电驱动道路车辆 动力锂离子电池的非正常工作试验和要求

常薇芬，忻 龙，张 红，卢兆明

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 200233）

引言

装车使用的锂离子电池，无论是能量（BEV）型应用，还是功率（HEV）型应用，安全性无疑是首要前提。着火和爆炸等安全性要素集中体现在电池芯元件上。电池组和系统是在电池芯的基础上集成控制和装车应用的特定试验。如果电池芯、组和系统，在一般性能条件下能够安全运行，对于装车使用还是不够的。当某个元件较早出现故障，或由外因导致电池处于状态时，电池能够承受或还能保证车辆行驶、人员或车辆的安全。非正常工作（滥用）也可称为故障条件。

锂离子电池在非正常工作（滥用）过程中，环境温度和电化学反应推升温度是造成电池体内压力提高的条件。机械（力学）试验通过劣化工作条件；或原有结构被破坏，造成电池内部故障。

着火是在高压挤压下产生的高温，达到轻金属、可能存在的气态可燃物或封装材料的燃点，泄漏后接触氧气而引发燃烧。引发燃烧的气体快速积聚相对导致爆炸要轻一点，但引发次生灾害的后果也非常严重。爆炸也可能会伴有着火现象。

表2给出了锂离子电池非正常工作（滥用）试验可能出现的状态。所列8种结果状态也作为本试验队试验结果的标准描述，也适用于性能试验、气候或力学试验结果的描述。

1 电池芯试验的一般规定

1.1 电池芯的温度测量

温度变化可以直观地体现电池芯体的工作状态。IEC 62660给出了电池芯温度测量的要求。适用于标准系内所有有关电池芯温度的测量。图1是温度测量的示例，规定了温度测量的位置要求。

电池芯温度应采用符合规定校准准确的表面温度测量仪器进行。温度测量的位置应尽量反映电池芯的真实温度。如有必要，可以适当地增加测量点。温度测量在组合了仪器、测量方法和所有试验中产生的误差因素后的误差为±2 K。

1.2 电池芯的预处理

IEC 62660给出了电池芯预处理的要求。根据试验的性质可能有所增加或偏离。

1)试验温度 除非另有规定，在每个试验前，电池芯至少应经过12h的温度稳定。如果温度已经稳定，可以减少这段时间。如果电池芯温度1h的变化小于1K，可以认为温度已经达到稳定；除非另有规定，电池芯应在室温条件下按供应商的方法进行试验。

图1 电池芯温度测量示例

表1 放电条件

2)SOC调整

步骤1：电池芯按以下要求充电：电池芯应在试验前进行电性能测量；预充电，电池芯应在室温下用表1中规定值恒流放电到供应商规定的放电截止电压。然后，将电池芯在室温条件下按供应商公示的方法充电至规定值。

步骤2：电池芯按1)存放室温下；

步骤3：电池芯按表1，BEV应用按1/3 lt放电；HEV应用按1 lt放电。

1.3 电池芯参考试验电流

电池芯试验中采用的参考试验电流 It的关系如下：It(A)= Cn(Ah)/ 1 (h)。其中：Cn为电池芯的额定容量；n 是时间基数（小时）。

1.4 电池芯非正常工作（滥用）试验结果描述

试验后，应将下列试验要素作为试验结果记录在报告中：试验中电池芯的电压、电流和温度。试验前和试验后，电池芯的状态，并用表2中的规范词进行描述。在试验结果的描述中还可以包括相关的材料，如照片等。

2 电池芯 非正常工作（滥用）试验

2.1 电池芯外部短路试验

用于检验电池芯在外部短路条件下的特性，过程如下：

1)按2.2 要求，电池芯调整SOC到100%；

2)将上述a)状态的电池芯在室温条件放置，然后，将正极端与负极端用外部电阻将其短路，10min。供需双方如无无异议，外部短路体的总电阻应等于或小于5mΩ；

表2 电池芯试验结果描述

3)电压和电流的采样率应≤ 10 ms；

4)如果测量精度与IEC62660给出的要求存在偏离，应将偏离记录在报告中。

2.2 电池芯过充电试验

用于检验电池芯在过充电条件下的特性，试验过程如下：

1)按2.2 要求，电池芯调整SOC到100%；

2)在室温条件下，BEV应用用1lt，HEV应用用5lt电流，容量足够的供电电源用恒定电流连续地向受试电池芯冲电，直到超过100%SOC。过充电试验应延续到电池芯电压达到2倍于生产商规定的电压，或相当达到受试电池芯200 % SOC实用电量。

2.3 电池芯强制放电试验

用于检验电池芯在强制放电条件下的特性，试验对已充分放电的电池芯样品，用1 ItA放电90 min。

3 电池芯碾压试验

本试验是用可能受到的外力，检查电池芯的响应特性，试验过程如下：

1)BEV应用的电池芯按按2.2 要求，调整SOC至100%；HEV应用应调整SOC至80%。

2)将电池芯应放置在绝缘的平面上，用规定150 mm直径的半圆棒，或半球形，或球形工具进行碾压。图2推荐了用半圆棒碾压圆型电池芯；用半球形工具碾压方型电池芯。试验的力应施加在与电池芯正极或负极垂直的表面上。适用的工具选择，应能够使电池芯的变形随施加力的增加而增大。

图2 碾压试验示例

3)力的释放应导致电池芯电压有1/3的跌落，或15%的变形，或大于电池芯的原始尺寸，或施加电池芯质量1000倍的力。电池芯保持试验状态24h，或从试验上升达到的最高温度后下降20%，选取其中的一种方法。

4)按表2描述试验结果，并增加专用试验工具的形状和试验工具的速度要素。

4 电池组/系统非正常工作（滥用）试验的一般规定

4.1 充电状态

除非另有规定，高能量电池组或电池系统可能考虑在充电到低于100% SOC，非正常工作（滥用）试验应该进行100%SOC。

4.2 试验条件

除非另有规定，应采用下列条件：试验在室温(RT)条件下进行；受试电池组/系统(DUT)应在正常运行温度；如果电池系统包括控制端系统，应启用；如果运行时有必要用致冷装置，应启用。

4.3 试验持续

在试验结束之后，观察DUT至少1小时，并持续到DUT的温度低于50 ℃或感觉到适合用手把握。

5 电池组/系统 电性能非正常工作（滥用）试验

5.1 短路保护

断路保护试验的目的是检查过电流保护装置。该装置是用于保护DUT免受更大电流的伤害。

5.1.1 试验程序

—— 在室温条件下进行本试验，满充并处于正常工作状态（连接接触器闭合，电池系统在BUC控制下）。用(20 +0/-10)mΩ 进行“硬短路”，每10min至少1s，被动的或非被动的短路保护装置在试验中应该有效运作。或者，直到出现另一种状态（如，元件溶化）而终止试验。

—— DUT在上述短路之后，连续观察DUT运行至少2小时。

试验中DUT的功能应该按设计充分运行。对于电池组，短路电流应被过电流保护装置（如熔断器）阻断。对于电池系统，短路电流应被过电流保护装置（如熔断器）和/或连接接触器自动脱开。

——对DUT电流断开和电路短路脉冲电流的电压和电流数据取样速率0.1ms应该是适当的。

5.1.2 要求 测量数据应包括：对应时间功能，DUT电压、电流和温度；试验前和试验后，测量DUT外壳-正极端和DUT外壳-负极端间的绝缘电阻。

5.2 过充电保护

过充电保护试验的目的是检查过充电保护功能。该功能应能中断过充电电流，使防止DUT造成相关更严重的事件。

5.2.1 试验程序 DUT在室温下，满充并处正常运行条件，致冷系统运行（供电连接闭合，电池系统由BCU控制）。在试验过程中，被动电流防护装置应运作。主动充电控制应被断开或失能。

——DUT应在按供应商和用户协议的恒定比率电流下充电。推荐用2C恒流充电；

——供电电压上限设置应不超过电池系统最大电压的20%；

——DUT充电过程应持续到供电连接自动断开；

——如果SOC值超过130%或电池芯的温度超过55℃，过充电试验应被终止。

获得/监视数据应延续到充电停止后的1h。试验中，DUT的设计功能应完整。为了防止DUT应过充电引起更严重的后果，电池控制单元（BCU）应能使供电连接器自动断开，中断过充电电流。

对DUT的电压和电流数据要有适当的密度，对电流断开功能的数据取样速率，100ms是合适的。

5.2.2 要求 测量数据应包括：对应时间功能，DUT电压、电流和温度；试验前和试验后，测量DUT外壳-正极端和DUT外壳-负极端间的绝缘电阻。

5.3 过放电保护

过放电保护试验的目的是检查过放电保护功能。该功能应能中断过放电电流，使防止DUT造成相关更严重的事件。

5.3.1 试验程序 DUT在室温下，满充，并处正常运行条件，致冷系统运行（供电连接闭合，电池系统由BCU控制）。本试验应是完整的，被动电流防护装置运作。主动充电控制应被断开或失能。

——进行标准放电。如果达到正常放电限制，继续维持C/3放电；

——DUT放电过程应持续到供电连接自动断开；

——如果到正常电压值25%或超过DUT的放电极限的时间限制30min后，应手动结束放电试验；

正常电压值是供应商以电池系统推荐运行电压给出的值。电压取决于电化学特性、电池芯的数量和电池芯的排列。

获得/监视数据应延续到放电停止后的1h。试验中，DUT的设计功能应完整。为了防止DUT应过放电引起更严重的后果，BCU应能使供电连接器自动断开，中断过放电电流。

对DUT正常放电限制和超限的电压和电流数据要有适当的密度，对电流断开功能的数据取样速率，100ms是合适的。

5.3.2 要求 测量数据应包括：对应时间功能，DUT电压、电流和温度；试验前和试验后，测量DUT外壳-正极端和DUT外壳-负极端间的绝缘电阻。

6 综述

1)基于电池芯的非正常工作（滥用）试验，电池组的非正常工作（滥用）试验检出主要是由于电池芯在通过串联并联，因每个电池芯的电压特性、内阻存在的差异产生个别电池芯工作条件早期劣化；或因个别电池芯性能降低或失效，而引发电池组/系统的非正常工状态。此外，电池系统的控制单元（BCU）和电池芯级联的芯间平衡电路的可靠性问题，也可引发电池组的工作条件异常，进而引发电池组/系统的非正常工作（滥用）状态。因此，由符合电池芯组装成的电池组/系统，也要进行相应的非正常工作（滥用）试验。

2)由于装车条件的特殊环境、行车可能产生的事故，由整车有关标准规范；电池组/系统管理功能的电子元件或单元，因电磁辐射或兼容性产生的非正常工作（滥用），继而导致的安全性问题，则由相关EMC标准进行规范。

3)在电池芯外部短路试验中，电池芯用5 mΩ短路装置进行，短路试验需持续10min，其间对电压和电流的采样约100次。由于电池芯没有限流断路保护，考核的是电池芯的承受能力。首先应采用相应的专用装置或设备；对实验设备和人员有适当的保护；每次试验的前后都应确认5 mΩ短路装置符合要求。

4)用20 mΩ 对电池系统进行“硬短路”，每10min至少1s的短路保护试验，是考虑到电池系统的短路保护在1s内应实现保护功能。在试验预案中应考虑到保护功能未能实现的可能，仍应在1s后断开；也应对失去保护电池可能出现的状态有所顾忌。“硬短路”试验应通过专用设备或经确认的装置来完成，切勿直接在电池桩极上进行人工操作。试验的前后都应确认20 mΩ短路装置符合要求。

5)非正常工作（滥用）试验过程应考虑表2的状况。应此，所有的试验工作过程都应建立适当的防护，包括对人员的防护和对设备的防护。

6)本试验不是安全性试验。电驱动道路车辆 动力锂离子电池组和系统的安全性试验和要求的ISO标准尚处在NP阶段。运输安全性试验，可以参考联合国危险货物运输建议书（UN 38.3部分）等文献。

7)表2列出的8种状态的严重程度是渐进的。在状态渐进的过程中通常伴随着温度升高。因此，在本试验的实际操作中不仅应遵照文本的要求测量并记录DUT的温度；足够密集温度数据将有助于试验的分析和预估。

8)关于试验的判据 本试验项目均未设置合格判据。即使按标准要求，符合试验项目的条件，也应由试验过程记录和试验前、试验中和后的样品具体状态描述进行报告。因此，要十分注意试验过程的信息采集完整和试验记录的饱满。

[1] 卢兆明.道路车辆 电气及电子装备的环境试验和要求[M].北京：中国标准出版社，2011.

[2] 郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新编著.锂离子电池[M].湖南：中南大学出版社，2002.

[3] 卢兆明，张红，忻龙，王沈敏.电驱动道路车辆 动力锂离子电池的试验和要求[J].环境技术，2011(3)：51-56.

[4] 卢兆明，王沈敏，史晓雯.电驱动道路车辆 动力锂离子电池系统机械环境试验和要求[J].环境技术，2011(5)：54-60.

[5] 忻龙，张红，卢兆明.电驱动道路车辆 动力锂离子电池系统寿命循环试验和要求[J].环境技术，2012(4)：5-10.

[6] ISO/DIS 12405 Electrically propelled road vehicles — Test specif i cation for lithium-Ion traction battery systems[S].

[7] IEC 62660 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles[S].