電動(dòng)兩輪車用鋰離子電池組標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

龔明光

摘 要：隨著2019年新國(guó)標(biāo)的實(shí)施，輕量化成為電動(dòng)兩輪車新國(guó)標(biāo)時(shí)代的大勢(shì)，在相同的體積下，鋰離子的容量和能量均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鉛酸電池，并且隨著鋰離子產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；?，瓦時(shí)單價(jià)也在不斷降低，質(zhì)量更輕的鋰離子電池成為兩輪電動(dòng)車的更優(yōu)選擇。在鋰離子電池快速發(fā)展的同時(shí)，因電池生產(chǎn)廠家質(zhì)量良莠不齊、電池組未執(zhí)行強(qiáng)制檢驗(yàn)、用戶使用不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌碾姵仄鸹?、爆炸安全事故頻發(fā)。本文旨在對(duì)現(xiàn)有兩輪車用鋰離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，研究標(biāo)準(zhǔn)中鋰離子電池組檢驗(yàn)項(xiàng)目的異同點(diǎn)，以及標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：兩輪車 鋰離子電池 標(biāo)準(zhǔn)

1 引言

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)電動(dòng)兩輪用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)主要為QB/T2947.3-2008[1]、GB/T 36972-2018[2]以及GB/T 36672-2018[3]，國(guó)際上主要是ISO 18243-2017[4]的標(biāo)準(zhǔn)。其中QB/T2947.3-2008、GB/T 36972-2018的測(cè)試對(duì)象電動(dòng)自行車電池組，GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017試驗(yàn)對(duì)象為電輕摩和電動(dòng)摩托車電池系統(tǒng)。試驗(yàn)項(xiàng)目主要分為電性能、機(jī)械安全、環(huán)境安全以及電安全四個(gè)維度，表1列出了這四部標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電池及電池組檢測(cè)的主要檢測(cè)項(xiàng)目。

1.1 電性能

1.1.1 室溫放電容量

四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在室溫放電性能的環(huán)境溫度要求和放電倍率不完全相同，QB/T2947.3-2008常溫放電的環(huán)境溫度為15～35℃，放電倍率為0.1C，試驗(yàn)可以重復(fù)5次，放電容量不低于額定容量的100%。此外還有0.5C放電測(cè)試，容量要求不低于額定值的90%。GB/T 36972-2018常溫放電的環(huán)境溫度要求試23±2℃，放電倍率為0.5C，重復(fù)3次，3次測(cè)試結(jié)果的平均值為室溫放電初始容量，電池組放電容量應(yīng)在第三次或之前達(dá)到額定容量，此外還增加1C放電倍率的測(cè)試要求，要求不低于初始容量的95%。GB/T 366772-2018室溫放電的環(huán)境溫度為25±2℃，放電倍率為1C，可以重復(fù)5次，當(dāng)連續(xù)3次試驗(yàn)結(jié)果的極差小于額定容量的3%，可提前結(jié)束試驗(yàn)，取最后3次試驗(yàn)結(jié)果平均值。放電容量不低于額定容量且不超過(guò)額定容量的110%，與GB/T 31486-2015中的要求保持一致[5]。ISO 18243-2017常溫放電容量的環(huán)境溫度同樣為25±2℃，放電倍率為C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規(guī)定）。

1.1.2 低溫放電容量

四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在低溫放電性能的環(huán)境溫度要求和放電倍率不完全相同QB/T2947.3-2008低溫放電溫度為-10℃，放電倍率僅為0.1C，要求放電不低于額定值的75%。GB/T 36972-2018低溫放電的環(huán)境溫度為-20℃，放電倍率提高到1C，要求放電容量不低于初始容量的70%。GB/T 36672-2018電池組對(duì)低溫放電沒(méi)有規(guī)定，但其規(guī)定了模組的低溫放電要求，且和GB/T 31486-2015保持一致，放電溫度同樣為-20℃，放電為1C，放電容量不低于初始容量的70%. ISO 18243-2017對(duì)低溫放電的溫度點(diǎn)則最高提高至2個(gè)，即0℃和Tmin（≤-10℃），而放電倍率為C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規(guī)定）。ISO 18243-2017不僅考慮了溫度，還考慮了放電倍率，是四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低溫性能規(guī)定最為全面的。

1.1.3 高溫放電容量

和低溫放電容量類似，四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在低溫放電性能的環(huán)境溫度要求和放電倍率不完全相同QB/T2947.3-2008高溫放電溫度為40℃，放電倍率僅為0.1C，要求放電不低于額定值的95%。GB/T 36972-2018高溫放電的環(huán)境溫度為55℃，放電倍率為1C，要求放電容量不低于初始容量的90%。GB/T 36672-2018對(duì)模組的高溫放電容量溫度以及放電倍率和GB/T 36972-2018保持一致，放電容量要求不低于初始容量的90%. ISO 18243-2017對(duì)高溫放電的溫度定義和QB/T2947.3-2008一致，都是40℃，所不同的是放電倍率有C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規(guī)定）四種。

1.1.4 荷電容量保持與恢復(fù)能力

儲(chǔ)存性能測(cè)試一般包含室溫和高溫儲(chǔ)存兩種模式，SOC一般為滿電態(tài)和半電態(tài)。其中QB/T2947.3-2008僅規(guī)定了常溫荷電保持能力，無(wú)荷電恢復(fù)能力及滿電態(tài)的電池組擱置30天后以0.1C放電獲得的容量，其與額定值的百分比記為荷電保持能力，要求不低于80%。GB/T 36972-2018有兩種儲(chǔ)存模式，一種是20±5℃儲(chǔ)存28天，另外一種是50%SOC儲(chǔ)存90天，其中28天儲(chǔ)存后容量不低于80%，荷電恢復(fù)能力不低于初始容量的90%;90天儲(chǔ)存后荷電恢復(fù)能力不低于85%。GB/T 36672-2018中的荷電保持與容量恢復(fù)能力試驗(yàn)對(duì)象為電池模組，要求與GBT31486-2015一致。ISO 18243-2017中儲(chǔ)存分為室溫滿電儲(chǔ)存37天、40℃（或更高溫度）滿電儲(chǔ)存37天以及45℃50%SOC（或更高）三種儲(chǔ)存條件，但對(duì)試驗(yàn)結(jié)果僅要求記錄，并無(wú)明確的數(shù)值符合性判定。

1.1.5 循環(huán)壽命

四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)循環(huán)壽命測(cè)試的環(huán)境溫度均是在常溫或室溫，其中QB/T2947.3-2008要求循環(huán)500次后，放電容量不低于額定容量的60%（100次后不低于85%），放電倍率0.1C。GB/T 36972-2018對(duì)循環(huán)壽命的要求試23±2℃條件下，循環(huán)600次后容量不低于初始容量的60%，放電倍率為0.5C，高于QB/T2947.3-2008的要求。GB/T 36672-2018標(biāo)準(zhǔn)中循環(huán)壽命的測(cè)試溫度與前兩部標(biāo)準(zhǔn)略有不同，為25±2℃，循環(huán)容量要求也高于前面兩部標(biāo)準(zhǔn)，要求300次后放電容量不低于90% 或者600次后放電容量不低于80%，并且放電條件也更加嚴(yán)苛，放電倍率提升至1C水平。

1.1.6 功率內(nèi)阻

內(nèi)阻是評(píng)估鋰離子電池性能的重要指標(biāo)。目前，鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)試的方法很多，主要有交流內(nèi)阻[6]、直流內(nèi)阻[7]和電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試[8]等方法。四部標(biāo)準(zhǔn)中僅GB/T 36972-2018和ISO 18243-2017兩部標(biāo)準(zhǔn)局對(duì)內(nèi)阻有要求，其中GB/T 36972-2018采用1kHz的交流法測(cè)的，其反應(yīng)的主要是電池本身的歐姆電阻，而ISO 18243-2017則規(guī)定了4個(gè)溫度點(diǎn)（40℃、RT、0℃、-10℃），3種SOC（90%、50%、20%）幾種測(cè)試個(gè)工況，采用直流法測(cè)試0.1～120s放電功率內(nèi)阻以及0.1～20s充電功率內(nèi)阻，其不僅反應(yīng)了電池組本身的歐姆電阻，也考慮了充放電過(guò)程中的瞬時(shí)極化內(nèi)阻。有鑒于此，建議GB/T 36672-2018修訂時(shí)應(yīng)考慮加入功率內(nèi)阻測(cè)試。

1.2 機(jī)械可靠性

1.2.1 振動(dòng)測(cè)試

四部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)的方向、振動(dòng)時(shí)間、振幅和頻率有較大差別，其中QB/T2947.3-2008振動(dòng)方式為定頻振動(dòng)，規(guī)定試驗(yàn)對(duì)象大面方向固定在振動(dòng)臺(tái)，施加振幅2mm，頻率16.7Hz，振動(dòng)時(shí)間1h，要求試驗(yàn)后外殼不變形，不超過(guò)規(guī)定的外形尺寸范圍;試驗(yàn)前后開(kāi)路電壓不超過(guò)±0.2n*V，單不要求試驗(yàn)后進(jìn)行充放電。且電池組不泄漏、不起火和不爆炸。GB/T 36972-2018振動(dòng)方式為掃頻循環(huán)，頻率10Hz～55Hz，單次循環(huán)時(shí)間90min，振動(dòng)方向?yàn)閄、Y、Z三個(gè)方向，振動(dòng)后電池組應(yīng)不泄漏、不起火、不爆炸，放電容量應(yīng)不低于初始容量的95%。GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017兩部標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)測(cè)試方法基本一致，均參照了《聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)物品運(yùn)輸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》的第3部分38. 3款的振動(dòng)測(cè)試方法，X、Y、Z三個(gè)方向，每個(gè)方向180min，單次掃頻循環(huán)15min，共12個(gè)循環(huán)。振動(dòng)條件按照樣品質(zhì)量進(jìn)行劃分，12kg以下峰值加速度1g從7Hz到18Hz，保持振幅0.8mm，頻率增加至最大加速度達(dá)到8g，并保持8g掃頻到200Hz，12kg以上以峰值加速度1g從7Hz掃頻至18Hz，然后保持振幅0.8mm，頻率增加直到最大加速達(dá)到2g，保持2g加速度掃頻到200Hz，要求振動(dòng)后無(wú)泄漏、外殼破裂、起火、爆炸等現(xiàn)象，并且絕緣電阻不低于100Ω/V。建議開(kāi)展符合兩輪車應(yīng)用的振動(dòng)路譜研究工作，研究符合兩輪車的振動(dòng)測(cè)試工況。

1.2.2 機(jī)械沖擊

四部標(biāo)準(zhǔn)中除QB/T2947.3-2008外，其余三部標(biāo)準(zhǔn)均包含機(jī)械沖擊測(cè)試項(xiàng)目，GB/T 36672-2018以及ISO 18243-2017兩部標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械沖擊測(cè)試條件基本一致，和振動(dòng)一樣，同樣是參照UN38.3機(jī)械沖擊方式，機(jī)械沖擊方向?yàn)?個(gè)方向，分別為±X、±Y和±Z，每個(gè)方向沖擊3次，共18次。沖擊波形均為半正弦波，分為150g/6ms和50g/11ms兩種加速度脈寬，要求試驗(yàn)后系統(tǒng)保持連接可靠、結(jié)構(gòu)完好，系統(tǒng)的最小監(jiān)控單元無(wú)電壓銳變，系統(tǒng)無(wú)泄漏、外殼破裂、著火、爆炸等現(xiàn)象，試驗(yàn)后絕緣電阻值不小于100Ω/V。GB/T 36972-2018規(guī)定在電池組三個(gè)互相垂直的方向上各承受三次等值的沖擊，至少要保證一個(gè)方向與水平面垂直，要求試驗(yàn)后不起火、不爆炸、不泄漏。

1.3 環(huán)境可靠性

1.3.1 溫度沖擊

四部標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)溫度沖擊有相應(yīng)的測(cè)試規(guī)定，對(duì)樣品的要求均為滿電態(tài)，在溫度、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間以及時(shí)間有所不同，QB/T2947.3-2008溫度沖擊試驗(yàn)溫度范圍-40℃～85℃，試驗(yàn)從低溫開(kāi)始，每個(gè)溫度下保持1h，循環(huán)32次。GB/T 36972-2018溫度沖擊高低溫以及溫度速率均低于QB/T2947.3-2008，為72℃～20℃～-20℃～20℃，且試驗(yàn)從高溫開(kāi)始，其中72℃和-20℃每個(gè)溫度點(diǎn)保持4h，20℃保持2h，試驗(yàn)結(jié)束后還需要在20℃±5℃的環(huán)境中觀察7天。GB/T 36672-2018溫度沖擊則是引用了GBT31467.3-2015[9]的標(biāo)準(zhǔn)，溫度范圍-40～85℃，每個(gè)溫度保持8h，共5次循環(huán)，ISO 18243-2017溫度循環(huán)的測(cè)試方法和要求與GB/T 36672-2018類似，不同的是初始SOC降至80%，最高溫度為85℃或企業(yè)規(guī)定的最高溫度（不低于60℃），高低溫轉(zhuǎn)換溫度需要在30min內(nèi)，每個(gè)溫度點(diǎn)最小保持1h，共進(jìn)行5次循環(huán)。

1.3.2 濕熱循環(huán)

濕熱循環(huán)測(cè)試主要分為恒溫恒濕和交變溫度濕熱兩種。GB/T 36972-2018沒(méi)有該項(xiàng)測(cè)試，其余三部標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目中均包含該測(cè)試項(xiàng)目，其中QB/T2947.3-2008采用恒溫恒濕的測(cè)試方法，要求溫度40℃，濕度90%～95%條件下保持48h。其余兩部標(biāo)準(zhǔn)均采用交變濕熱的測(cè)試方法，溫度范圍25～80℃，濕度范圍55%～95%，每個(gè)循環(huán)5h，共5個(gè)循環(huán)。

1.3.3 低氣壓

GB/T 36972-2018對(duì)低氣壓要求最為嚴(yán)苛，氣壓為11.6kPa（模擬海拔15420m高度），而GB/T 36672-2018規(guī)定的氣壓值為61.2kPa，對(duì)應(yīng)的是4000m的海拔高度，顯然前者側(cè)重于是運(yùn)輸中的要求，而GB/T36672-2018更偏向于實(shí)際應(yīng)用的海拔要求。而另外兩部標(biāo)準(zhǔn)未涉及到低氣壓的測(cè)試項(xiàng)目。結(jié)合試驗(yàn)對(duì)象、運(yùn)輸條件、應(yīng)用場(chǎng)景，11.6kPa比較符合兩輪車電池組實(shí)際運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

1.3.4 防護(hù)測(cè)試

防護(hù)測(cè)試包含防塵防水等級(jí)測(cè)試，一般參照GB4208-2017[10]中的相關(guān)測(cè)試方法和要求。QB/T2947.3-2008要求浸水深度為浸沒(méi)，且持續(xù)24h，要求不泄漏、不冒煙、不起火或不爆炸，GB/T 36972-2018除水溫要求為20±5℃，其余測(cè)試條件和QB/T2947.3-2008保持一致。要求不泄漏、不破裂、不起火或不爆炸。

1.4 安全測(cè)試

安全測(cè)試包含機(jī)械濫用、電濫用等幾個(gè)方面。其中機(jī)械濫用安全主要包含擠壓、針刺、跌落等試驗(yàn)項(xiàng)目，電濫用主要考察電池組BMS的保護(hù)功能，如過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)以及過(guò)流保護(hù)等。

1.4.1 擠壓

擠壓主要目的是考察電池組在收到外部機(jī)械力作用下，電池組外殼以及內(nèi)部電芯以及連接部件的狀態(tài)。QB/T2947.3-2008未對(duì)電池組擠壓有要求，只規(guī)定了組成電池組的單體電池應(yīng)進(jìn)行橫向和縱向擠壓，擠壓程度為單體電池變形1mm～3mm，GB/T 36972-2018則個(gè)則規(guī)定電池組應(yīng)收到30kN或者形變量達(dá)到30%，并保持5min。要求擠壓方向是單體電池排列方向和擠壓頭垂直。另外兩部標(biāo)準(zhǔn)液未對(duì)電池組有擠壓的要求，不同的是GBT36672-2018中有對(duì)模組擠壓的要求，滿足GBT31485-2015中對(duì)模組擠壓的要求，從實(shí)際應(yīng)用的角度，兩輪車的行駛速度遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車，且新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)GB38031-2020已取消模組的安全測(cè)試要求，并且對(duì)電池包的擠壓力要求由之前的200kN降低至100kN?？v觀這四部標(biāo)準(zhǔn)，GB/T36972-2018對(duì)擠壓的要求更加符合實(shí)際的應(yīng)用要求。

1.4.2 機(jī)械沖擊

除QB/T2947.3-2008外，其余三部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池組均有機(jī)械沖擊測(cè)試項(xiàng)目，其中GB/T36972-2018要求電池組在三個(gè)互相垂直的方向各承受三次沖擊，并且至少要保證一個(gè)沖擊方向與水平面垂直，沖擊加速度150g，脈寬6ms。GBT36672-2018和ISO 18243-2017的機(jī)械沖擊測(cè)試參數(shù)基本一致，機(jī)械沖擊方向均為±X、±Y、±Z六個(gè)方向，每個(gè)方向沖擊次數(shù)3次。按照電池組質(zhì)量劃分成兩組，不超過(guò)12kg的電池組沖擊參數(shù)為150g、6ms，超過(guò)12kg的電池組沖擊參數(shù)為50g、11ms。

1.4.3 跌落

跌落測(cè)試模擬了電池在運(yùn)輸過(guò)程及用戶異常使用遭遇跌落后電池組的安全性能。四部標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了跌落的測(cè)試要求，均為自由跌落，但是跌落的方向、高度、地面的要求有所不同。QB/T2947.3-2008跌落高度700mm，跌落方向±X、±Y、±Z，每個(gè)方向1次，跌落地面要求試20mm厚的硬木板臺(tái)面。而GB/T 36972-2018對(duì)跌落的高度提高至1000mm，跌落方向X、Y、Z，每個(gè)方向1次。GB/T 36672-2018則參考了GB/T31467.3-2015[9]的要求，跌落高度為1000mm，方向僅為Z方向，跌落次數(shù)僅為1次，跌落臺(tái)面要求為水泥地面。ISO 18243-2017對(duì)跌落的情況分為兩種情況，其中一種是1000mm自由跌落至水泥地面，每個(gè)方向一次，另外一種測(cè)試條件是最可能出現(xiàn)跌落的方向，需要跌落3次。

1.4.4 海水浸泡

海水浸泡項(xiàng)目的測(cè)試目的是評(píng)價(jià)電池組浸泡在海水中總正負(fù)極端子短路或者殼體密封失效，電芯正負(fù)極端子短路引起的電安全。僅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含該項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試方法基本相同，均是5%NaCl浸泡2h，要求不起火，不爆炸。

1.4.5 外部火燒

GBT36972-2018針對(duì)非金屬殼體要求其阻燃性滿足GB/T5169. 16—2017要求，但對(duì)電池組有外部火燒的要求。僅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含該項(xiàng)測(cè)試，兩部標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)外部火燒的測(cè)試方法基本一致，但要求略有不同，前者要求電池組無(wú)爆炸現(xiàn)象，若有火苗應(yīng)在火源移后2min內(nèi)熄滅，ISO 18243-2017則僅要求無(wú)爆炸現(xiàn)象，兩輪車電池組一般使用金屬和非金屬兩種材料，阻燃材料經(jīng)過(guò)能夠起到一定的阻燃作用，但是一旦著火在也很難滿足2min熄滅的要求，就應(yīng)用來(lái)說(shuō)，除無(wú)爆炸的要求外，應(yīng)增加著火報(bào)警的功能。

1.4.6 電濫用安全

電濫用安全包含不帶保護(hù)的電濫用以及電氣保護(hù)測(cè)試，GB/T36972-2018包含了不帶保護(hù)的電濫用完全測(cè)試，但是隨著目前鋰離子電池比能量密度的不斷提升，其中有些測(cè)試項(xiàng)目需要商榷再評(píng)估，如過(guò)充電的條件要求5V*n持續(xù)24h，就系統(tǒng)而言應(yīng)該更加注重系統(tǒng)的電氣保護(hù)測(cè)試，其主要評(píng)價(jià)電池組BMS的保護(hù)功能，主要包含過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)等。這些測(cè)試項(xiàng)目的目的都是評(píng)價(jià)在電池組電濫用條件下，BMS能夠起到保護(hù)作用。在具體測(cè)試條件上，主要有充放電電流、時(shí)間的差異等，此外在短路保護(hù)測(cè)試時(shí)，外部電阻主要有80±20mΩ以及5mΩ以下兩種條件。除了BMS這些保護(hù)功能外，還應(yīng)增加低溫保護(hù)、反極保護(hù)能一些貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

2 結(jié)論

四部標(biāo)準(zhǔn)盡管都是兩輪車用鋰離子標(biāo)準(zhǔn)，但是QB/T2947.3-2008和GB/T36972-2018主要面向電動(dòng)自行車，而GBT36672-2018和ISO 18243-2017主要面向電輕摩和電動(dòng)摩托車，四部標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試項(xiàng)目設(shè)置上總體比較一致，但是在具體的測(cè)試條件仍存，在不少差異性。其中GBT36972-2018覆蓋的測(cè)試項(xiàng)目最廣，但是其中不帶BMS保護(hù)測(cè)試的一些評(píng)價(jià)項(xiàng)目可能過(guò)于嚴(yán)苛，兩輪車用鋰離子標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該更加符合電池使用場(chǎng)景的實(shí)際情況，如應(yīng)該更加關(guān)注機(jī)械可靠性測(cè)試后的浸水安全以及BMS電氣保護(hù)功能的可靠性等一些評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

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