谢先宇--动力电池安全性测试与评价研究.pdf-solarbe文库

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动力电池安全性测试与评价谢先宇副总工程师 13585630340 xianyuxsmvic.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， T1T8八项试验。 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 100SOC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 0.51mm/min 包 0.51cm/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 100SOC 50SOC 100SOC 100SOC 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 100SOC 50SOC/满电 100SOC 未规定高低温要求无有（-4075℃ 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。