現有電動汽車用動力電池國家標準解讀
謝樂瓊，何向明
江蘇華東鋰電技術研究院有限公司
清華大學核能與新能源技術研究院
一、引言
電動汽車是汽車產業未來發展的重要戰略方向，其作為戰略新興產業地位十分明確，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月新能源汽車累計生產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。為了滿足電動汽車生產企業、零部件企業、檢測及認證機構等各方面的需求，建立體系完整、水平適中、利於產業的電動汽車標準勢在必行。
圍繞電動汽車產業，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，動力電池屬於核心零部件，於2015年5月15日聯合發布了6項國家標準，並在2016年全面實施。動力電池相關6項國標文件有：GB／T 31484－2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》、GB／T 31485－2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》、GB／T 31486－2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》、GB／T 31467．1－2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第1部分：高功率應用測試規程》、GB／T 31467．2－2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分：高能量應用測試規程》、GB／T 31467．3－2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分：安全性要求與測試方法》。其中經國家標準化管理委員會批准：GB／T 31467．3－2015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，並於2017年7月1日起實施。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年電動汽車產業及國標方面均取得了重大突破。GB／T 31484、31485、31486是在QC／T 743－2006基礎上演變而來的國家標準，而GB／T 31467．1／2／3標準是以ISO12405－1、ISO12405－2、ISO12405－3為依據進行編制。
二、GB／T 31484－2015淺析
GB／T 31484－2015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並明確了標準循環壽命及工況循環壽命的實驗方法及測試規則，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、模組及系統生產的一致性提出要求。循環工況測試車型範圍涵蓋了混合動力、純電動、插電式和增程式各類電動車類型。純電動車只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，故測試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並沒有使用任何機械結構連接到車輪，驅動車輪的還是電能，並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測試的方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，工況循環壽命測試由「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測試工況又區分了乘用車和商用車兩大類。從範圍劃分，乘用車包含轎車、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，範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測試工況基本一致，但由於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範圍為8I1～－4I1，而商用車範圍為：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測試工況為：充電部分均按照標準1C充滿電後，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範圍為：3I1～－1I1，而乘用車範圍為：－1I1～－1／3 I1。國家標準對模組系統循環結果的處理為：經工況循環後，總放電能量比上初始額定能量的數值大於500時，考察放電容量和5s放電功率，由於動力電池模塊和系統產業涉及的技術範圍更廣，複雜程度更高，產業發展還處於未成熟時期，故在循環工況方面，對具體的放電容量及功率數據結果沒有做出是否合格的要求。
圖1 混合動力乘用車用功率型蓄電池大循環SOC波動示意圖
圖2 純電動乘用車用能量型蓄電池大循環SOC波動示意圖
三、GB／T 31485－2015淺析
GB／T 31485－2015提供了電動汽車用動力電池的安全性方面的測試內容、規則及要求，測試內容詳見表2。GB／T 31485－2015較QC／T 743－2006相比，內容更全面和合理：
1、每項增加 「觀察1h」內容。由於安全性測試均為超出電池正常使用範疇的測試，引起電池內部結構破壞造成電解液分解、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、各項測試內容細節更充分。跌落測試項：要求更嚴格，單體跌落測試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測試項；擠壓測試項中對擠壓板半徑、擠壓速度、程度做了詳細要求；加熱測試中將溫度提高至130℃，將高溫下鋰離子電池內部SEI膜分解、電解液的穩定性及隔膜是否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範圍。針刺測試項中，鋼針直徑和刺穿電池數目對電池是否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測試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，使用普通不鏽鋼針和使用高熔點、高硬度的鎢鋼針在大容量電池模組測試中存在差異，若模組大量產熱，普通鋼針熔斷機率很大，而鎢鋼針性狀不變，模組產熱甚至燃燒的程度可能會因此產生差異。國標明確要求了針的直徑範圍：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，提高了測試方法的統一性。
3、增加了海水浸泡、溫度循環、低氣壓三項測試。充分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，表明了國標進一步的關注了電池的使用、運輸性能。
四、GB ／T 31486－2015淺析
GB／T 31486－2015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測試方法，詳見表3。對電池單體的考察項目縮減為4項，而蓄電池模塊的測試涵蓋了11項測試，國標強化了模組級別的電性能考察，可為生產企業加強生產質量管理、提升電池產品性能，優化Pack內部電芯連接方法、結構及傳熱設計提供測試指導及依據。
五、GB／T 31467三項標準淺析
GB／T 31467．1和 GB／T 31467．2分別對高功率和高能量兩種類型的動力電池包和系統的電性能測試方法規範了內容；GB／T 31467．3對電池包及系統的安全性提出了要求和測試方法。國家標準增加了電池包和電池系統的檢測內容，對其電性能、負載、環境和安全性等測試項目進行考察，這意味著我國電池包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，也促進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，相關生產商應提供相應的操作文件及接口部件（適用於檢測設備），提供工作限值以保證測試過程的安全。測試過程中，當測試目標環境溫度改變時，測試對象需要完成環境適應過程；若電池包或系統由於尺寸或重量原因不適合進行某些測試，可提供代表性的子系統作為測試樣品，各數據記錄在預計的充電或放電時間至少每1％間隔出記錄測試數據。試樣準備工作中，蓄電池包中的高低壓和冷卻相關裝置與檢測設備連接，且需開啟保護功能 。電池包與檢測設備及平臺無信息交換，檢測設備平臺直接控制其各類參數限值，電壓、電流、容量及能量等參數及檢測結果均由測試平臺提供。而蓄電池系統與平臺之間存在信息交換，檢測平臺設備和BCU可相互通訊，測試平臺按照規程設置檢測的參數及條件，以確保系統合理作業， BCU通過總線把各參數的限值傳至測試設備平臺，而冷卻相關裝置由BCU控制，主動保護也需要由測試平臺保證。檢測電池系統時，系統與測試平臺間通訊由總線完成，測試平臺接收實時的電池工作狀態參數和限值，並按電池作狀態和限值對系統進行控制測試。檢測結果和計算依據以測試設備平臺的參數為準。此外，系統測試前，需測量樣品的質量和體積；電池包及系統需做循環預處理來確保激活及穩定狀態；若標準循環與測試項目之間時間間隔大於24h，則要重新進行一次標準充電。
（一）GB／T 31467．1與GB／T 31467．2淺析及對比
GB／T 31467．1與GB／T 31467．2的測試項目均包含5個測試內容，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項針對電池包和系統，而後3項測試均針對蓄電池系統。由於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、應用功能上存在差異性，各項測試的具體條件，測試細節也有所差別。例如GB／T 31467．2有高低溫啟動功率測試一項，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測試。功率和內阻測試項中，兩項標準的脈衝功率測試工況各有不同，功率型測試電流要求倍率較高，而能量型電流較低，詳見圖3、圖4。
圖3 GB／T31467．1脈衝功率特性曲線－電流示例
圖4 GB／T31467．2脈衝功率特性曲線－電流示例
（二）GB／T 31467．3淺析及內容變更
GB／T 31467．1及GB／T 31467．2均為測試規程，未對測試結果進行統一的判定，說明國標在模組及系統級別的性能測試更加側重對生產商進行檢測指導及規範，而安全性為國標加強管控力度最強的一方面。GB／T 31467．3對電池包和系統安全性提出了具體的檢測方法和要求，見表5。新國標對動力蓄電池系統級別的安全性從機械衝擊、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，這給電池包及系統組裝集成等能力薄弱的動力電池相關企業的生產工藝及產品質量帶來了新的挑戰，但也將促進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／T 31467．3中振動為模擬車載電池包及系統在運輸過程中因車輛顛簸各種方向衝擊造成的可能損傷。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），根據被測樣品在車中的位置及GB／T 2323．43。振動方式改為15min正弦波動，頻率變化為：7Hz－50Hz－7Hz變換。3h重複12次（按安裝位置的垂直方向）。特殊車型可根據製造商要求替代頻率－加速度方案。振動檢測後，蓄電池包或系統需運行1個標準循環，並觀察1h。擠壓測試模擬車輛發生碰撞後，電池包發生嚴重擠壓變形的情況，要求無著火爆炸現象，此項國標測試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製造商要求對內容進行調整，在我國具體實踐基礎上讓國標更符合我國的實際應用。
六、結論
本文對現有動力電池相關的六項國家標準：GB／T31484、GB／T 31485、GB／T31486、GB／T31467．1、GB／T31467．2、GB／T31467．3的檢驗規則、檢驗項目、適用範圍、試驗方法、判斷條件、內容變更等做了分析及對比。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應用，為國內動力蓄電池產業的發展提供了統一的衡量測試標準，也為監管部門提供了有效的監督依據，對我國電動汽車產業的發展產生了積極影響。不同標準的相互銜接及組合覆蓋了動力電池、模組、系統等各個等級部件，也更有利於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根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。國際標準的研製及運用經驗更為豐富成熟，指導了我國國標的制定，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加強適合中國自己產業標準及法律法規的研究探索，不斷在實踐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。
作者：何向明