致,并保证电池系统工作在合理的限值之内,这些限值由BCU通过总线传输至测试平台,BCU控制冷却装置的工作。

  主动保护同时也需要由测试平台保证。系统测试中,蓄电池系统通过总线和测试平台通讯,将蓄电池状态参数和工作限值实时传输给测试平台,再由测试平台根据电池状态和工作限值控制测试过程。测试平台检测系统的电流、电压、容量或能量等参数,并将这些参数作为测试结果和计算依据。在测试样品前,还要测量样品的质量和体积,如果有冷却系统,也应计算在内,如果难以测量,则采用制造商提供的数据。此外,电池包及电池系统测试前还需要做循环预处理,以确保电池包及系统的稳激活及稳定状态,功率型蓄电池及系统要求充电为1C倍率,放电为2C,而能量型蓄电池及系统预处理循环要求充放电均以1C倍率,2种类型电池包及系统充放电间均搁置30min。

  标准循环测试中,能量型及功率型蓄电池包及系统均要求1C充放电。如果连续2次的放电容量的差别小于额定容量的3%,则蓄电池包和系统完成预处理测试。如果标准循环和一个新的测试项目之间时间间隔大于24h,则需要重新进行一次标准充电。

  GB/T 31467.1与GB/T 31467.2的测试项目均包含5个测试内容:室温、高温、低温下的能量和容量测试;功率和内阻测试;无负载容量损失;存储容量损失和能量效率测试,GB/T 31467.2多了高低温启动功率测试一项,即考察-20℃、40℃温度下,系统在20%SOC(或厂家规定的最低SOC值)的功率输出能力。无负载容量损失、存储容量损失、和能效测试项测试均针对蓄电池系统,且GB/T 31467.1与GB/T 31467.2的这几项的测试流程基本一致。

  1能量和容量测试项:2项标准均要求测试25℃、40℃、0℃和-20℃下,产品1C放电条件下以及最大放电电流Imax下的容量和能量参数,但GB/T 31467.2低温容量测试项中还需要进行1/3C放电容量和能量。

  2功率和内阻测试项:-20℃、0℃、25℃、40℃这4个温度下,GB/T 31467.1要求测80%、50%、20%这3个不同SOC平台的充放电功率值和充放电内阻值,而GB/T 31467.2要求测90%、50%、20%这3个不同SOC平台的充放电功率值和充放电内阻值,脉冲功率测试工况的电流曲线两者各有不同,功率型测试电流要求倍率较高,而能量型电流较低。

        3无负载容量损失项:模拟25℃和40℃的车载状态下(由系统辅助电源供电),动力电池系统长期搁置所造成的容量损失,搁置前动力电池系统处于满电状态,搁置时间为7天和30天(中间有2次标准循环)。

  4储存中容量损失项:考察蓄电池系统长期存储状态下的容量损失,45℃下,50%SOC状态下的系统存储30天,经标准循环2次后,计算剩余容量并确定容量损失率。

  5能量效率测试项:GB/T 31467.1旨在测试样品在不同SOC状态下的快速充放电效率:分别检测-20℃、0℃、25℃、40℃这4个温度下,65%、50%、35%这3个不同SOC平台的快速率充放电效率。GB/T 31467.2旨在测试电池系统在不同温度不同倍率充电时的性能以及能量循环效率:分别检测室温、0℃和Tmin(由制造商和客户商定)下,电池系统以1C和Imax两种充放电倍率所测得的充放电效率。

  GB/T 31467.1及GB/T 31467.2均为测试规程,并未对测试结果进行统一的判定,说明国家标准在模组及系统级别的性能测试更加侧重对生产商进行检测指导。而国家对安全性有着更严格的要求及监管力度,GB/T 31467.3规定了电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统安全性的要求和测试方法,各项测试结果也出具了判定要求依据,这对系统及组装技术相对较弱的电动车蓄电池企业的生产工艺及产品质量极具挑战。

  GB/T 31467.3中,振动、机械冲击测试是模拟电池包及系统安装在车上,在运输过程中因车辆颠簸各种方向冲击造成的可能损伤。目前振动项已经有所变更,具体内容为:已删除原标准的3个方向振动测试内容,参考测试对象车辆安装位置和GB/T 2323.43的要求,将测试对象安装在振动台上。蓄电池包和系统应进行15min正弦波动,振动频率从7Hz增加至50Hz再回至7Hz。此循环应按照制造商规定的蓄电池包或系统安装位置的垂直方向在3h中重复12次。振动后,蓄电池包或系统需运行1个标准循环,并观察1h。要求测试过程中和测试后,系统完好,无机械、电气、精度、绝缘、性能等方面的损伤。机械冲击的要求稍低:无机械损伤、无泄漏、外壳破裂、着火或爆炸现象,绝缘正常。

  GB/T 31467.3中,跌落测试是模拟安装或者维修过程中可能造成的自由跌落,要求电池包或系统无电解液泄漏、着火或者爆炸等现象;翻滚是模拟安装在车辆上因意外随整车翻滚,要求无泄漏,无着火或爆炸等现象;模拟拟碰撞是模拟安装在车辆上发生车辆之间碰撞的危险,要求绝缘正常,无电解液泄漏,无着火爆现象,绝缘正常;挤压测试模拟车辆发生碰撞后,电池包发生严重挤压变形的情况,要求无着火爆炸现象;温度冲击、湿热循环模拟外部环境温度及高温高湿的存储或运输状态下,要求绝缘正常、无电解液泄漏,无起火和爆炸现象;海水浸泡模拟产品被海水完全浸没的极端状态,要求无起火和爆炸现象。外部火烧模拟产品直接暴露于外部火焰一般发生于整车因线路短路或燃油泄漏着火的情况;盐雾腐蚀、高海拔模拟海边城市和高原低气压等特殊环境下的使用情况。过温保护、短路保护、过充电保护、过放电保护分别模拟高温、外部短路、过充电滥用及过放电滥用情况下的系统保护功能。由此可见GB/T 31467.3弥补了动力蓄电池系统级别的各类安全要求方面的空白。

  三、结语

  现有6项国家标准的推行和使用对国内动力蓄电池产业的发展提供了统一的衡量测试标准,也为监管部门提供了有效的监督依据。不同标准的相互衔接及组合覆盖了动力电池、模组、系统等各个等级部件,有利于动力电池行业的健康发展。不过现有的国家标准在模组和系统层面更多的参考了国外已有的标准体系,其优势在于国际标准的研制及运用经验更为丰富成熟,对我国的标准制定起到了重要指导作用。国标的制定少走了从无到有的很多弯路,但是,我们还需进一步的加强适合中国自己产业标准的研究探索,不断在实践中完善和改进现有标准,并推动国标走向世界。

 
 

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