谢先宇--动力电池安全性测试与评价研究.pdf

动力电池安全性测试与评价 谢 先宇 副总 工程师 13585630340 xianyux@smvic.com.cn 上海 机动车检测认证技术 研究中心有限公司 目录 • 背景 • 国内外动力电池安全标准介绍 • 动力电池安全性测试评价 • 小结 2 新能源汽车着火频发，电池安全引起重点关注！ 3 动力 电池 等储能装置 本质上是具有危险性的，且随着 其 比能量和比功率的提高，发生事 故的危险性将 增大 碰撞 违规 充电 浸水 自燃 动力电池面临的安全 挑战 事故描述 关联原因 无法正常充电 (2) 断路 /部分断路 —电极材料脱落 满电态无法行驶 (3) 电池快速老化 —有效锂的量减少 续驶里程与宣传不符 (1) 电池快速老化 —有效锂的量减少 快速充电功能失效 (1) 电池内阻增大 行驶中电池故障 (1) 断路 /部分断路 —电极材料脱落 事故原因分析 安全性 影响因素 选材 电极 研制 工艺 模块 老化 热稳定性 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 金属 Li析出 ○ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ 金属 枝晶 △ △ ○ ◎ ◎ ◎ SEI・ Li量 △ △ ○ ○ ◎ ◎ 金属 枝 晶 SEI Li量 热稳定性 金属 Li析出 6 建立“材料 —产品 ---安全”闭环联动测评方法及平台意义重大！ 为什么 电 池 系统存在 安全性 问题 ？ 如何评价电池风险 ？ 目录 • 背景 • 国内外动力电池安全标准介绍 • 动力电池安全性测试评价 • 小结 7 3.1 国外 主要动力电池测试标准 8 cell module pack J2464-2009 Electric and Hybrid Electric Vehicle Rechargeable Energy Storage System Safety and Abuse Testing √ √ √ Safety J2380-2009 Vibration Testing of Electric Vehicle Batteries √ √ Mechanical Stress 12405-1 2009 Electrically propelled road vehicles- Test specifications for Lithium-ion traction battery packs and systems- Part 1: High power applications √ Electrical performance 12405-2 2009 Electrically propelled road vehicles- Test specifications for Lithium-ion traction battery packs and systems- Part 2: High Energy applications √ Electrical performance 12405-3 2009 Electrically propelled road vehicles- Test specifications for Lithium-ion traction battery packs and systems- Part 3: Safety √ Safety SAND2005-3123 Electrical Energy Storage System Abuse Test Manual for Electric and Hybride Electric Vehicle Applications √ √ √ Safety DOE/ID-11069 FreedomCAR Battery Test Manual for Power-Assist Hybrid Electric Vehicle √ Electric performance 1642 Lithium Batteries √ √ Reliability and Abuse Testing 2580 Batteries for Use in Electric Vehicles √ √ Reliability and Abuse Testing 38.3 Lithium Battery Testing Requirements √ √ Safety ECE R 100 Part 2: Requirements of a Rechargeable Energy Storage System with regard to its Safety √ Safety 62660-1： 2010 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles – Part 1: Performance testing √ Electrical performance 62660-2： 2010 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles – Part 2: Reliability and Abuse Testing √ Reliability and Abuse Testing USABC UL UN ISO IEC Mainly Traction Battery Testing Standards in Abroad DUT Name Standard number Standard Organization Notes SAE UN38.3 9 联合国针对锂离子电池航空运输安全要求， T1~T8八项试验。 Freedom Car (SAND 2005-3123) 10 机械滥用测试 • 挤压 • 针刺 • 跌落 • 水浸 • 模拟翻滚 • 机械冲击 热滥用测试 • 热稳定性 • 模拟火烧 • 加速温度存储 • 快速充放电 • 温度冲击循环 电滥用测试 • 过充 • 短路 • 过放 • 局部短路 推荐测试顺序 测试内容 SAE J2464 11 机械滥用试验 电滥用试验 SAE J2464主要针对电芯、模块、系统的安全及滥用测试，包括机械、热、电滥用试 验 • 机械冲击（电芯或以上） • 跌落（电池包） • 针刺（电芯或以上） • 翻滚（模块和包） • 盐水浸泡（模块或包） • 挤压（电芯或以上） 热滥用试验 • 短路（电芯和模块或 包） • 过充（电芯和模块或 包） • 过放（电芯和模块） • 高温危险（模块和包） • 热稳定性（电芯） • 无热管理的循环充放（模 块和包） • 温度冲击循环（电芯或以 上） • 被动热扩散电阻测试（模 块或包） UL2580 12 特有项 主要针对电池系统，相比其他国际标准，电气测试项目增加，包括温升、 不平衡充电、耐压、绝缘、接地、冷却系统失效等。 ECE R100 Part 2 13 • 振动 • 温度冲击循环 • 机械冲击 • 挤压 • 外部火烧 • 外部短路保护 • 过充保护 • 过放保护 • 过温保护 T i m e A cc el er at ion Maxi m um curv e Mi n i m u m cur v e A B C D E F G H 挤压 100KN 联合国关于 M、 N类电动汽车储能系统的统一规定，共 9项，镍氢电池增加 1项气体 排放实验 模拟碰撞 火烧试验 冲击波形 挤压板 3.2 国内现有 电动汽车动力电池测试标准 QC/T 741-2014 车用超级电容器 QC/T 742-2006 电动汽车用铅酸蓄电池 QC/T 743-2006 电动汽车用锂离子蓄电池 QC/T 744-2006 电动汽车用金属氢化物镍蓄电池 QC/T840-2010 电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸 QC/T 897-2011 电动汽车用电池管理系统技术条件 GB/Z 18332.1-2009 电动道路车辆用铅酸蓄电池 GB/Z 18332.2-2001 电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池 GB/Z 18333.1-2001 电动道路车辆用锂离子蓄电池 GB/Z 18333.2-2015 电动汽车用锌空气电池 动力电池新国标 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 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 34013-2017《 电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸 》 GB/T 34014-2017《 汽车动力蓄电池编码规则 》 GB/T 34015-2017《 车用动力电池回收利用 余能检测 》 GB《 电动汽车用动力蓄电池安全要求 》 GB/T 31485 15 单体、模块安全要求及实验方法，各 10项测试，单体每项 2个样品，模块 每项 1个样品 • 对电池单体和模块本身安全的考 量； • 动力电池产品公告要求； • 测试过程中去掉模块保护措施 • 三元电池针刺、过充失效率高 • 送样模块容量要求大于 20Ah； • 振动和热相关实验放在性能要求 标准中 。 • 针刺暂不做要求 GB/T 31467.3 16 电池包或系统安全测试要求及测试方法，共 16项，包括机械、热、环境、电 气保护等项目 • 测试要求满电 • 由于特殊原因（重量、尺寸）可用符合 整车相关要求的子系统代替 • 电池产品公告要求（征求意见稿）， 振 动和挤压暂缓； • 动力电池系统企业行业准入强制标准 • 国内获得标准全项 CNAS资质的第三方 实验室 4家，测试资源少 电动客车安全技术条件 17 可充电储能系统 • 蓄电池单元按照附录 B的热失控测试条件进行试验，测试对象不应发生起火、爆炸。 • 蓄电池包按照附录 C的热失控扩展测试条件进行试验，测试对象应满足表 1中一级或二级安全 要求。 • 按照 GB/T 31467.3-2015中 7.1的要求，在电池包完成且通过的振动试验后，再将此电池包按 照 GB/T 31467.3-2015中 7.9所述的海水浸泡测试方法进行试验，电池包应不起火、不爆炸。 一级 蓄电池包未发生起火 、 爆炸且蓄电池包表面温度不超过 150℃ 二级 蓄电池包未发生起火 、 爆炸 ， 但蓄电池包表面温度超过 150℃ 三级 蓄电池包发生起火燃烧 ， 但未发生爆炸 四级 蓄电池包发生爆炸 蓄电池包热失控扩展安全等级 蓄电池单元热失控试验 (附件 B) 18 试验方法 • 完成测试对象与加热装置的装配，加热功率要求见表 3,加热装置与蓄电池应直接接触（参见图 1），安装温度监测 器，监测测试对象的正、负极柱，和各可测面几何中心的温度，温度数据采集频率要求不小于 1Hz记录一个数 据，精度要求小于± 0.5℃ 。 • 将测试对象充电到 100%SOC后，再对测试对象用 1C电流继续充电 12min。 • 启动加热装置对测试对象进行持续加热，直到出现如下条件之一后 , 关闭加热器。 a) 与加热装置直接接触的电池任何一测量点的温度均超过 150℃ ，且测得的温升速率（ dT/dt）超过 10℃ /s； b) 各测量点的温度超过 300℃ ，并持续 5min。 • 加热过程中及加热结束 1h内，如果发生起火、爆炸现象，则试验终止。 测试对象容量 x（ Wh） 加热器最小功率 （ W） 800 800 硬壳及软包蓄电池单元 圆柱形蓄电池单元 1. 2016年 11月国家汽标委启动了锂离子动力电池强制性检测标准（ GB） 的制定工作 ; 2. 2017年 3月形成锂离子动力电池强制性检测标准（ GB）的草案 ; 3. 预计 2017年 9月形成 锂离子动力电池强制性检测标准（ GB）的征求意 见稿 ; 4. 制定目的是为了进一步严格要求新能源汽车用动力电池的要求 5. 将 GB/T 31485-2015和 GB/T31467.3-2015检测项目合并，并加入车 辆实际运行过程中可能遇到的滥用情形； 新国标 GB《 电动汽车用动力蓄电池安全要求 》 试验项目 20 安全性试验项目规范 21 3.3 标准对比 单体 /模块 序号 测试项目 GB/T31485-2015 ISO 12405 IEC62660-2 ECE R100.2 GB 1 过充电 √ X X X √ 2 过放电 √ X X X √ 3 短路 √ X X X √ 4 加热 √ X X X √ 5 温度循环 √ X X X √ 6 低气压 √ X X X √ 7 挤压 √ X X X √ 8 振动 √ X X X √ 9 机械冲击 √ X X X √ 10 跌落 √ X X X（机械冲击代替） 11 针刺 √ X X X 12 海水浸泡 √ X X X 序号 测试项目 GB/T31467.3-2015 ISO 12405 IEC62660-2 ECE R100.2 GB 1 振动 √ √ X √ √ 2 机械冲击 √ √ X X √ 3 模拟碰撞 √ √ X √ √ 4 挤压 √ √ X √ √ 5 翻转 √ X X X √ 6 跌落 √ X X X √ 7 温度冲击 √ √ X √ √ 8 湿热循环 √ √ X X √ 9 盐雾 √ X X X √ 10 高海拔 √ X X X √ 11 海水浸泡 √ X X X √ 12 热失控扩展 X √ X X √ 3.3 标准对比 系统 序号 测试项目 GB/T 31467.3-2015 ISO 12405 IEC 62660-2 ECE R100.2 GB 13 外部火烧 √ √ X √ √ 14 高温保护 √ √ X √ √ 15 短路保护 √ √ X √ √ 16 过放电保护 √ √ X √ √ 17 过充电保护 √ √ X √ √ 18 低温保护 X X X X √ 19 过流保护 X X X X √ 3.3 标准比对 ---动力 电池包挤压试验标准比较 25 标 准 新国 标 ECE R100 UL2580 SAE J2464 挤压 板形式 半径 75mm半 圆 柱体 3个 75mm半 圆 柱体， 边缘 间 隙 30mm,底板平 3个 75mm半 圆 柱体， 边缘 间 隙 30mm,底板平 3个 75mm半 圆 柱体， 边缘 间 隙 30mm,底板平 挤压 方向 X,Y 与 车 行 驶 方向垂直的 2个 方向 X,Y,Z 最脆弱的 2个方向 挤压 程度 200kN或 变 形量 30% 100kN 13 ±0.78 kN 变 形到 85%保持 5分 钟 ， 继续压缩 到 50%，挤压 力 小于 1000倍 电 池重量 保持 时间 10分 钟 最少 100ms，不超 过 10s 1分 钟 挤压 速度： 电 芯 0.5~1mm/min 包 0.5~1cm/min 测试对 象 电 芯、模 块 、系 统 系 统 系 统 电 芯、模 块 、系 统 试验 前 SOC状 态 100%SOC =50%SOC 100%SOC 100%SOC 要求 不起火、不爆炸 6.2kWh不做要求 X: 0.96Grms Y1: 1.23Grms Y2: 0.95Grms Z: 1.44Grms Z: 1.9 & 0.75/0.95Grms Y: 1.5 & 0.4/0.75Grms X: 1.5 & 0.4/0.75Grms Z: 1.4Grms X & Y: 1.1Grms 试验 周期 Z: 3小 时 Y: 3小 时 X: 3小 时 Z: 21/15/12小 时 Y: 21/15/12小 时 X: 21/15/12小 时 Z: 10.8/7.3小 时 Y: 38.18/13.58小 时 X: 38.18/13.58小 时 Z: 5.4/3.65小 时 Z: 24小 时 Y: 24小 时 X: 24小 时 样 品数量 1个（前提是 电 芯和模 块 已通 过 UN38.3) 1/2/3个 未 规 定 Phase 4: 1个 Development: 2个 DV: 6个 PV: 6个 试验 前 SOC状 态 100%SOC 50%SOC/满电 100%SOC 未 规 定 高低温要求 无 有 （-40~75℃ 或另行 约 定） 无 有 （电 芯最低温达到 Tcell Min +5℃ 以及 电 芯最高 温达到 Tcell Max -5℃ ) 试验 中充放 电 要求 无 无 有 (仅 作 为 SOC调节 ，C/3） 有 （50%时间 工况 谱 ，50% 时间 1C CHA/2C DCH） 3.4 小结  国内外动力电池安全测试标准较多，测试主要内容基本相同，主要包括 机械、热、电滥用测试，根据国家或区域要求适当增减测试项目；  测试方法和接受标准有所区别，但不起火、不爆炸是电池安全底线；  我国动力电池安全相关标准比较全面，基本涵盖国际主要标准测试项目， 需要根据电池发展趋势动态更新和完善，如热管理相关的测试项目及要 求；  我国动力电池安全测试系统、设备、实验室及研究分析平台等能力需要 进一步加强。 27 目录 • 背景 • 国内外动力电池安全标准介绍 • 动力电池安全性测试评价 • 小结 28 宽 温 度 范 围 性 能 环 境 友 好 快 速 充 电 低 成 本 长 寿 命 高 功 率 密 度 高 能 量 密 度 高 安 全 特 性 使 用 安 全 续 驶 里 程 加 速 爬 坡 性 能 经 济 性 使 用 便 捷 性 全 天 候 使 用 回 收 利 用 整车要求 电池性能 整车应用对动力电池的 要求 动力电池系统 30 主要包括电性能、机械、环境、 EMC、低压电源及接口、电气安全、滥用安 全等。