车用动力电池最新强制性国家标准解析①
王彩娟,宋 杨,秦剑峰,吕媛媛
(中华人民共和国吴江海关,江苏吴江 215200)
摘要:2020年发布的车用电池国家标准GB 38031:2020将于2021年1月1日起正式实施,作为车用动力电池首个强制性国家标准必将备受关注。其中热稳定性测试是新增加的安全测试项目,考量在极端恶劣滥用条件下电池系统防御外部火烧和内部热扩散的能力,对电池系统的安全性能提出更高要求。本文对标准GB 38031:2020进行解析,以期为车用电池生产和使用企业研究热事件报警信号和报警阀值提供技术参考,避免产品在后续市场准入中遭受影响。
百公里油耗计算公式关键词:车用电池;强制性;国家标准
中图分类号:TM911  文献标识码:A  文章编号:1008-7923(2020)03-0161-05
Analysis on the Latest Mandatory National Standard
of Vehicle Power Battery
WANG Cai-juan,SONG Yang,QIN Jian-feng,LV Yuan-yuan
(Wujiang Customs District P.R.China,Wujiang,Jiangsu Province,215200,China.)
Abstract:The National Standard GB 38031:2020for vehicle batteries has been released in 2020,will be officially implemented from 2021.As the first mandatory National Standard for VehiclePower Batteries,it will certainly receive much attention.The thermal stability test is a newly add-ed safety test item,considering the ability of the battery system to protect itself from external fireand internal thermal diffusion under extremely abusive conditions,which need higherrequirements for the safety performance of the battery system
.In this paper,the standard GB38031:2020is analyzed to provide a technical reference for the research of hot event alarm signaland alarm threshold for vehicle battery production and use enterprises,to avoid the products beingaffected in the following market access.
Keywords:Vehicle power battery;Mandatory;GB standard
1 引言
车用动力电池最新强制性国家标准GB 38031:2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》[1]已于2020年05月12日发布,将于2021年01月01日实施并替代GB/T 31485:2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》[2]和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》[3]。我国动力电池安全标准历经最初的汽车行业标准QC/T 743:2006《电动道路车辆用锂离子蓄电池》[4],到国家推荐性标准GB/T31485:2015和GB/T 31467:2015,再到今年刚刚发布的国家强制性标准GB 38031:2020。这一发展历
①作者简介:
王彩娟(1981-),女,江苏人,硕士,中华人民共和国吴江海关,法规科,主要从事电池检测技术研究工作。Email:eileenwcj@sina.com.cn;Tel.:13912709268.
程表明我国新能源汽车电池标准体系日臻完善,也凸显我国新能源汽车产业的持续发展态势。各个时期发布的标准都反映出车用电池行业的阶段性特点:(1)2006年发布QC/T 743:2006行业标准时,车用电池产业处于起步阶段。行业以产品研发为主,数据积累不多,所以标准内容主要参考便携式产品用锂电池的测试要求,特应性不强导致采标率不广泛。
(2)2015年发布GB/T 31485:2015和GB/T31467:2015时,行业已积累10余年的研发经验,对产品的结构设计、性能要求和特定使用环境的认识不断加深。因此这两个标准在单体/模块安全性能测试基础上,新增电池系统级的安全要求,对规范系统集成开发起到重要作用。
(3)2020年发布GB 38031:2020时,我国新能源汽车年产销量已经突破百万辆,形成了产业优势和可持续性。我国受邀以副主席国家身份主持电动汽车安全全球技术法规(UN GTR 20)中动力电池的法规制修订工作。而首个车用动力电池强制性标准GB38031:20
20集合了我国新能源汽车大规模推广应用的经验,与UN GTR20同步制定、充分协调和全面接轨。其技术内容兼具电池通用性和车用产品特应性要求,项目设置更加科学合理。GB 38031:2020与GB 38032:2020《电动客车安全要求》、GB 18384:2020《电动汽车安全要求》同时发布,标志着我国电动汽车强制性安全标准体系的建立。
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2 标准解析
标准GB 38031:2020适用于电动汽车用锂离子电池和镍氢电池等可充电储能装置,规定了电动汽车用动力蓄电池单体、电池包或系统的安全要求和试验方法。目前国内电池厂家往往通过便携设备用电池技术升级来研发车用电池技术,但实际两类产品的使用环境不同测试标准的要求也有较大差异。为深入解析标准GB 38031:2020与常规便携设备用电池标准的差异,下表1列出了该标准的测试项目、测试方法及与常规便携设备用电池标准差异关键点。
表1 标准GB 38031:2020的测试要求
Table 1 Test requirements for GB 38031:2020.
测试对象测试项目测试方法关键点
电池单体安全要求
过放电充电单体以1I1A放电90min,应不起火不爆炸与常规便携设备用电池标准过放电测试没有差异
过充电
充电单体以制造商规定且小于1I3A恒流充电至
制造商规定的充电终止电压的1.1倍或115%
SOC后,停止充电,应不起火不爆炸
常规便携设备用电池标准过充电项目定电流,定电压
或时间;GB38031:2020要求充电截止条件115%
SOC的核定需要从单体预处理阶段的SOC状态开始
计算,测试设备须能进行SOC记录
外部短路
充电单体正负极外短路10min,外部线阻小于
5mΩ,应不起火不爆炸
常规便携设备用电池标准外短路线阻为(100±
20)mΩ;GB38031:2020要求小于5mΩ,短路电流
大,且车用电池容量大,短路时温升往往很高,失效风
险大
加热
充电锂离子电池单体,5℃/min速率升温至(130
±2)℃并保持此温度30min,应不起火不爆炸
充电镍氢电池单体,5℃/min速率升温至(85±
2)℃并保持此温度2h,应不起火不爆炸
与常规便携设备用电池标准加热测试没有差异
温度循环
充电单体按照标准中表1规定的温度,时间和温
度变化率循环5次(25℃→-40℃→25℃→
85℃→25℃),应不起火不爆炸
常规便携设备用电池标准高温暴露温度为75℃;
GB38031:2020提高到85℃,对热安全性能要求更高挤压
充电单体垂直于电池单体极板方向施压,或与单
体在整车布局上最容易受到挤压的方向相同。
挤压板半径75mm的半圆柱体,挤压速度不大
于2mm/s,挤压至电压达到0V或变形量达到
15%或挤压力达到100kN或100倍试验对象重
量后停止挤压,保持10min,应不起火不爆炸
常规便携设备用标准电池挤压力为达到13kN就释
放,样品有可能未变形;GB38031:2020要求的挤压条
件下单体电池基本都会变形,安全性能要求高
电池包或系统安全要求
振动
按照试验对象车辆安装位置和GB/T2423.43的
要求,将试验对象安装在振动台上,每个方向分
别施加随机和定频振动。应无泄漏无外壳破裂
无起火或爆炸现象,且不触发异常终止条件。试
验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
常规便携设备用电池标准振动多为正弦谱;
GB38031:2020为随机和定频振动,测试要求模拟实
际使用
机械冲击
对试验对象施加半正弦冲击波±Z方向各6次,
共计12次。应无泄漏无外壳破裂无起火或爆炸
现象。试验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
与常规便携设备用电池标准冲击差异不大模拟碰撞
按照试验对象车辆安装位置和GB/T2423.43的
要求,将试验对象水平按照在带有支架的台车
上。根据试验对象的使用环境给台车施加规定
的脉冲应无泄漏无外壳破裂无起火或爆炸现象。
试验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
常规便携设备用电池标准一般没有此项目;
GB38031:2020的测试要求模拟实际使用挤压
选择两种挤压板中的一种,XY两个方向,挤压速
度不大于2mm/s,挤压力达到100kN或挤压形
变量达到挤压方向的整体尺寸的30%时停止挤
压,保持10min。充电的单体应不起火不爆炸
常规便携设备用标准电池挤压力为达到13kN就释
放,样品有可能未变形;GB38031:2020要求的挤压条
件下电池包或系统可能变形,安全性能要求高湿热循环
按照GB/T2423.4执行试验Db,变量如标准中如
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图8,循环5次。应无泄漏无外壳破裂无起火或
爆炸现象。试验后30min之内的绝缘电阻应不
小于100Ω/V
与常规便携设备用电池标准温湿度测试一般都是定
温度定湿度;GB38031:2020温度和湿度交替变化下
湿热循环,湿热性能要求高,模拟实际使用浸水
按照方式一进行应不起火不爆炸,按照方式二进
行,试验后需满足IPX7要求,应应无泄漏无外壳
破裂无起火或爆炸现象。试验后的绝缘电阻应
不小于100Ω/V
与常规便携设备用电池标准浸水差异不大
热稳定性
(镍氢电池包或
系统除外)
按照8.2.7.1进行外部火烧试验,应不爆炸;按照
8.2.7.2进行热扩散乘员保护分析和验证。电池
包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散,进
而导致乘员仓发生危险之前5min,用提供一个
热事件报警信号
常规便携设备用电池标准一般没有此项目;
GB38031:2020的测试要求模拟实际使用温度冲击
试验对象置于(-40±2)℃~(60±2)℃的交变
温度环境中:温度转换时间30min以内,高低温
各保持8h,循环5次。应无泄漏无外壳破裂无
起火或爆炸现象。试验后的绝缘电阻应不小于
100Ω/V
常规便携设备用电池标准温度冲击测试差异不大,高
温(60±2)℃甚至低于常规便携设备用电池标准
(75℃)
盐雾
在35℃±2℃下对试验对象喷雾8h,然后静置
16h,在―个循环的第4h和第5h之间进行低
圧上电监控。应无泄漏无外壳破裂无起火或爆
炸现象。试验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
常规便携设备用电池标准一般没有此项目高海拔
气压条件为61.2kPa搁置5h后继续在低气压
测试环境下,对试验对象按照制造商规定的其不
小于1I3A的电流放电至制造商规定的放电截止
条件。试验对象应无泄漏无外壳破裂无起火或爆
炸现象。试验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
常规便携设备用电池标准为11.6kPa搁置6h以上,
测试条件更为苛刻;但GB38031:2020要求在低气压
下放电,测试要求模拟实际应用
电池包或系统安全要求
过温保护
试验对象应由外部充放电设备进行连续充电和
放电,是电流再电池系统制造商规定的正常工作
滴滴司机招募条件范围内尽可能快地升高电池的温度,直到试验结
束。当符合以下任一条件时,结束试验:试验对
象自动终止或限制充电或放电/发出终止或限制
充电或放电的信号/温度稳定,温度变化在2h
内小于4℃。应无泄漏无外壳破裂无起火或爆
炸现象。试验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
常规便携设备用电池标准一般没有此项目
过流保护
启动外部直流供电设备,对电池系统进行充电,
以达到电池系统制造商规定的最高正常充电电
流,然后将电流在5s内从最高正常充电电流增
加到与电池系统制造商协商确定可以施加的过
电流,并继续充电至符合以下任一条件时,结束
试验:试验对象自动终止充电电流/发出终止充
电电流的信号/温度稳定,温度变化在2h内小
于4℃。应无泄漏无外壳破裂无起火或爆炸现
上海大众汽车报价及图片象。试验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
与常规便携设备用电池标准的过流保护测试方法差
异不大,只在于GB38031:2020测试对象的管理系统
更为复杂
外部短路保护
将试验对象的正负极端子相互连接,短路电阻不
超过5mΩ,保持短路状态直至符合以下任一条
件时,结束试验:试验对象的保护功能起作用,并
终止短路电流/外壳温度稳定(温度变化在2h
内小于4℃)后,继续短路至少1h。应无泄漏无
外壳破裂无起火或爆炸现象。试验后的绝缘电
阻应不小于100Ω/V
与常规便携设备用电池标准的外部短路测试方法差
异不大,只在于GB38031:2020测试对象的管理系统
更为复杂
过充电保护
试验对象应由外部充电设备在电池系统制造商
许可的用时最短的充电策略下进行充电。充电
应持续进行,直至符合以下任一条件时,结束试
验:试验对象自动终止充电电流/发出终止充电
电流的信号/当试验对象的过充电保护未起作用
或未自动终止充电电流时,继续充电使得试验对
象温度超过电池系统制造商定义的最高工作温
度再加10℃/当充电电流未终止且试验对象温
度低于最高工作温度再加10℃,充电应持续
12h,应无泄漏无外壳破裂无起火或爆炸现象。
试验后的绝缘电阻应不小于100Ω/V
与常规便携设备用电池标准的过充电保护测试方法
差异不大,只在于GB38031:2020测试对象的管理系
统更为复杂
过放电保护
应与电池系统制造商协商,在规定的正常工作范
围内以稳定的电流进行放电,放电持续进行直至
符合以下任一条件:试验对象自动终止放电电
流/发出终止放电电流的信号/当自动中断功能
未能作用或没有自动终止放电电流时应继续放
电至其额定电压的25%/试验对象的温度温度,
温度变化在2h内小于4℃。应无泄漏无外壳破
裂无起火或爆炸现象。试验后的绝缘电阻应不
小于100Ω/V
与常规便携设备用电池标准的过放电保护测试方法
差异不大,只在于GB38031:2020测试对象的管理系
统更为复杂
  与被替代标准GB/T 31485:2015和GB/T31467:2015一致,标准GB 38031:2020的测试对象包括电池单体、电池包和系统。但强化了电池系统热安全(热稳定性测试)、机械安全(振动、机械冲击和模拟碰撞测试)、使用环境安全(湿热循环、浸水和盐雾测试)和功能安全(过温/过流/外部短路/过充电/过放电保护测试)要求,很多项目设置实现了车
用电池实际场景的模拟。其中热稳定性测试包括了外部火烧和热扩散两个测试项目。在储能电池标准中有类似测试项目但方法有所不同,而在其他便携设备用电池标准中则无此项目。主要由于汽车电池的能量密度大,在行驶过程中热稳定性异常时扑救困难,必须通过软硬件控制保证乘车人员逃离时间。
(1)热稳定性测试的外部火烧项目作为热失控的触发条件,要求在电池包或电池系统先后经受直接燃烧和间接燃烧后,电池包或电池系统应能有效耐受外部火烧而不爆炸。测试要求在试验环境0℃以上,风速不大于2.5km/h下进行外部火烧。外部火烧分为4个阶段:
a.预热。在离实验对象至少三米远的地方点燃汽油,经过60s的预热后将由盘置于试验对象下方,如果由于盘尺寸太大无法移动,可以采用移动实验对象和支架的方式。
b.直接燃烧。实验对象直接暴露在火焰下70s。
c.间接燃烧。将耐火隔板盖在油盘上,实验对象在该状态下测试60s,或者经双方协商同意继续直接暴露在火焰中60s。耐火隔板由标准耐火砖拼成,具体筛孔孔尺寸如标准中图10所示,也可以用耐火材料参考此尺寸制作。
d.离开火源。将油盘或试验对象移开,在实验环境下观察两小时或试验对象外表温度降至45℃以下。
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(2)热稳定性测试的热扩散项目则要求电池单体发生热失控后,电池包或电池系统在5分钟内发出一个热失控报警信号,为乘员预留安全逃生时间。在被替代标准GB/T 31485:2015和GB/T 31467:2015中单体针刺测试是独立测试项目,在标准GB 38031:2020中被正式取消,仅作为单体热失控的触发条件,也就是说是否通过针刺不是试验目的,关键要考察单体热失控后,电池包或电池系统是否可以控制热失控的蔓延,这为车用电池的安全应用设定了重要门槛。
3 结论
我国动力电池安全标准经历了从点到面、从面到体,再到强调电池的整体、系统性安全的发展历程。今年发布的首个车用电池强制性国家标准GB38031:2020将于2021年01月01日起正式实施,必将备受各方关注。标准中的测试项目更多结合车用电池的实际使用场景进行设置,在参数设定上与便携设备用电池有较大差别。其中新增加的热稳定性测试项目是在极端恶劣滥用条件下对整车安全性能的考量,车用电池生产和使用企业应尽快完善热事件报警信号和报警阀值的研究,在产品设计阶段就进行设计优化调整并进行必要的模拟测试,以确保产品在后续市场准入中免受影响。
参考文献:
[1] GB 38031:2020,电动汽车用动力蓄电池安全要求[S].[2] GB/T 
31485:2015,电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法[S].
[3] 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[S].
[4] QC/T 743:2006,电动道路车辆用锂离子蓄电池[S].
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪(上接第129页)
5 结语
本文设计的基于LTC4020的多功能充电器经过实际制作并测试其功能正常,充电器工作性能稳定可靠,适应多类型电池的充电,电源转换效率高,此方案已用于新产品的开发设计中。通过研究可以发现LTC4020控制器集成了多种电池充电模式,使新产品的开发过程更方便快捷,只需一个电路即可完成多种类型电池的充电器功能,虽然价格较高但其优点还是非常显著,对于高端产品的充电器设计是非常好的选择。随着电子产品和新能源汽车的快速发展,动力电池的应用越来越普及,多类型电池充电和快速充电的需求也越来越广泛,基于LTC4020的多功能充电器如果能再嵌入不同的充电协议,并利用冗余技术具备更大充电电流,这样就能在智能自动充电桩等领域具有更好的发展前景。
参考文献:
[1] LTC4020Buck-Boost Multi-Chemistry Battery Charger[Z].ADI(Linear),2013.
[2] 用一款简单的解决方案实现复杂的高压、大电流充电系统[J],中国集成电路,Steve Knoth,2014.