GB 40165-2021與IEC 62619-2017標準差異研究

戴加誠 黃 鯤 莊宇迪 柳 震 鄧俊釗

（1.嘉興威凱檢測技術有限公司 嘉興 314000； 2.威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

近年來，我國儲能電池裝機量一直保持高速增長的趨勢。儲能電池下游應用范圍非常廣，包括電力系統、通信基站、數據中心、軌道交通等。但是，電化學儲能存在一個最重要的問題，那就是安全性。而且，隨著電池比能量和比功率越來越高，發生事故的危險性也將越來越大。目前國際上IEC 62619-2017標準是工業用鋰電池CB認證的重要依據標準，而國內對用于固定式電子設備（主要為工商業使用）中的電池和電池組尚未出臺相應的國家標準，為此，2021年4月30日國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會聯合發布了GB 40165-2021《固定式電子設備用鋰離子電池和電池組-安全技術規范》（以下簡稱國標）。該國標作為強制性標準，將于2022年5月1日正式實施，對提高固定式電子設備及工業應用的鋰離子電池和電池組質量水平、產品優化，提高對人身和財產安全保護，規范行業市場等方面都有著重大意義。IEC 62619-2017與國標在標準適用范圍和測試方法上有著一定的相似，兩者都對固定式設備做出了規范，例如通信設施、不間斷電源、儲能系統、應急電源等。但是IEC 62619-2017標準還涵蓋了動力應用產品如叉車、高爾夫球車、自動導引車等。下面就對兩個標準的差異詳細的分析和研究。

1 標準差異概述

IEC 62619-2017與GB 40165-2021這兩個標準的簡要差異見表1。

表1 IEC 62619-2017與GB 40165-2021測試項目差異列表

在電安全方面，IEC 62619-2017比國標多了兩個試驗項目，分別是內部短路和熱蔓延。另外在相同試驗項目上也有較大的差異，主要體現在測試條件、測試參數、終止條件等方面。

在環境安全方面，國標的試驗項目相較于IEC 62619-2017多了溫度循環、振動、加速度沖擊、低氣壓這4項試驗，這4項試驗模擬了：高低溫環境之間不斷變化（比如中國有多種氣候環境，部分地區的晝夜溫差非常大）；運輸、裝運或者工作時遇到的振動、沖擊等異常狀況；高海拔環境下和航空運輸時的低氣壓等各種環境。考驗電池在這些環境下的安全性能，以提高對人身和財產的安全保護。而IEC 62619-2017在這方面只有跌落、重物沖擊、熱濫用這三項試驗，可以看出IEC 62619-2017和國標這兩個雖然都是安全性方面的標準，但IEC 62619-2017更偏向于電安全性，國標的話不管是電安全還是環境安全都有覆蓋，相對來說更加全面。

IEC 62619-2017在電池系統層級的安全試驗相對較少，分別是過壓充電控制、過流充電控制、過溫充電控制，而國標規定了8項電池系統層級的安全試驗。電池系統在實際設備應用場景中占據主導，因此電池系統的保護功能是設備安全性的第一道防線，也是最主要的保護措施。電池系統的保護功能主要是由BMS電池管理系統（有時也叫BMU電池管理單元）來實現，它是一種與電池組相連的，在電池組過充、過流、過放以及過熱下能夠切斷電路的電子系統，可以用來監控和管理電池組的狀態，也可以稱為電池的守護者。BMS電池管理系統主要由各類傳感器、執行器、控制器以及信號線等組成。通常具有以下功能：電池參數檢測；電池狀態估計；在線故障診斷；電池安全控制與報警；充放電控制；電池均衡；熱管理等等。

2 電安全試驗差異

2.1 外部短路

外部短路是電池安全事故主因之一，也是觸發電池熱失控的重要誘因之一，國標中將外部短路的試驗溫度設置為（55±5）℃[2]，IEC 62619-2017中則為（25±5）℃[3]的常溫環境，考慮到有相當數量的固定式設備長期工作在戶外場所，在夏季高溫天氣的工作環境溫度較高，國標與實際情況也比較貼合。另外國標中總外部電阻限制為不大于30 mΩ[2]，而IEC 62619-2017則將其規定在（30±10）mΩ[3]范圍內即可。通過對某款磷酸鐵鋰電芯在相同SOC狀態，不同外部電阻下短路測試發現，更小的外部電阻下短路電流峰值和溫度峰值更高，如圖1所示，灰線表示電流，黑線表示溫度。可見國標的條件相對更加嚴格。

圖1 不同外部電阻下溫度、電流曲線對比

2.2 過充電

電池的過充電也是引起電池熱失控的主要原因之一，在實際使用場景中，人們接觸的最多的就是充電，大部分安全事故均是在過充過程過發生的。鋰電池由于材料特性，充電會有一個上限電壓值，鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰的上限一般在4.2 V，磷酸鐵鋰材料的上限一般在3.65 V，如果充電超出了這個上限電壓繼續充電，會導致過量的鋰從正極脫出，從而引起正極結構坍塌，放出熱量和釋放出氧。同時鋰在負極不斷沉積，表面會生長出鋰枝晶，鋰枝晶可能會刺穿隔膜引起內部短路。過充引起電池內部一系列的化學反應放出大量的熱量和煙氣，最終會導致熱失控[1]。圖2為某鋰電池組過充測試中發生起火爆炸的過程。

圖2 鋰電池組過充電測試不合格發生起火爆炸過程照片

國標和IEC 62619-2017過充電項目的區別主要在試驗樣品狀態和試驗終止條件，IEC 62619-2017是針對電池系統中完全放完電的電芯充電至保護電壓，終止條件為溫度達到穩定（30 min內變化小于10 ℃）或降至室溫[3]。而國標是對滿電電芯充電至1.2倍充電上限電壓或5 V中的較大值，終止條件為持續1 h或溫度降到峰值溫升50 %[2]。國標的測試更加嚴苛，對電芯制造商有著更高的技術要求，并促使電池過充安全性的研究。

2.3 強制放電

在強制放電項目上，國標和IEC 62619-2017的測試方法較為相似，唯一的區別是IEC 62619-2017考慮了最大放電電流小于1 C的情況，不像動力電池具有較大的放電倍率，儲能用電池更注重壽命和穩定。

2.4 內部短路

內部短路簡單來說就是電芯內部的正負極之間發生接觸造成短路。IEC 62619-2017的內部短路試驗參考了IEC 62133，通過在棱柱形電芯內部正負極之間放置鎳片并對電池施加400 N的擠壓力[3]，來模擬內部金屬毛刺或者鋰枝晶刺破隔膜，引起內部短路。

2.5 熱蔓延

鋰電池的安全事故中通常都不是整個電池系統直接發生爆炸或者起火，而是由于內部個別電芯的異常升溫和熱失控引起了周圍其他電芯溫度升高，使熱失控逐步蔓延至整個電池系統，從而造成最終的爆炸或起火。這項測試會用加熱塊加熱電池系統內某個電芯直至熱失控，停止加熱并觀察1 h，要求火焰不蔓延至電池系統外部或者電池系統外殼不破裂。這項測試與GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中的熱擴散相似，都是通過外部手段觸發中間某個單體熱失控，不同點在于：如果熱擴散會導致乘員艙發生危險，電池系統應在這之前5 min發出熱事件報警信號，提醒乘員疏散[4]，這對乘員的人身安全至關重要。IEC 62619-2017對這項測試的規定具有很強的現實意義，對電池企業提出了嚴格要求，對周圍人員的人身安全以及其他重要設備的財產安全起到了一種保護作用，一旦火焰蔓延至電池系統外部，將會引燃周圍其他可燃物，對設備和人身安全造成無法挽回的后果。

3 環境安全試驗差異

3.1 跌落

兩個標準的跌落試驗基本一致，但是在7 kg≤樣品重量＜20 kg這個范圍時，IEC 62619-2017的跌落高度統一為10 cm[3]，國標的話需要根據公式[100-90（m-7）/13]cm，用樣品重量計算跌落高度[2]。

3.2 重物沖擊

對于這項試驗，兩個標準的主要區別為IEC 62619-2017對棱柱形電芯和圓柱形電芯都適用，并且對棱柱形電芯的寬面和窄面進行測試[3]，而國標只適用于直徑大于等于18 mm的圓柱形電芯[2]。

3.3 熱濫用

熱濫用模擬了電池在異常高溫條件下的安全性，電池在異常高溫環境中可能會引起內部材料和電解液的分解，內部一系列的化學反應使溫度進一步升高，造成熱失控。IEC 62619-2017對熱濫用的試驗溫度要求為（85±5）℃下保持3 h[3]，國標要求了更高的試驗溫度（130±2）℃[2]，但保持時間縮短了。IEC 62619-2017側重了保持時間，國標側重了高溫溫度。

4 系統層級功能安全試驗

4.1 過壓充電控制

前文提到大部分安全事故均是在過充過程過發生的，因此避免發生過充尤為重要。這需要對充電時的電壓進行監控，制造商要設定一個電壓保護值，當充電到該保護電壓時，電池管理系統就要發出報警信號并中斷充電，對電池起到保護作用。為了驗證試驗樣品電池管理系統的保護功能，IEC 62619-2017和國標都規定了這項試驗，并且兩個標準在這項試驗上非常相似，唯一的區別是IEC 62619-2017只要求進行一次測試即可判定結果，而國標要求進行三次測試，并且國標在另外幾個系統層級的試驗同樣要求三次測試，這更能考驗電池管理系統在保護功能上的可靠性。圖為IEC 62619-2017過壓充電控制測試曲線，可以看到單體電芯從完全放完電狀態開始充電，溫度逐漸升高，當充電至單體電壓4.2 V時，電壓出現了陡降，并且溫度開始下降，此時可判斷電池管理系統起作用，中斷了充電。

4.2 過流充電控制

制造商通常會規定電池系統能夠安全工作的最大持續充電電流，但是當電池系統由于故障等原因，以超過最大持續充電電流充電時，電池系統內的電芯溫度會快速升高，如果沒有得到控制，當溫度到達一定值，電芯內部材料、電解液、隔膜等會分解放出大量熱量和可燃煙氣，最終引發熱失控。因此，電池管理系統需要能夠監控充電電流，當充電電流超過了設定的充電保護電流值，應發現過流情況并采取相應動作來控制。在這一點上，IEC 62619-2017和國標的要求不同，IEC 62619-2017要求電池管理系統應當通過自動斷開主接觸器來中斷充電電流[3]，更偏向于保護；而國標則規定將充電電流控制在最大充電電流以下，同時也允許符合保護策略的中斷，并且進行3次測試[2]，國標的規定更加偏向于控制，更符合實際場景。在實際運行過程中，如果一旦發生了過流現象，管理系統立即中斷電路了，將對整個電池系統造成影響，但是管理系統發現了過流后將其控制到最大充電電流以下的話，這樣即能保證正常運行，也能對電池系統起到保護作用。

圖4為IEC 62619-2017過流充電控制測試曲線，可以看到完全放電的單體電芯過流充電時電壓瞬間升高后立刻出現了陡降，此時可判斷電池管理系統起作用，中斷了充電。

圖3 IEC 62619-2017過壓充電控制測試曲線

圖4 IEC 62619-2017過流充電控制測試曲線

4.3 過溫控制

高溫過熱也是引起鋰電池熱失控的主要原因之一，電池儲能系統通常由多個電池組組合而成，在運行過程中會產生大量熱量，特別是集裝箱儲能系統內電池排布緊密，且集裝箱內部相對封閉，電池充放電產生的熱量容易積累導致溫度過高，影響電池的使用壽命和安全性能。這就需要對這些電池進行散熱，目前行業中主要的散熱方式為強制風冷和液冷，其中強制風冷占比較大，強制風冷的散熱方式是通過安裝空調和風扇進行制冷，滿足了常規儲能系統的散熱要求，且成本在可接受范圍內。液冷的技術要求和成本較高，還不適合大規模應用。

當散熱裝置無法控制住溫度或者電池本身在充電過程中發生了異常導致溫度超過了允許的最大工作溫度，這就需要電池管理系統來發現并中斷，從而避免導致更嚴重的后果。

對于過溫控制這項試驗，IEC 62619-2017和國標的主要區別在于使樣品升溫的方式不同，國標是先充滿電后擱置10 min，再放出50 %SOC來使溫度上升到超過最大工作溫度5 ℃[2]；相反，IEC 62619-2017是先放完電后再充電到50 %SOC[3]，兩者的目的都是將樣品升溫來超過制造商設定的最大工作溫度，從而驗證電池管理系統的過溫控制功能。在測試結果上，兩個標準都要求管理系統能夠發現過高溫并終止充電。

5 結論

GB 40165-2021《固定式電子設備用鋰離子電池和電池組-安全技術規范》的發布對固定式電子設備用的鋰離子電池和電池組在人身和財產安全保護方面有著重大意義，填補了我國在此之前的空白，這個強制性國家標準的實施，對相關適用產品和生產企業有了更高的要求，特別是該標準所述的電池和電池組適用的產品范圍非常廣，涉及到信息技術、通信技術、音視頻、測量控制、應急電源、不間斷電源等多種類別，該標準將對多個行業產生巨大影響，各大電池生產企業及配套企業應高度重視。希望本文通過將GB 40165-2021和IEC 62619-2017的對比，能幫助我們更好的學習標準，并為相關鋰電池產品的技術改進提供一定的參照。