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汽车动力蓄电池测试评价

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汽车动力蓄电池测试评价

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2017/01/05 14:49
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  2015年5月15日,国家质检总局和国家标准委联合发布了《中华人民共和国国家标准公告2015年第15号》,其中涉及了电动汽车用动力蓄电池的6个标准,具体列表如下:

北京国能赢创能源信息技术有限公司

  以上6个标准由全国汽车标准化技术委员会电动车辆分技术委员会主持起草制定,规定了电动汽车用动力蓄电池电性能、安全、循环寿命等各方面的技术要求、试验方法和检验规则,是国内目前唯一的系列化电动汽车用动力蓄电池国家测试标准,测试对象覆盖了电池单体、电池模块、电池包或系统等各个层级,对于规范国家电动汽车用动力蓄电池的发展起到了很好的监督管理作用。

  同时,该6个标准已经相继被工信部发布的《汽车动力蓄电池行业规范条件》和国家发改委/工信部发布的《新建纯电动乘用车生产企业投资项目和生产准入管理规定(征求意见稿)》中的《纯电动乘用车试制样车测试方案》等政府管理文件引用,作为行业管理标准规范,引导和规范汽车动力蓄电池行业健康发展。

  1、2015年标准制修订工作

  从2006年以来,电动汽车行业一直引用QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》和QC/T 744-2006《电动汽车用金属氢化物镍蓄电池》2个标准,作为工信部《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》的引用标准。这两个标准分别从锂离子蓄电池和金属氢化物镍蓄电池的角度,规定了电动汽车用蓄电池的要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和储存,适用于蓄电池单体和模块。

  然而,随着电动汽车用蓄电池的快速发展,该系列标准已经无法适应当前技术发展的需要,因此,2011年底至2013年,全国汽标委电动车辆分标委组织行业完成了QC/T 743和QC/T 744的修订和QC/T 动力蓄电池循环寿命(报批稿)。根据国家相关部门对动力蓄电池标准化工作的新要求,以QC/T 743、QC/T 744、QC/T 循环寿命等三项行标为基础,自2013年下半年,又启动了基于上述行标的国标转化工作。最终制定了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》和GB/T 31486-2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》3个标准。

  由此可见,GB/T 31484-2015、GB/T 31485-2015和GB/T 31486-2015这3个标准完全适应当前动力蓄电池发展的需要,其制定初衷就是为了替代现在正在实施的QC/T 743-2006和QC/T 744-2006这2个标准,作为电动汽车用动力蓄电池单体和模块层级的标准管理法规。

  这3个标准的具体应用说明如下:

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  同时,在国家政策的引导下,电动汽车的研发和产业化出现了前所未有的高潮。提高动力蓄电池等关键系统部件的技术水平和规模化配套能力成为当务之急。动力蓄电池在实车中应用的最终表现形式为电池包或系统,其性能表现如何,直接决定了电动汽车的性能及安全可靠性。因此,有必要从整车应用角度出发,对动力蓄电池的电性能、循环性能以及安全性能进行综合测试评价,从而推动电动汽车健康、稳定、快速发展。

  基于以上考虑因素,全国汽标委电动车辆分标委主持制定了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》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》这3个系列国家标准,用于规范电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统的电性能测试方法、循环性能测试方法、安全性要求和测试方法。

  这3个系列标准中,GB/T 31467.1-2015主要规定了电动汽车用高功率锂离子动力蓄电池包和系统电性能的测试方法,适用于装载在电动汽车上,主要以高功率应用为目的的锂离子动力蓄电池包和蓄电池系统,以高功率应用为目的的镍氢动力蓄电池包和系统等参照执行;GB/T 31467.2-2015主要规定了电动汽车用高能量锂离子动力蓄电池包和系统电性能的测试方法,适用于装载在电动汽车上,主要以高能量应用为目的的锂离子动力蓄电池包和蓄电池系统,以高能量应用为目的的镍氢动力蓄电池包和系统等参照执行;GB/T 31467.3-2015主要规定了电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统安全性的要求和测试方法,适用于装载在电动汽车上的锂离子动力蓄电池包和系统,镍氢动力蓄电池包和系统等参照执行。

  综上所述,这3个系列标准的应用说明如下表所示:

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  2、动力蓄电池的测试评价对象

  (1)单体蓄电池

  直接将化学能转化为电能的基本单元装置,包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子,并被设计成可充电。

  (2)蓄电池模块

  将一个以上单体蓄电池按照串联、并联或串并混联方式组合,且只有一对正负极输出端子,并作为电源使用的组合体。

  测试用蓄电池模块样品应满足如下条件:

  ——总电压不低于单体蓄电池电压的5倍;

  ——额定容量不低于20Ah,或者与整车用蓄电池系统额定容量一致。

  注:测试用蓄电池模块可由实际模块串并联组成。

  (3)蓄电池包

  通常包括蓄电池模块、蓄电池管理模块(不包含BCU)、蓄电池箱以及相应附件,具有从外部获得电能并可对外输出电能的单元。

  (4)蓄电池系统

  一个或一个以上蓄电池包及相应附件(管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成等)构成的能量存储装置。

  3、测试评价标准解读

  基于动力蓄电池标准体系中各标准内容的分析,我们可以把动力电池的测试评价分为基本电性能测试、安全性能测试、循环性能测试三个部分。各部分的测试评价方法解读如下:

  (1)基本电性能测试

  该部分考核重点是电池的基本电性能,一方面,用于产品选型、配组和设计开发,另一方面用于产品性能的横向比较,促进整车筛选、匹配及应用。总体而言,电池基本电性能测试评价主要分为4个部分:

  ① 基本容量能量特性考核

  ——室温放电容量和能量

  按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 室温下,蓄电池模块以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  c) 计量放电容量(以Ah计)和放电比能量(以Wh/kg计);

  ② 充放电功率特性考核

  ——室温倍率放电性能

  按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 室温下,蓄电池模块以3I1(A)(最大电流不超过400A)电流放电,直至放电终止条件;

  c) 计量放电容量(以Ah计)。

  ——比功率性能

  按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 室温下,蓄电池模块以1I1 (A)(能量型)/8I1 (A)(功率型)电流放电30min后以企业规定的最大放电电流放电10s,然后再静置30min,再以企业规定的最大充电电流充电10s;

  c)采用10s充放电的放电能量除以10s充放电时间的方法,计算10s充放电的平均比功率(以W/kg计)。

  ——室温倍率充电性能

  按照如下步骤进行:

  a) 室温下,蓄电池模块以1I1(A)电流放电至放电终止条件,静置1h;

  b) 室温下,蓄电池模块以2I1 (A)(最大电流不超过400A)电流充电,直至充电终止条件,并且总充电时间不超过30min,静置1h;

  c)室温下,蓄电池模块以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  d) 计量放电容量(以Ah计)。

  ③ 高低温环境适应性考核

  ——低温放电容量

  低温放电容量试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池在-20℃±2℃下搁置24h;

  c) 蓄电池在-20℃±2℃下,以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  d) 计量放电容量(以Ah计)。

  ——高温放电容量

  高温放电容量试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池在55℃±2℃下搁置5h;

  c) 蓄电池在55℃±2℃下,以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  d) 计量放电容量(以Ah计)。

  ④ 能量维持特性考核

  ——室温荷电保持与容量恢复能力

  室温荷电保持与容量恢复能力试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池在室温下储存28天;

  c) 室温下,蓄电池以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  d) 计量荷电保持容量(以Ah计);

  e) 蓄电池再完全充电;

  f) 室温下,蓄电池以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  g) 计量恢复容量(以Ah计)。

  ——高温荷电保持与容量恢复能力

  高温荷电保持与容量恢复能力试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池在55℃±2℃下储存7天;

  c) 蓄电池在室温下搁置5h后,以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  d) 计量荷电保持容量(以Ah计);

  e) 蓄电池再完全充电;

  f) 室温下,蓄电池以1I1(A)电流放电至放电终止条件;

  g) 计量恢复容量(以Ah计)。

  ——储存

  储存试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 室温下,以1I1(A)电流放电30min;

  c) 蓄电池在45℃±2℃下储存28天;

  d) 蓄电池室温下搁置5h;

  e)蓄电池完全充电;f) 蓄电池室温下,以1I1(A)电流放电至放电终止条件。

  g) 计量放电容量(以Ah计)。

  通过动力蓄电池基本电性能测评结果,反映出不同材料体系电池,其性能表现也呈现不同的规律,电池应用企业需要根据具体的测评结果,选取最适合自己系统性能匹配的产品。

  另外,通过测试也可以发现,当单体组成模块、包或者系统以后,其一致性对其电性能性能有很大的影响,尤其在低温和倍率放电时,由于单体的一致性问题,某一个单体率先达到放电截止电压,从而会影响模块的整体放电性能。

  (2)电池安全性能试验

  该部分主要用于考核电池安全性。分为单体模块层级安全性考核和电池包层级安全性考核。单体模块层级安全性考核侧重于电池本征安全特性,包括电滥用、机械滥用、环境滥用等三个方面;而电池包安全性考核侧重于整车实际使用状态下的电池安全防护特性,包括电防护特性、机械防护特性、环境防护特性等三个方面。

  ① 电池单体模块层级本征安全性考核项目

  具体列表如下所示:

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  ——过放电

  过放电试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池以1I1(A)电流放电90min;

  c)观察1h。

  ——过充电

  过充电试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 以1I1(A)电流恒流充电至任一单体蓄电池电压达到企业技术条件中规定的充电终止电压的1.5倍或充电时间达1h后停止充电;

  c) 观察1h。

  ——短路

  短路试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 将蓄电池经外部短路10min,外部线路电阻应小于5mΩ;

  c) 观察1h。

  ——跌落

  跌落试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池正负端子向下从一定高度处自由跌落到水泥地面上;

  c) 观察1h。

  ——挤压

  挤压试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 按下列条件进行试验:

  挤压板形式:半径75mm的半圆柱体,半圆柱体的长度大于被挤压电池的尺寸,但不超过1m。

  蓄电池单体:垂直于蓄电池极板方向施压

  蓄电池模块:与在整车布局上最容易受到挤压的方向相同。如果最容易受到挤压的方向不可获得,则垂直于单体蓄电池排列方向施压(参考图3所示);

  挤压速度:(5±1)mm/s;

  蓄电池单体:电压达到0V或变形量达到30%或挤压力达到200kN后停止挤压。

  蓄电池模块:变形量达到30%或挤压力达到蓄电池模块重量的1000倍和下表所列数值中较大值。

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  ——保持10min。

  c) 观察1h。

  ——针刺

  针刺试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 用φ5mm~φ10mm的耐高温钢针(针尖的圆锥角度为45°~60°,针的表面光洁、无锈蚀、氧化层及油污),以(25±5)mm/s的速度,从垂直于蓄电池极板的方向,依次贯穿蓄电池;

  c) 观察1h。

  ——海水浸泡

  海水浸泡试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b)将蓄电池浸入3.5%NaCl溶液(质量百分比,模拟常温下的海水成分)中2h;

  c) 水深应完全没过蓄电池。

  ——温度循环

  温度循环试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池放入温度箱中,温度箱温度按要求进行调节,循环次数5次;

  c) 观察1h。

  ——低气压

  低气压试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b) 蓄电池放入低气压箱中,调节试验箱中气压为11.6kPa,温度为室温,静置6h;

  c) 观察1h。

  ——加热

  加热试验按照如下步骤进行:

  a) 蓄电池完全充电;

  b)对于锂离子蓄电池,温度箱按照5℃/min 的速率由室温升至130℃±2℃,并保持此温度30min后停止加热;

  对于金属氢化物镍蓄电池,温度箱按照5℃/min 的速率由室温升至85℃±2℃,并保持此温度2h后停止加热;

  c) 观察1h。

  ② 电池包层级防护安全性考核项目

  具体列表如下所示:

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  ③小结

  通过动力蓄电池安全性能测评结果,可以了解并分析不同种类电池的安全状态。对单体模块层级安全性考核,标准的判定条件基本上是不漏液、不爆炸、不着火;对电池包层级安全性考核,标准的判定条件基本也是电池管理系统起作用,测试对象不能出现着火和爆炸现象。

  另外,对于电池安全性能的考核指标,在对电池标准要求基础上,目前普遍采用分级评价方法,如下表所示:

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  (3)电池循环试验

  该测试包括标准循环寿命和工况循环寿命两种循环试验条件。标准循环寿命主要用于考核电池在标准充放电条件下的寿命衰减特性,该参数可用于不同类型电池循环寿命性能的横向对比。工况循环寿命主要用于考虑电池在实车使用工况条件下的寿命衰减特性,以便通过电池管理系统的进行控制策略优化,更好的与整车优化匹配使用。

  对于标准循环寿命测试,可以按照如下步骤进行:

  a) 以1I1(A)放电至企业规定的放电终止条件;

  b) 搁置不低于30分钟或企业规定的搁置条件;

  c) 蓄电池完全充电;

  d) 搁置不低于30分钟或企业规定的搁置条件;

  e) 以1I1(A)放电至企业规定的放电终止条件,记录放电容量;

  f) 按照b)~e)连续循环500次,若放电容量高于初始容量的90%,则终止试验;若放电容量低于初始容量的90%,则继续循环500次;

  g) 计量室温放电容量和放电能量。

  对于工况循环寿命测试,标准中结合中国实际国情,开创性的给出了5种典型工况,包括混合动力乘用车用功率型蓄电池工况循环寿命、混合动力商用车用功率型蓄电池工况循环寿命、纯电动乘用车用能量型蓄电池工况循环寿命、纯电动商用车用能量型蓄电池工况循环寿命、插电式和增程式电动汽车用蓄电池工况循环寿命(略)。

  总之,随着动力蓄电池普遍在新能源汽车上的大规模应用,如何快速准确评价动力蓄电池的使用寿命,做到电池的合理回收和梯次利用,是今后动力蓄电池测评的重要方向。标准中的测试方法是在标准循环和工况循环的基础上,探索更加合理的评价方法,后续还需要大量的数据支持。另外,测试中还要考虑对于实车用动力蓄电池系统,如何测评电池管理系统的均衡能力,最大限度的降低动力电池不一致性对性能衰减的影响因子。

  后续标准化工作中,还要补充完善动力蓄电池日历寿命的测试评价方法,以便对动力蓄电池保质期进行合理有效的评价,提高蓄电池的匹配利用效率。

  4、总结

  目前,在行业的共同努力下,国内动力蓄电池标准体系已经初步完备,标准测试评价方法也趋于统一。然而,动力电池的测评仍然存在一些问题,比如:

  1.测试成本高,这包括测试费用和电池成本。

  2.测试周期长,即测试所用的时间长,特别是循环工况,测试资源有限、且受到地域等条件限制。

  3.测试标准多,国家、行业、地方、企业以及国际各不相同。有的测试标准缺乏针对性,由于不同类型电动汽车对电池有不同的要求,使得动力电池呈现多样性,但是测试标准在多数性能上还没有明确的区分。

  动力电池的测试评价技术在不断进步,测试评价的体系也在逐步完善,但是仍有许多需要探索和改进的测试方法,包括单体一致性的评价技术,电池热特性-电化学特性的耦合评价技术,电池的日历寿命的加速测试评价技术等。

  总之,电动汽车逐渐进入市场,对电池的考验也真正来临,从整车匹配集成应用出发,对动力电池进行综合测评,为电池系统集成服务,是今后动力电池测评的发展方向。将性能良好的电池通过集成技术的叠加,进一步提升其安全性和综合性能,必将是未来几年测试技术进步的重要领域。通过测评选择好的电池产品,才能推动新能源汽车的可持续、健康、快速的发展。

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