電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電動車是汽車產業將來發展的緊要戰略方向，其作為戰略新興產業地位十明顯確，在國家政策的引導下，節能與新能源汽車的研發和產業化出現了前所未有的高潮，作為核心零部件的動力電池發展也緊隨著新能源汽車的整體趨勢在大幅度上升。動力電池產銷從15年開始崛起，從2014年僅3．7GWh的出貨量躍居至2015年15．7GWh，16年1－12月新能源汽車累計加工51．7萬輛，同比增長51．7％，有產量的新能源汽車搭載電池總量達28GWh，較15年增長12GWh，而17年第一季度電池出貨量為12．3GWh。動力電池產業的技術水平和行業規模得到了飛速發展，助推整車產業化進程。但在早期的發展中，動力電池相關的標準僅有行業標準QC／T743－2006作為參考，缺乏權威性及廣泛性，行業監管的門檻不清晰。為了滿足電動車加工企業、零部件企業、測試及認證機構等各方面的需求，建立體系完整、水平適中、利于產業的電動車標準勢在必行。
圍繞電動車產業，中國質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會出臺了一系列的國家標準。而相關標準中包括了整車、關鍵零部件、基礎設施三大塊，動力電池屬于核心零部件，于2015年5月15日聯合發布了6項國家標準，并在2016年全面實行。動力電池相關6項國標文件有：GB／T31484－2015《電動車用動力蓄電池循環壽命要求及實驗辦法》、GB／T31485－2015《電動車用動力蓄電池安全要求及實驗辦法》、GB／T31486－2015《電動車用動力蓄電池電性能要求及實驗辦法》、GB／T31467．1－2015《電動車用鋰離子動力蓄電池組和系統第1部分：高功率使用探測規程》、GB／T31467．2－2015《電動車用鋰離子動力蓄電池組和系統第2部分：高能量使用探測規程》、GB／T31467．3－2015《電動車用鋰離子動力蓄電池組和系統第3部分：安全性要求與探測辦法》。其中經國家標準化管理委員會批準：GB／T31467．3－2015的“7．1振動”有三方向振動改為正弦波振動及“7．6擠壓”項中部分內容有變更，并于2017年7月1日起實行。2015年是有史以來中國發布有關電動車用蓄電池標準最多的年份，反映了2015年電動車產業及國標方面均取得了重大沖破。GB／T31484、31485、31486是在QC／T743－2006基礎上演化而來的國家標準，而GB／T31467．1／2／3標準是以ISO12405－1、ISO12405－2、ISO12405－3為根據進行編制。
二、GB／T31484－2015淺析
GB／T31484－2015為國標首次將電池、模塊及系統的循環性能單獨設立的一項標準文件，對標準循環壽命進行了要求并明確了標準循環壽命及工況循環壽命的試驗辦法及探測規矩，詳見表1。室溫放電容量項中對容量的差異進行判定，說明國家標準開始對電池、模組及系統加工的一致性提出要求。循環工況探測車型范圍涵蓋了混合動力、純電動、插電式和增程式各類電動車類型。純電動車惟有電池和電動機一套驅動系統，而混合動力車的驅動系統至少由一臺耗油的發動機及一臺電動機組成，故探測工況有區分混合動力車和純電動車。插電／增程式電動車的汽油發動機并沒有使用任何機械結構連接到車輪，驅動車輪的還是電能，并沒有發動機的機械能，可被認為無動力的混合，故增程式電動車循環工況探測的辦法和判定條件與純電動車基本一致。混合動力乘用車和商用車在市場上均為功率型蓄電池，在啟動、爬坡以及加速時啟動電機及動力電池系統，功率型蓄電池起到短時功率輸出的作用從而保證整車的動力性，工況循環壽命探測由“主充電工況”和“主放電工況”兩部分組成，SOC波動如圖1。
混合動力車和純電動車在標準中的循環探測工況又區分了乘用車和商用車兩大類。從范圍劃分，乘用車蘊含轎車、微型客車和輕型客車（9座以下）；商用車分為客車和貨車兩大類，范圍包括所有的載貨汽車和9座以上的客車。混合動力乘用車和商用車的循環探測工況基本一致，但由于乘用車和商用車集成的電池數量不同，“主放電工況”和“主充電工況”的充放電電流大小有差異：乘用車功率型蓄電池的電流范圍為8I1～－4I1，而商用車范圍為：4I1～－2I1。與混合動力車不同，純電動乘用車和商用車能量型蓄電池的國標循環探測工況為：充電部分均按照標準1C洋溢電后，要求按照不同的“主放電工況”放電，SOC波動示意圖如圖2，純電動商用車放電電流范圍為：3I1～－1I1，而乘用車范圍為：－1I1～－1／3I1。國家標準對模組系統循環結果的解決為：經工況循環后，總放電能量比上初始額定能量的數值大于500時，考察放電容量和5s放電功率，由于動力電池模塊和系統產業涉及的技術范圍更廣，復雜程度更高，產業發展還處于未成熟時期，故在循環工況方面，對詳盡的放電容量及功率數據結果沒有做出是不是合格的要求。
三、GB／T31485－2015淺析
GB／T31485－2015提供了電動車用動力電池的安全性方面的探測內容、規矩及要求，探測內容詳見表2。GB／T31485－2015較QC／T743－2006相比，內容更全面和合理：
1、每項增加“觀察1h”內容。由于安全性探測均為超出電池正常使用領域的探測，引起電池內部結構破壞造成電解液分析、正負極短路引發多種化學反應的情況，增加觀察內容，就增加了對電池反應觀察時間，以更準確的對結果進行判定。
2、各項探測內容細節更充足。跌落探測項：要求更嚴格，單體跌落探測要求正負端子一側向下跌落至水泥地面，模組級別增加了跌落探測項；擠壓探測項中對擠壓板半徑、擠壓速度、程度做了具體要求；加熱探測中將溫度提高至130℃，將高溫下鋰電池內部SEI膜分析、電解液的穩定性及隔膜是不是收縮引起的內短路等因素造成的電池燃燒、爆炸因素納入了考察范圍。針刺探測項中，鋼針直徑和刺穿電池數目對電池是不是起火爆炸的結果具有明確影響的，鋼針的直徑越粗，電池內部短路的面積就相對越大，可導致電池內部化學反應越劇烈；而針刺速度及鋼針的材質對探測結果也會有一定影響，針刺速度可能與電池內部的材料體系、電解液成分有關，使用一般不銹鋼針和使用高熔點、高硬度的鎢鋼針在大容量電池模組探測中存在差異，若模組大量產熱，一般鋼針熔斷幾率很大，而鎢鋼針性狀不變，模組產熱甚至燃燒的程度可能會因此萌生差異。國標明確要求了針的直徑范圍：單體為5－8mm、模組為6－10mm，貫穿速度限為（25±5）mm／s，針刺位置為刺面的幾何中心，提高了探測辦法的統一性。
3、增加了海水浸泡、溫度循環、低氣壓三項探測。充足考慮了電池及模組在航海、溫差大的陸地及天空低壓等特殊環境下使用、運輸的各影響因素，聲明了國標進一步的關注了電池的使用、運輸性能。
四、GB／T31486－2015淺析
GB／T31486－2015對動力蓄電池單體及模組的電性能內容提供了新的要求及探測辦法，詳見表3。對電池單體的考察項目縮減為4項，而蓄電池模塊的探測涵蓋了11項探測，國標強化了模組級別的電性能考察，可為加工企業增強加工質量管理、提升電池產品性能，優化Pack內部電芯連接辦法、結構及傳熱設計提供探測指揮及根據。
五、GB／T31467三項標準淺析
GB／T31467．1和GB／T31467．2分別對高功率和高能量兩種類型的動力電池組和系統的電性能探測辦法規范了內容；GB／T31467．3對電池組及系統的安全性提出了要求和探測辦法。國家標準增加了電池組和電池系統的測試內容，對其電性能、負載、環境和安全性等探測項目進行考察，這意味著我國電池組和系統發展使國標實現了從無到有的巨變。國標對車用鋰離子動力電池及系統更科學合理的評價，也促使了產業中電池系統相關企業提高BMS管理、系統集成、品質管控等技術的發展。
GB／T31467三項標準規定樣品在測前交付時，相關加工商應提供相應的操作文件及接口部件（適用于測試設備），提供工作限值以保證探測過程的安全。探測過程中，當探測目標環境溫度改變時，探測對象需要完成環境適應過程；若電池組或系統由于尺寸或重量原由不適合進行某些探測，可提供代表性的子系統作為探測樣品，各數據記錄在預計的充電或放電時間至少每1％間隔出記錄探測數據。試樣準備工作中，蓄電池組中的高低壓和冷卻相關裝置與測試設備連接，且需開啟保護功能。電池組與測試設備及平臺無信息交換，測試設備平臺筆直控制其各類參數限值，電壓、電流、容量及能量等參數及測試結果均由探測平臺提供。而蓄電池系統與平臺之間存在信息交換，測試平臺設備和BCU可相互通訊，探測平臺按照規程設置測試的參數及條件，以確保系統合理作業，BCU通過總線把各參數的限值傳至探測設備平臺，而冷卻相關裝置由BCU控制，主動保護也需要由探測平臺保證。測試電池系統時，系統與探測平臺間通訊由總線完成，探測平臺接收實時的電池工作狀態參數和限值，并按電池作狀態和限值對系統進行控制探測。測試結果和計算根據以探測設備平臺的參數為準。此外，系統探測前，需測量樣品的質量和體積；電池組及系統需做循環預解決來確保激活及穩定狀態；若標準循環與探測項目之間時間間隔大于24h，則要重新進行一次標準充電。
（一）GB／T31467．1與GB／T31467．2淺析及對比
GB／T31467．1與GB／T31467．2的探測項目均蘊含5個探測內容，詳見表4：能量和容量（不同溫度下）、功率和內阻、無負載容量損失、存儲容量損失和能效，前2項針對電池組和系統，而后3項探測均針對蓄電池系統。由于功率型電池與能量型電池、模塊成組和系統在結構設計、材料配比、使用功能上存在差異性，各項探測的詳盡條件，探測細節也有所差別。例如GB／T31467．2有高低溫啟動功率探測一項，即考察不同溫度下，系統在20％SOC的功率輸出能力，這是針對功率型電池系統所設專項探測。功率和內阻探測項中，兩項標準的脈沖功率探測工況各有不同，功率型探測電流要求倍率較高，而能量型電流較低，詳見圖3、圖4。
（二）GB／T31467．3淺析及內容變更
GB／T31467．1及GB／T31467．2均為探測規程，未對探測結果進行統一的判定，說明國標在模組及系統級別的性能探測更加側重對加工商進行測試指揮及規范，而安全性為國標增強管控力度最強的一方面。GB／T31467．3對電池組和系統安全性提出了詳盡的測試辦法和要求，見表5。新國標對動力蓄電池系統級別的安全性從機械沖擊、模擬事故、運輸使用環境、電性能、系統保護功能等各方面有嚴格的判定要求，這給電池組及系統組裝集成等能力薄弱的動力電池相關企業的加工工藝及產品質量帶來了新的挑戰，但也將促使電動車產業相關的電池、模組及系統企業提升技術和改善產品。
GB／T31467．3中振動為模擬車載電池組及系統在運輸過程中因車輛顛簸各種方向沖擊造成的可能損傷。目前振動項已變更：刪除原標準x、y、z三個方向振動的全部相關內容（7．1．1－7．1．3），依據被測樣品在車中的位置及GB／T2323．43。振動方式改為15min正弦波動，頻率變化為：7Hz－50Hz－7Hz變換。3h重復12次（按安裝位置的垂直方向）。特殊車型可依據制造商要求替代頻率－加速度方案。振動測試后，蓄電池組或系統需運行1個標準循環，并觀察1h。擠壓探測模擬車輛發生碰撞后，電池組發生嚴重擠壓變形的情況，要求無著火爆炸現象，此項國標探測中的擠壓力由原來設定的“200kN”變更為“100kN”。振動和擠壓兩項內容的變更反映了國家標準應制造商要求對內容進行調整，在我國詳盡踐行基礎上讓國標更符合我國的實際使用。
六、結論
本文對現有動力電池相關的六項國家標準：GB／T31484、GB／T31485、GB／T31486、GB／T31467．1、GB／T31467．2、GB／T31467．3的檢驗規矩、檢驗項目、適用范圍、實驗辦法、判斷條件、內容變更等做了分解及對比。現有六項國家標準的推行和使用更加符合現階段動力電池產業的實際使用，為國內動力蓄電池產業的發展提供了統一的掂量探測標準，也為監管部門提供了有效的監督根據，對我國電動車產業的發展萌生了積極影響。不同標準的相互銜接及組合傾覆了動力電池、模組、系統等各個等級部件，也更有利于動力電池行業的健康發展。然而我們也要看到，現有的國家標準在模組和系統層面雖然依據國內動力電池的發展有所變更，但更多的還是參考了國外已有的標準體系。國際標準的研制及運用經驗更為豐富成熟，指揮了我國國標的制定，使國標制定少走了從無到有的彎路，但是我們還需進一步的增強適合中國自己產業標準及法律法規的研究探索，不斷在踐行中完善和改進現有標準，形成具有獨到之處的標準，才能推動國標走向世界。
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