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现有电动汽车用动力电池国家标准解读

现有电动汽车用动力电池国家标准解读

谢乐琼,何向明

江苏华东锂电技术研究院有限公司

清华大学核能与新能源技术研究院

一、引言

电动汽车是汽车产业未来发展的重要战略方向,其作为战略新兴产业地位十分明确,在国家政策的引导下,节能与新能源汽车的研发和产业化出现了前所未有的高潮,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。动力电池产销从15年开始崛起,从2014年仅3.7GWh的出货量跃居至2015年15.7GWh,16年1-12月新能源汽车累计生产51.7万辆,同比增长51.7%,有产量的新能源汽车搭载电池总量达28GWh,较15年增长12GWh,而17年第一季度电池出货量为12.3GWh。动力电池产业的技术水平和行业规模得到了飞速发展,助推整车产业化进程。但在早期的发展中,动力电池相关的标准仅有行业标准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。为了满足电动汽车生产企业、零部件企业、检测及认证机构等各方面的需求,建立体系完整、水平适中、利于产业的电动汽车标准势在必行。

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、关键零部件、基础设施三大块,动力电池属于核心零部件,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: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》、GB/T 31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》、GB/T 31486-2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》、GB/T 31467.1-2015《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 31467.2-2015《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 31467.3-2015《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》。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”项中部分内容有变更,并于2017年7月1日起实施。2015年是有史以来中国发布有关电动车用蓄电池标准最多的年份,反映了2015年电动汽车产业及国标方面均取得了重大突破。GB/T 31484、31485、31486是在QC/T 743-2006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、ISO12405-2、ISO12405-3为依据进行编制。

二、GB/T 31484-2015浅析

GB/T 31484-2015为 国标首次将电池、模块及系统的循环性能单独设立的一项标准文件,对标准循环寿命进行了要求并明确了标准循环寿命及工况循环寿命的实验方法及测试规则,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。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”两部分组成, 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两大类。从范围划分,乘用车包含轿车、微型客车和轻型客车(9座以下);商用车分为客车和货车两大类,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,而乘用车范围为:-1I1~-1/3 I1。国家标准对模组系统循环结果的处理为:经工况循环后,总放电能量比上初始额定能量的数值大于500时,考察放电容量和5s放电功率,由于动力电池模块和系统产业涉及的技术范围更广,复杂程度更高,产业发展还处于未成熟时期,故在循环工况方面,对具体的放电容量及功率数据结果没有做出是否合格的要求。

现有电动汽车用动力电池国家标准解读

图1 混合动力乘用车用功率型蓄电池大循环SOC波动示意图

现有电动汽车用动力电池国家标准解读

图2 纯电动乘用车用能量型蓄电池大循环SOC波动示意图

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三、GB/T 31485-2015浅析

GB/T 31485-2015提供了电动汽车用动力电池的安全性方面的测试内容、规则及要求,测试内容详见表2。GB/T 31485-2015较QC/T 743-2006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正常使用范畴的测试,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,增加观察内容,就增加了对电池反应观察时间,以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跌落至水泥地面,模组级别增加了跌落测试项;挤压测试项中对挤压板半径、挤压速度、程度做了详细要求;加热测试中将温度提高至130℃,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。针刺测试项中,钢针直径和刺穿电池数目对电池是否起火爆炸的结果具有明确影响的,钢针的直径越粗,电池内部短路的面积就相对越大,可导致电池内部化学反应越剧烈;而针刺速度及钢针的材质对测试结果也会有一定影响,针刺速度可能与电池内部的材料体系、电解液成分有关,使用普通不锈钢针和使用高熔点、高硬度的钨钢针在大容量电池模组测试中存在差异,若模组大量产热,普通钢针熔断几率很大,而钨钢针性状不变,模组产热甚至燃烧的程度可能会因此产生差异。国标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、低气压三项测试。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使用、运输的各影响因素,表明了国标进一步的关注了电池的使用、运输性能。

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四、GB /T 31486-2015浅析

GB/T 31486-2015对动力蓄电池单体及模组的电性能内容提供了新的要求及测试方法,详见表3。对电池单体的考察项目缩减为4项,而蓄电池模块的测试涵盖了11项测试,国标强化了模组级别的电性能考察,可为生产企业加强生产质量管理、提升电池产品性能,优化Pack内部电芯连接方法、结构及传热设计提供测试指导及依据。

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五、GB/T 31467三项标准浅析

GB/T 31467.1和 GB/T 31467.2分别对高功率和高能量两种类型的动力电池包和系统的电性能测试方法规范了内容;GB/T 31467.3对电池包及系统的安全性提出了要求和测试方法。国家标准增加了电池包和电池系统的检测内容,对其电性能、负载、环境和安全性等测试项目进行考察,这意味着我国电池包和系统发展使国标实现了从无到有的巨变。国标对车用锂离子动力电池及系统更科学合理的评价,也促进了产业中电池系统相关企业提高BMS管理、系统集成、品质管控等技术的发展。

GB/T31467三项标准规定样品在测前交付时,相关生产商应提供相应的操作文件及接口部件(适用于检测设备),提供工作限值以保证测试过程的安全。测试过程中,当测试目标环境温度改变时,测试对象需要完成环境适应过程;若电池包或系统由于尺寸或重量原因不适合进行某些测试,可提供代表性的子系统作为测试样品,各数据记录在预计的充电或放电时间至少每1%间隔出记录测试数据。试样准备工作中,蓄电池包中的高低压和冷却相关装置与检测设备连接,且需开启保护功能 。电池包与检测设备及平台无信息交换,检测设备平台直接控制其各类参数限值,电压、电流、容量及能量等参数及检测结果均由测试平台提供。而蓄电池系统与平台之间存在信息交换,检测平台设备和BCU可相互通讯,测试平台按照规程设置检测的参数及条件,以确保系统合理作业, BCU通过总线把各参数的限值传至测试设备平台,而冷却相关装置由BCU控制,主动保护也需要由测试平台保证。检测电池系统时,系统与测试平台间通讯由总线完成,测试平台接收实时的电池工作状态参数和限值,并按电池作状态和限值对系统进行控制测试。检测结果和计算依据以测试设备平台的参数为准。此外,系统测试前,需测量样品的质量和体积;电池包及系统需做循环预处理来确保激活及稳定状态;若标准循环与测试项目之间时间间隔大于24h,则要重新进行一次标准充电。

(一)GB/T 31467.1与GB/T 31467.2浅析及对比

GB/T 31467.1与GB/T 31467.2的测试项目均包含5个测试内容,详见表4:能量和容量(不同温度下)、功率和内阻、无负载容量损失、存储容量损失和能效,前2项针对电池包和系统,而后3项测试均针对蓄电池系统。由于功率型电池与能量型电池、模块成组和系统在结构设计、材料配比、应用功能上存在差异性,各项测试的具体条件,测试细节也有所差别。例如GB/T 31467.2有高低温启动功率测试一项,即考察不同温度下,系统在20%SOC的功率输出能力,这是针对功率型电池系统所设专项测试。功率和内阻测试项中,两项标准的脉冲功率测试工况各有不同,功率型测试电流要求倍率较高,而能量型电流较低,详见图3、图4。

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现有电动汽车用动力电池国家标准解读

图3 GB/T31467.1脉冲功率特性曲线-电流示例

现有电动汽车用动力电池国家标准解读

图4 GB/T31467.2脉冲功率特性曲线-电流示例

(二)GB/T 31467.3浅析及内容变更

GB/T 31467.1及GB/T 31467.2均为测试规程,未对测试结果进行统一的判定,说明国标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及规范,而安全性为国标加强管控力度最强的一方面。GB/T 31467.3对电池包和系统安全性提出了具体的检测方法和要求,见表5。新国标对动力蓄电池系统级别的安全性从机械冲击、模拟事故、运输使用环境、电性能、系统保护功能等各方面有严格的判定要求,这给电池包及系统组装集成等能力薄弱的动力电池相关企业的生产工艺及产品质量带来了新的挑战,但也将促进电动车产业相关的电池、模组及系统企业提升技术和改善产品。

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GB/T 31467.3中振动为模拟车载电池包及系统在运输过程中因车辆颠簸各种方向冲击造成的可能损伤。目前振动项已变更:删除原标准x、y、z三个方向振动的全部相关内容(7.1.1-7.1.3),根据被测样品在车中的位置及GB/T 2323.43。振动方式改为15min正弦波动,频率变化为:7Hz-50Hz-7Hz变换。3h重复12次(按安装位置的垂直方向)。特殊车型可根据制造商要求替代频率-加速度方案。振动检测后,蓄电池包或系统需运行1个标准循环,并观察1h。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,此项国标测试中的挤压力由原来设定的“200kN”变更为“100kN”。振动和挤压两项内容的变更反映了国家标准应制造商要求对内容进行调整,在我国具体实践基础上让国标更符合我国的实际应用。

六、结论

本文对现有动力电池相关的六项国家标准:GB/T31484、GB/T 31485、GB/T31486、GB/T31467.1、GB/T31467.2、GB/T31467.3的检验规则、检验项目、适用范围、试验方法、判断条件、内容变更等做了分析及对比。现有六项国家标准的推行和使用更加符合现阶段动力电池产业的实际应用,为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,对我国电动汽车产业的发展产生了积极影响。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,也更有利于动力电池行业的健康发展。然而我们也要看到,现有的国家标准在模组和系统层面虽然根据国内动力电池的发展有所变更,但更多的还是参考了国外已有的标准体系。国际标准的研制及运用经验更为丰富成熟,指导了我国国标的制定,使国标制定少走了从无到有的弯路,但是我们还需进一步的加强适合中国自己产业标准及法律法规的研究探索,不断在实践中完善和改进现有标准,形成具有独到之处的标准,才能推动国标走向世界。

作者:何向明

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