車用鋰電池安全性測試問題及涉及的標準/規范

二氧化碳減排是促進以更綠色能源替代傳統內燃機的主要推動力。據資料報道，歐盟到2020年將有1 480萬輛輕型車輛登記，其中7%為電動型。預計這一市場份額到2030年上升至31%，屆時將由歐洲、日本和美國為主導。可望預見在2020年65%的電動型汽車將使用鋰電池做動力。

鋰電池是可再充電的儲能設備，表1列舉了構成鋰電池的典型組分。許多因素會影響鋰電池的安全性以及用于優化安全性的設計參數的評價。

為了實現特殊應用的安全保障，必須在綜合考慮安全、性能及成本的基礎上折衷地選擇電池組分。

表1 鋰離子電池的典型組分

特定用途的鋰電池需要通過一系列的安全測試，進行安全測試旨在了解并識別當電池經歷現實的異常條件時潛在的弱點和缺陷，從而判斷電池在極端苛刻條件下的行為。比如汽車碰撞或熱沖擊，這種情況會導致熱失控。熱失控的產生取決于包括充電狀態、充電／放電速度、電池形式、電池歷史、陰極／陽極材料、電解質組成等因素。

曾專門設立了許多標準、規范，用來促進并規范電動車輛中鋰電池的使用，現階段有必要對其加以區分，原則上標準是由非政府機構擬定的自發性文件，例如，國際電工技術委員會（IEC），國際標準化組織（ISO），國際汽車工程師學會（SAE）等國際性組織，歐洲層面的歐洲標準化委員會（CEN）和歐洲電工技術標準化委員會(CEN ELEC)等，也有由國家機構如英國標準學會（BSI），日本工業標準委員會（JISC）或地區性組織頒發的標準。規范多為政府當局頒布具備法律效力性。陸路用車輛最相關的規范屬聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）發布的型式批準規范，這些規范對輪式車輛、部件、設備定義了統一的技術處置規定，并為互相承認由若干國家對穩態條件進行型式批準。在美國，國家公路交通安全管理局（NHTSA）以《聯邦機動車輛安全標準》的方式發布規范，對機動車輛或機動車輛設備的物件設定了最低安全性能要求。

標準也可被法律和規范引用。在一些技術領域，目前歐洲遵循2008年7月采用的“新立法架構”（NLF），頒布的指令中只給出基本要求，而在那些指令所提及的歐洲標準中限定技術細節。機動車輛型式批準（EC指令）認可國家的型式批準，并確保這一批準得到其他歐盟成員國承認，即在其一成員國獲型式批準的車輛，準許在任何其他成員國銷售。

已有的標準、規范所涵蓋的鋰電池安全測試內容可按照折磨的性質分為力學、電學、環境和化學共四類，以下為現有的子目錄：

1 力學試驗

1.1 機械沖擊試驗

1.2 跌落試驗

1.3 貫入度試驗

1.4 浸漬試驗

1.5 壓裂/碰撞試驗

1.6 翻轉試驗

1.7 振動試驗

2 電試驗

2.1 外部短路試驗

2.2 內部短路試驗

2.2.1 隔離劑關閉完整性試驗

2.2.2 強制內短路或鎳粒子試驗

2.2.3 沖桿壓痕試驗

2.3 過度充電／過度放電試驗

3 環境試驗

3.1 熱穩定性試驗

3.2 熱沖擊試驗

3.3 過熱試驗

3.4 極端低溫試驗

3.5 著火點測定

4 有害化學物質評價試驗

4.1 釋放物相關試驗

4.2 可燃性試驗

國際性關于動力鋰電池的安全標準分別聚焦于電池層級狀態和系統，由ISO和IEC負責建立。ISO已經頒布的文件包括ISO 12405-1：2011 和 ISO 12405-2：2012，分別為確定大功率電池和高能量電池的試驗規定，并由新近發布的ISO 12405-3：2014對其加以完善。中國于2015年頒布了GB/T 31467.1，GB/T 31467.2 和 GB/T 31467.3。其間IEC于2011年頒布的IEC 62660-2表述了動力電池的安全試驗程序，于2016年的IEC 62660-3：2016確定了電池的安全規定。還有新的標準IEC 62485-6提出了鋰離子電池及其電池裝備的安全要求。關于車輛安全，ISO 6469-4于2015年頒布了有關碰撞的安全問題。

表2將國際性標準、規范中關于車用鋰電池折磨試驗要求最頻繁出現的項目進行了匯總。

表2 車用鋰電池測試相關的標準／規范

最后，通過比照標準、規范所采納的參數和條件，發現存在些許短板，經過分析歸納得出下面幾個改進要點。

（1）現有絕大多數強調測試要求的標準、規范均源自傳統車輛系列，顯然大多針對電動車輛和混合動力車輛的分析及其數據評估均欲涵蓋電氣技術特征。

（2）組件測試性能與車輛測試之間的可比性是一個待考察因素。

（3）應考察在電池、模塊和集打包這三種不同狀態下組件測試的可比性。比如，已經證實短路試驗中形成的起始電流受被測器件的大小以及連接形式（并聯或串聯）的影響。類似的影響還出現于向不同尺寸的被測件施加單一破碎力與用壓碎板時的結果差異。

（4）測試條件（如充電狀態、溫度）的分散度涉及諸如過度充電、熱沖擊、短路等多數測試項目，這一點顯著地影響著那些采用不同標準所得數據的可比性，盡管某種情況中的參數差別或許出自不同的場景因素，為了實現公平、等價的測試可做適當參數校準。最壞的情形屬最大充電狀態，理論上的折磨試驗就在此等條件下進行。舉個例子，在短路試驗中，被測件的充電度越高，則生成的短路電流也越高，而熱失控的起始溫度卻越低。多數標準要求100%充電態，而規范UN/ECE-R100.02:2013允許在≥50%充電態下做測試。

（5）現實中發生的事故屬動態事件，系為電池移向沖擊區域，然而組件測試時執行的靜態裝配卻是沖擊子移向電池。研究發現在力學載荷中，現行的標準、規范與動態碰撞測試之間并不相符，對此建議在標準框架內作必要的調整。

（6）車輛充電時如拆下電池，更換操作中或會跌落，而各種車用電池的規范、標準如UN/ECER100.02:2013,ISO 12405-1(2,3):2011(2012,2014)以及 ISO 62660-2:2011卻均未含有跌落測試內容。

（7）內短路的發生是電池制造商的主要隱憂之一，然而相應的測試卻沒有在立法的基礎上廣泛實施。據悉這項測試的程序繁瑣，其實施仍需大量的測試技術研究開發。

（8）尚僅有SAE J2464:2009，SAE J2929:2013和UL2580:2013強調檢測有毒和可燃性釋放物的重要性并且提供了適用的測試方法。此項特殊分析的實行尚未被其他主體機構所廣泛采納。考慮到問題的嚴重性，建議未來標準、規范的確立，應以和諧的測試指南或協定書來確保對車用電池的化學危險物進行適當評估，為的是保證車輛乘客以及周邊人群的安全。

（9）關于安全測試，強烈推薦進行真實場景的評估，便于保證使用鋰離子電池技術的未來安全。為此，應考慮添加一些測試項目于未來的標準和規范中，諸如翻轉、跌落、浸液、低溫危險、毒性、燃性等。

（10）應提供清楚明了的測試指南和原理說明作為試驗方法的組成部分。具體例子包括用于設定充電狀態、局部溫度傳感器、被測件處在各種測試中之準確位置的方法描述，再加上試驗設備的最低公差要求。這些指南便于測試機構對標準、規范進行正確而和諧的解讀，從而可改善試驗結果之間的可比性。 （蔡榮欣編譯）

注：文章摘譯自 Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018（81）：1427-1452，原文標題為 A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles