国内外电动摩托车用锂离子电池系统安全性测试标准研究

张 松 贺文杰 吴广顺 李真铁

（天津内燃机研究所（天津摩托车技术中心） 天津 300072）

引言

动力电池作为电动摩托车的的核心部件，对电动摩托车的性能和使用安全产生重大影响，提高动力电池的安全性是电动摩托车产业发展的重中之重，有效地开展动力电池的安全性测试和评价尤为重要[1]。

目前，我国的电动摩托车用动力电池以铅酸电池为主。相比于铅酸电池，锂离子电池性能更优、比功率和比能量更高、使用寿命更长[1-2]。目前，锂离子电池在电动汽车用动力电池市场占支配地位。随着技术的不断进步，锂离子电池必将在电动摩托车上得到广泛应用。本文研究国内外电动摩托车用锂离子电池系统的安全性测试标准及标准中存在的问题。

1 国内外电动摩托车用锂离子电池系统安全性测试标准概述

电池系统是指由一个或多个电池模块以及相应附件（管理系统、高压电路、低压电路、热管理系统以及机械总成等）构成的能量存储装置[3]。本文主要讨论电动摩托车用锂离子电池系统机械安全、电气安全以及环境安全等的安全性测试标准。

1.1 国外标准

国外关于电动摩托车用锂离子电池安全性测试的标准主要有：ISO 18243：2017《电动摩托车和电动轻便摩托车：锂离子电池系统的测试规范和安全要求》[4]，美国的UL 2271：2018《轻型电动车用锂电池》[5]，欧盟的UN ECE R136：2016《L 类车辆批准的统一规定：电驱动车辆特定要求》第二部分：可充电储能系统（REESS）安全要求[6]。

1.2 国内标准

2018 年，我国发布了GB/T 36672-2018《电动摩托车和电动轻便摩托车用锂离子电池》[3]。该标准中，有关锂离子电池系统的过充电保护、过放电保护、过温保护、短路保护、海水浸泡、外部火烧、跌落的测试方法均采用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》[7]中相应的测试方法。

2 电动摩托车用锂离子电池系统安全性测试要求

电动摩托车用锂离子电池系统安全性测试旨在验证锂离子电池系统保护自身的能力以及在危险情况下对驾乘人员的保护能力，包括机械安全测试、电气安全测试和环境安全测试。ISO 18243：2017 和UN ECE R136：2016 只适用于电池系统，UL 2271：2018和GB/T 36672-2018 适用于电池系统、电池模块以及电池单体。对于电池系统，UL 2271：2018 还要求进行不均衡充电测试、翻转测试和挤压测试。

强调电池系统的安全是国内外标准的发展趋势，电动汽车动力电池标准GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》就是从电池系统统筹考虑电池的安全性[1]。因此，本文主要研究电池系统的安全性测试，不涉及电池单体和电池模块，也不涉及整车。

国内外电动摩托车用锂离子电池系统标准中最常见的安全性测试项目见表1[3-6]。

表1 电动摩托车用锂离子电池系统安全性测试项目

UL 2271：2018 要求在表1 中的所有试验以及挤压试验完成后，还必须进行耐电压或绝缘电阻测试。

2.1 机械安全测试

机械安全测试旨在验证电动摩托车用锂离子电池系统在机械冲击、跌落、振动等情况下的可靠性。

2.1.1 机械冲击测试

机械冲击测试的目的是评估电动摩托车突然加速和/或减速、或受到意外冲击时锂离子电池系统的坚固性。机械冲击测试条件和要求见表2[3-6]。

表2 机械冲击测试条件和要求

从表2 可知，在所有标准中，被测样品承受的冲击方向和次数一致，都是3 个互相垂直的方向、正负向各冲击3 次，总计18 次。在峰值加速度、冲击时间上，ISO 18243：2017、UN ECE R136：2016、GB/T 36672-2018 3 者相同，与UL 2271：2018 差别很大。在冲击波形上，ISO 18243：2017、UN ECE R136：2016、GB/T 36672-2018 三者相同，均为正弦波，而UL 2271：2018对于质量＞12 kg 的电池系统没有冲击波形测试要求。在试验开始时的电池荷电状态（SOC）上，UN ECE R136：2016 只要求SOC＞50%即可，而ISO 18243：2017、UL 2271：2018、GB/T 36672-2018均要求完全充电状态（100%SOC）。

4 个标准中的冲击参数基本上是从传统燃油摩托车甚至汽车测试中提取的，电动摩托车的电池系统由于有壳体、车架等保护，其加速度可能有所不同。

2.1.2 跌落测试

跌落测试是模拟更换或维修电池系统时，装卸过程中意外掉落的情况。跌落测试条件和要求见表3[3-6]。

表3 跌落测试条件和要求

从表3 可知，所有标准中，被测样品掉落在水泥地面上，跌落高度都为1 m，但在跌落次数上有较大差别。UN ECE R136：2016、ISO 18243：2017 都要求跌落6 次，UL 2271：2018 要求跌落3 次。UN ECE R136：2016 对于每次跌落是否更换样品由制造商决定，而ISO 18243：2017 要求每个样品跌落3 次，GB/T 36672-20128 只要求每个样品跌落1 次即可。因此，可以预期，测试结果会有较大差别。

2.1.3 振动测试

振动测试是从耐久性、确定设计缺陷的角度来评估长期振动对锂离子电池系统的影响。标准中使用的振动曲线为正弦波和随机振动曲线。正弦扫频测试用于识别被测样品共振，随机振动测试则模拟被测样品日常行驶中可能经历的情况。

这些标准中的振动曲线基本上是参考电动汽车用动力电池的振动曲线取得的，而电动汽车用动力电池的振动曲线基本上是从传统燃油汽车选取的。振动测试时，电池系统可能会受到现有标准评估范围之外的振动[8]。

振动测试条件和要求见表4[3-6]。

表4 振动测试条件和要求

GB/T 36672-2018 的编写说明中提及振动测试按照ISO 18243：2017“第8.1 节 振动试验方法”进行，标准文本中未提及振动方向、振动时间，本文假定GB/T 36672-2018 对振动方向、振动时间的要求与ISO 18243：2017 一致。虽然UN ECE R136：2016 与ISO 18243：2017 及GB/T 36672-2018 的振动要求基本一致，但UN ECE R136：2016 只要求在垂直方向上进行振动测试，而其他3 个标准则需要在3 个方向上进行振动测试。UN ECE R136：2016 中，在振动试验开始时，SOC 仅要求大于50%[6]，是4 个标准中要求最低的；ISO 18243：2017 中未明确提及振动测试开始时的SOC 状态，但从严格测试的角度来看，SOC 应为100%[4]。UL 2271：2018 采用随机振动，振动时间最长[5]，是4 个标准中要求最严格的。

GB/T 36672-2018、UN ECE R136：2016 及ISO 18243：2017 的振动类型均为正弦，可能更关注被测电池系统与车辆的共振情况，而UL 2271：2018 更关注被测电池系统在车辆日常行驶中受到的振动。

2.2 电气安全测试

电气安全测试是通过模拟电动摩托车在使用过程中可能发生的意外情况来验证电池系统的保护功能。

2.2.1 外部短路测试

外部短路测试旨在评估外部短路时电池系统的安全性，即评估过电流保护装置的激活状态或电池系统承受过电流而不会引起热失控、爆炸、着火等的能力。外部短路测试条件和要求见表5[3-6]。

表5 外部短路测试条件和要求

测试时，将电池系统的正负极外接一个低电阻（如5 mΩ、10 mΩ 或20 mΩ）元件，在不到1 s 的时间内使其外部短路，且保持规定的时间（如10 min）或直到过电流保护装置（如果有）起作用。

标准中规定采用固定的外部电阻，与被测样品的大小无关。由于初始短路电流受被测样品的大小及其连接类型（并联，串联或其组合）影响，如果不同尺寸和连接类型的被测样品连接相同的外部电阻，可能导致每个电池单体的初始短路电流没有可比性。在高SOC 下，由于产生的初始短路电流最大，容易引起热失控，故大多数标准要求以额定容量的100%进行测试。而UN ECE R136：2016 可以在50%SOC（或更高）下进行测试，但其短路导线电阻为≤5 mΩ，远低于其他标准[6]。

2.2.2 过充电/过放电测试

过充电/过放电测试旨在评估电池系统的充电/放电超出制造商规定的限值时可能发生的情况。

过充电期间，主要的安全隐患有电解质分解、阴极和阳极击穿、隔板退化以及锂镀层放热分解，会导致电池系统过热和热失控[9]。影响过充电测试结果的因素有充电率和最终的SOC。

过充电测试条件和要求见表6[3-6]。

表6 过充电测试条件和要求

从表6 可知，4 个标准对过充电电流、充电结束条件的规定差别较大，导致过充电测试结果没有可比性。

过放电期间，主要的安全隐患是极性反转，会导致阳极集电器氧化并在阴极侧镀覆。即使是微小的过放电，也会导致枝晶形成，最终引起短路[10]。过放电测试条件和要求见表7[3-6]。

表7 过放电测试条件和要求

从表7 可知，不同标准的测试参数差异很大。过放电测试结果可能取决于所遵循的标准，需要统一测试参数才能进行可比较的测试。

2.2.3 过温保护测试

过温保护测试旨在通过快速充放电来评估温度控制故障或其他保护功能故障时电池发生内部过热的情况。

过温保护测试条件和要求见表8[3-6]。

表8 过温保护测试条件和要求

从表8 可知，ISO 18243：2017 和UN ECE R136：2016 都要求关闭被测样品的主动热控制系统（如冷却系统）[4，6]，GB/T 36672-2018 和UL 2271：2018 中未提及该要求，而是要求被测样品的所有控制系统处于工作状态[3，5]，连续进行充放电测试，充电和放电之间没有时间间隔，结果将导致被测样品的温度升高。UL 2271：2018 中还要求监控电池及部件（如把手、旋钮、可能接触到的外表面等）的温度，且温度不能超过规定值[5]。

2.3 环境测试

环境测试的目的是评估电池系统在高温、低温、温度骤变、火烧、水浸等环境条件下的安全性。

2.3.1 温度冲击测试

温度冲击测试旨在评估由于暴露于极端温度和突然的温度变化而引起被测样品变化的情况。温度冲击测试条件和要求见表9[3-6]。

表9 温度冲击测试条件和要求

从表9 可知，4 个标准中，每个极端温度下的持续时间相差很大。在低温下，电解质的离子电导率很差，阳极会出现过高电势，并可能导致枝晶形成，生长的树枝状晶体可能会使电池短路[11]。UN ECE R136：2016 中，最高温度仅为（60±2）℃，而且只要求SOC＞50%即可[6]，是4 个标准中要求最低的。GB/T 36672-2018 中，每个极端温度下的持续时间和SOC 状态都是4 个标准中要求最严格的[3]。

2.3.2 海水浸泡试验

海水浸泡试验旨在评估电池浸入水中或电动摩托车上的电池组件被水全部或部分淹没的情况。海水浸泡测试条件和要求见表10[3-5]，UN ECE R136：2016中并未包括该项测试[6]。

表10 海水浸泡测试条件和要求

从表10 可知，ISO18243：2017、UL2271：2018、GB/T36672-2018 的测试方法及相关测试参数基本相同。

2.3.3 防火测试

防火测试，即外部火烧测试。防火测试的目的是评估电池系统或电动摩托车暴露于高温或外部火焰时电池系统爆炸的危险性。防火测试条件和要求见表11[3-4，6]。UL 2271：2018 中没有规定电动摩托车用电池系统需要进行外部火烧测试，但UL 2580：2020《电动汽车用电池》[12]中规定了电动汽车用电池需要进行外部火烧测试。

表11 防火测试条件和要求

从表11 可知，3 个标准中，测试时，被测样品的SOC 状态不相同。UN ECE R136：2016 只要求SOC 大于50%即可[6]，ISO 18243：2017 中未明确提及测试时被测样品的SOC 状态（从严格测试的角度来看，SOC应为100%）[4]，而GB/T 36672-2018 中明确规定为100%SOC 状态[3]，是3 个标准中要求最严格的。

3 结论

本文对国内外电动摩托车用锂离子电池系统的机械安全、电气安全和环境安全测试标准进行了研究，得出以下结论：

1）目前，针对电动摩托车用动力电池的测试方法大多来自电动汽车的标准，而电动汽车用动力电池的安全测试要求和方法基本上是借鉴传统燃油汽车的标准要求，有必要针对电动摩托车进行更多分析和评估，以充分考虑电动摩托车技术的特殊性。

2）各个标准所要求的测试条件和参数不完全相同，有些差别很大，使得测试结果不一定具有可比性。我国的GB/T 36672-2018 与欧盟的UN ECE R136：2016 和ISO 18243：2017 的判定标准虽有差别，但测试方法相差不大；而我国的GB/T 36672-2018 与美国的UL 2271：2018 无论是测试方法、还是判定标准差别都较大。