鋰離子電池國家標準GB31241與UN 38.3的比較

楊 強，李 茜

(中國民航科學技術研究院，北京 100028)

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鋰離子電池國家標準GB31241與UN 38.3的比較

楊 強，李 茜

(中國民航科學技術研究院，北京 100028)

對國家標準GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》與UN 38.3的測試方法進行比較，討論兩種方法在試驗條件、樣品數(shù)目上的差異。GB 31241通過電池、電池組和保護電路的全面測試，保證鋰離子電池的安全，但與UN 38.3在樣品數(shù)量、某些項目的具體試驗條件等方面有差異。

GB 31241； UN 38.3； 鋰離子電池； 運輸； 標準； 安全

鋰離子電池在使用過程中有可能會發(fā)生起火、爆炸等問題，引起了人們對鋰離子電池使用安全的關注。

GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》[1]于2014年12月5日發(fā)布，并于2015年8月1日開始正式實施。鋰離子電池的運輸安全也一直是運輸管理部門的關注重點。從1995年開始，鋰金屬電池和鋰離子電池就陸續(xù)被列入了聯(lián)合國危險貨物名錄中，運輸時需要滿足相應的測試標準和包裝要求，聯(lián)合國《關于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書——規(guī)章范本》明確規(guī)定，每只電池或電池組都應該通過《關于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書——試驗和標準手冊》第三部分38.3節(jié)的測試(以下簡稱UN 38.3)[2]。

GB 31241重點關注不超過18 kg電子產品用鋰離子電池和電池組的安全要求[3]，在制訂過程中參考了國內外的鋰離子電池標準，包括IEC標準等[4]。運輸行業(yè)，特別是對安全要求較高的空運、海運行業(yè)，目前仍依據(jù)聯(lián)合國《關于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書——試驗和標準手冊》中的UN 38.3試驗方法來操作鋰離子電池的運輸[5]。UN 38.3是針對鋰離子電池運輸?shù)臏y試方法，目的是為了保證鋰離子電池的運輸安全。我國民航部門以UN 38.3為基礎，制訂并頒布了民用航空行業(yè)標準MH/T 1052-2013《航空運輸鋰電池測試規(guī)范》[6]，指導鋰離子電池的航空運輸。

在以往的鋰離子電池測試中，UN 38.3是使用最為廣泛的測試方法之一。有研究發(fā)現(xiàn)，UN 38.3測試中的溫度循環(huán)、外部短路、重物沖擊或擠壓、過度充電和強制放電等5個項目，未通過的幾率較高[7]，GB 31241-2014正式實施后，與UN 38.3測試項目，尤其是這些關鍵試驗項目上的異同，成為電池企業(yè)和運輸部門關心的問題。

本文作者全面對比了GB 31241和UN 38.3這兩種測試方法，從鋰離子電池運輸安全的角度考查了這兩個方法的區(qū)別，以便為電池企業(yè)和運輸部門提供參考。

1 GB 31241與UN 38.3介紹

GB 31241將所有的測試內容分成了6項。電池和電池組都需要滿足試驗條件、一般安全要求、環(huán)境試驗和電安全試驗的要求；對于自身帶保護電路的電池組，還需要進行電池組保護電路安全試驗；對于自身不帶保護電路，但在充電器或供電的電子產品中帶有保護電路的電池或電池組，則需要進行系統(tǒng)保護電路安全試驗。此外，標準還提出了電池一致性的一般要求，并正在考慮提出試驗要求。標準中，試驗條件的條款對電池樣品容量測試和樣品預處理提出了要求。一般安全要求條款規(guī)定了廠商提供的標簽、說明書等材料中應包含的安全工作參數(shù)，依據(jù)國標的要求，將對這些參數(shù)進行檢查和試驗。考慮到電池和電池組的不同，除了某些項目的具體試驗條件有所不同外，電池只需要完成9項環(huán)境試驗和4項電安全試驗；而電池組需要完成9項環(huán)境試驗和7項電安全試驗。

UN 38.3總共包括5項環(huán)境試驗和3項電安全試驗，共8個測試項目。電池和電池組需要完成其中相同的4項環(huán)境試驗和1項電安全試驗。此外，電池還需要完成1項環(huán)境試驗和1項電安全試驗，電池組則需要增加1項電安全試驗。UN 38.3也為每個測試項目提出了試驗條件，明確了對電池和電池組的充放電次數(shù)和荷電狀態(tài)的要求。

表1 GB 31241-2014和UN 38.3測試項目總結

2 GB 31241與UN 38.3比較

2.1 高度模擬

為了模擬運輸中可能出現(xiàn)的低氣壓條件，GB 31241設置了低氣壓試驗，UN 38.3設置了高度模擬試驗。兩項試驗均是將電池或電池組放置在壓強為16.5 kPa、溫度為20±5 ℃的真空箱中6 h，并觀察電池和電池組有無起火、爆炸及漏液等現(xiàn)象。此外，UN 38.3還要求在試驗后測試電池或電池組的開路電壓，且壓降不得超過10%。

2.2 溫度試驗

溫度試驗用來考查電池和電池組的密封完善性和內部電連接。在溫度循環(huán)試驗中，GB 31241和UN 38.3都要求鋰離子電池和電池組在-40～75 ℃循環(huán)10次，對應小電池來說，都需要在最高和最低溫度分別保持6 h。此外，GB 31241還要求電池完成熱濫用試驗，電池組完成高溫使用試驗。熱濫用試驗要求電池在130±2 ℃的溫度條件下保持30 min；電池組的高溫使用試驗則需要電池組在至少為80 ℃的環(huán)境下保持至少7 h。GB 31241增加的這兩項試驗，是考慮到實際中有可能發(fā)生的高溫使用情況。對于高溫條件來說，這兩項試驗設置的溫度要求比UN 38.3更為嚴格，不過，這兩項試驗都未考慮低溫使用的情況。

2.3 振動試驗

振動試驗是模擬運輸過程中發(fā)生的振動，以考查電池的安全性。UN 38.3和GB 31241的振動試驗條件一致，都是利用正弦波形的振動測試方法，在3個互相垂直的方向上進行測試，振動頻率在7～200 Hz之間擺動，在每個方向進行12次循環(huán)振動，每次循環(huán)為時15 min，每個方向共計3 h。在GB 31241中，圓柱形和扣式電池只需完成軸向和徑向兩個方向的振動試驗即可，不需要再進行第3個方向的試驗。

2.4 沖擊試驗

沖擊試驗用來模擬運輸過程中，電池有可能發(fā)生的撞擊。GB 31241和UN 38.3都是通過半正弦脈沖沖擊的方法來進行試驗。兩種方法中脈沖沖擊的峰值加速度均為150 gn，持續(xù)時間均為6 ms；但UN 38.3將大型電池和電池組的沖擊峰值加速度降低至50 gn，持續(xù)時間延長到11 ms。在UN 38.3中，所有的電池和電池組均需在3個垂直方位的正反方向各沖擊3次，總共經受18次沖擊；在GB 31241中，圓柱形和扣式電池只需要在軸向和徑向兩個方向上各進行3次沖擊，減少了沖擊次數(shù)，縮短了試驗時間。

2.5 外部短路

UN 38.3對電池和電池組都設置了高溫外部短路試驗，都要求在55±2 ℃的溫度下經受總外電阻小于0.1 Ω的短路條件，并在此溫度下保持至少1 h，在試驗過程中，外殼溫度不得超過170 ℃。GB 31241要求電池進行高溫和常溫外部短路兩項試驗，高溫外部短路的試驗條件與UN 38.3接近，但要求電池表面溫度回到55±2 ℃后，繼續(xù)保持30 min，判斷標準也降為最高溫度不得超過150 ℃。在常溫外部短路試驗中，將溫度設定為20±5 ℃，其他要求與高溫外部短路一致。對于電池組，GB 31241只要求進行短路試驗，溫度應為20±5 ℃。不過該試驗對于試驗結果的判斷中沒有對溫度的要求。從試驗條件上來看，GB 31241對于電池的要求更嚴格，但對電池組而言，UN38.3的測試條件更嚴格。

2.6 撞擊試驗

UN 38.3要求所有的電池和電池組都要完成撞擊試驗，試驗過程是：將一根直徑為15.8 mm的不銹鋼橫棒放在試樣中心，將一塊質量為9.1 kg的重錘從61±2.5 cm的高處落到試樣上，整個試驗要求電池和電池組的外部溫度不得超過170 ℃，在6 h內不能解體或燃燒。GB 31241要求所有電池都要完成跌落、擠壓和重物沖擊等3項試驗，電池組則只需完成跌落試驗。GB 31241的撞擊試驗與UN 38.3的條件一致，但未提出外部溫度的要求。GB 31241的擠壓試驗是將13.00±0.78 kN的力，加載在兩個平板間。GB 31241要求的跌落試驗是將滿電態(tài)電池或電池組從1.0 m或1.5 m的高度自由落體，跌落于混凝土板上，并要求在試驗過后進行一次充放電循環(huán)。

2.7 過充電

過充電試驗是為了評估電池組承受過充電狀況的能力。UN 38.3的過充電試驗只要求電池組進行；GB 31241不但要求電池組進行過壓充電和過流充電試驗，還要求電池進行過充電試驗。UN 38.3和GB 31241設置的過充電條件不同。GB 3241規(guī)定的過充條件是將充電電流增加到最大連續(xù)充電電流的兩倍，持續(xù)充電24 h，并且保證試驗的最小電壓達到規(guī)定值。GB 31241中電池的過充試驗是使用滿足條件要求的充電電流對電池進行充電，然后維持規(guī)定的電壓進行恒壓充電。電池組的過壓充電是電池組充滿后，保持該電壓并繼續(xù)以最大充電電流充電，過流充電是電池放完電后，以1.5倍的過流充電保護電流進行恒流充電。GB 31241對于過充電設置的試驗內容更多；而UN 38.3設置的試驗時間更長。

2.8 強制放電

強制放電主要是考查電池和電池組承受強制放電狀況的能力。UN 38.3只要求電池進行強制放電試驗；GB 31241除了電池要進行強制放電外，還要求電池組進行欠壓放電試驗。UN 38.3的強制放電是通過將電池串聯(lián)至12 V的直流電源，按照規(guī)定的放電電流和放電時間進行強制放電。GB 31241設定的電池強制放電試驗使用1CA電流反向充電90 min。此外，GB 31241還要求電池組進行欠壓放電、過載和反向充電試驗，以評估電池組的放電能力。欠壓放電是以最大放電電流恒流放電；過載是以1.5倍的過流放電保護電流恒流放電；反向充電是以推薦充電電流反向充電。從試驗內容上看，GB 31241設置的電池組的放電試驗更多，以測試在不同的放電方式下電池組的安全性能。

3 GB 31241的其他試驗

除了與UN 38.3相近的試驗內容，GB 31241還設置了其他一些試驗，來保證電池和電池組的安全。在環(huán)境試驗中，GB 31241對電池提出了燃燒噴射試驗的要求，考查電池的燃燒或爆炸危險性。對于電池組，GB 31241還提出了應力消除、洗滌及阻燃的要求，這些要求從實際情況出發(fā)，保證了鋰離子電池的安全。

GB 31241對電池組的保護電路及系統(tǒng)保護電路也提出了測試要求，主要集中在電池組充放電、過載、短路情況下系統(tǒng)的保護和控制上。除了電池和電池組本身的安全性試驗外，還通過保護電路來保護電池和電池組的安全。

4 GB 31241和UN 38.3樣品數(shù)目的比較

要完成所有的試驗，UN 38.3和GB 31241在試驗樣品數(shù)目上有所不同，GB 31241要求的樣品數(shù)量更少。全套的UN 38.3電池測試，共需要40只電池樣品，電池組測試共需要8個電池組樣品和20只組成電池芯樣品。完成GB 31241所要求的所有試驗，總共需要27只電池樣品和33個電池組樣品。

5 結論

分析對比后，可以得出如下結論：

GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》設定了更多的測試項目，通過多方面的測試來考查鋰離子電池和電池組的安全；UN 38.3作為鋰離子電池運輸?shù)耐ㄐ袠藴剩鼈戎赜诳疾殇囯x子電池的運輸安全。

GB 31241與UN 38.3在大多數(shù)試驗中要求的試驗條件和判斷標準都比較一致，GB 31241對電池組保護電路和系統(tǒng)保護電路提出了安全測試要求。

GB 31241在試驗樣品數(shù)量、一些項目的具體測試要求上和UN 38.3有所不同，尤其是在過度充電、強制放電等測試項目上，兩者的試驗條件差別較大。

總體而言，GB 31241從電池、電池組和保護電路等多方面設置測試項目，考查鋰離子電池的安全性能，對提高鋰離子電池的使用安全和運輸安全具有一定的積極作用，但在鋰離子電池進行海運和空運時，仍要按UN 38.3的要求進行測試，以保障運輸安全。

[1] GB 31241-2014，便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求[S].

[2] 關于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書——試驗和標準手冊(第5修訂版)[S].

[3] HE Peng-lin(何鵬林)，GUO Zi-qi(郭子綺)，SUN Jian-bo(孫建波). 鋰離子電池安全標準GB 31241-2014淺析[J]. China Standards Review(中國標準導報)，2015(3)：26-29.

[4] HE Peng-lin(何鵬林)，WANG Li-wen(王黎雯). 《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》解析[J]. Information Technology & Standardization(信息技術與標準化)，2015，(3)：37-40.

[5] CAI Chun-hao(蔡春皓)，DUAN Ji-yuan(段冀淵)，SHOU Xiao-li(壽曉立)，etal. 淺談現(xiàn)有鋰離子電池檢測標準[J]. Battery Bimonthly(電池)，2015，45(3)：121-123.

[6] MH/T 1052：2013，航空運輸鋰電池測試規(guī)范[S].

[7] MO Liang-jun(莫梁君)，XU Zhi-qin(許志欽)，ZHANG Hai-juan(張海娟)，etal. 電池危險品運輸分類鑒定及安全風險[J]. Battery Bimonthly(電池)，2014，44(5)：277-230.

The comparison of Li-ion battery national standard GB31241 and UN 38.3

YANG Qiang，LI Qian

(ChinaAcademyofCivilAviationScienceandTechnology，Beijing100028，China)

National standard GB 31241-2014 Lithium ion cells and batteries used in portable electronic equipments - Safety requirements and UN 38.3 were compared in test requirements and sample numbers. In order to determine the safety of Li-ion battery，more tests for lithium cells，lithium batteries and protection circuits were set up in GB 31241 than in UN 38.4，but there were differences in the sample numbers and certain test conditions between GB 31241-2014 and UN 38.3.

GB 31241； UN 38.3； Li-ion battery； transport； standard； safety

楊 強(1977-)，男，四川人，中國民航科學技術研究院工程師，博士，研究方向：危險品航空運輸,本文聯(lián)系人；

TM912.9

A

1001-1579(2016)01-0046-03

2015-07-08

李 茜(1984-)，女，北京人，中國民航科學技術研究院工程師，碩士，研究方向：危險品航空運輸。