动力电池安全性测试与评价谢先宇副总工程师13585630340xianyux@smvic.com.cn上海机动车检测认证技术研究中心有限公司目录•背景•国内外动力电池安全标准介绍•动力电池安全性测试评价•小结2新能源汽车着火频发，电池安全引起重点关注！3动力电池等储能装置本质上是具有危险性的，且随着其比能量和比功率的提高，发生事故的危险性将增大碰撞违规充电浸水自燃动力电池面临的安全挑战事故描述关联原因无法正常充电(2)断路/部分断路—电极材料脱落满电态无法行驶(3)电池快速老化—有效锂的量减少续驶里程与宣传不符(1)电池快速老化—有效锂的量减少快速充电功能失效(1)电池内阻增大行驶中电池故障(1)断路/部分断路—电极材料脱落事故原因分析安全性影响因素选材电极研制工艺模块老化热稳定性◎◎◎◎◎◎金属Li析出○○◎◎◎◎金属枝晶△△○◎◎◎SEI・Li量△△○○◎◎金属枝晶SEILi量热稳定性金属Li析出6建立“材料—产品---安全”闭环联动测评方法及平台意义重大！为什么电池系统存在安全性问题？如何评价电池风险？目录•背景•国内外动力电池安全标准介绍•动力电池安全性测试评价•小结73.1国外主要动力电池测试标准8cellmodulepackJ2464-2009ElectricandHybridElectricVehicleRechargeableEnergyStorageSystemSafetyandAbuseTesting√√√SafetyJ2380-2009VibrationTestingofElectricVehicleBatteries√√MechanicalStress12405-12009Electricallypropelledroadvehicles-TestspecificationsforLithium-iontractionbatterypacksandsystems-Part1:Highpowerapplications√Electricalperformance12405-22009Electricallypropelledroadvehicles-TestspecificationsforLithium-iontractionbatterypacksandsystems-Part2:HighEnergyapplications√Electricalperformance12405-32009Electricallypropelledroadvehicles-TestspecificationsforLithium-iontractionbatterypacksandsystems-Part3:Safety√SafetySAND2005-3123ElectricalEnergyStorageSystemAbuseTestManualforElectricandHybrideElectricVehicleApplications√√√SafetyDOE/ID-11069FreedomCARBatteryTestManualforPower-AssistHybridElectricVehicle√Electricperformance1642LithiumBatteries√√ReliabilityandAbuseTesting2580BatteriesforUseinElectricVehicles√√ReliabilityandAbuseTesting38.3LithiumBatteryTestingRequirements√√SafetyECER100Part2:RequirementsofaRechargeableEnergyStorageSystemwithregardtoitsSafety√Safety62660-1：2010Secondarylithium-ioncellsforthepropulsionofelectricroadvehicles–Part1:Performancetesting√Electricalperformance62660-2：2010Secondarylithium-ioncellsforthepropulsionofelectricroadvehicles–Part2:ReliabilityandAbuseTesting√ReliabilityandAbuseTestingUSABCULUNISOIECMainlyTractionBatteryTestingStandardsinAbroadDUTNameStandardnumberStandardOrganizationNotesSAEUN38.39联合国针对锂离子电池航空运输安全要求，T1~T8八项试验。FreedomCar(SAND2005-3123)10机械滥用测试•挤压•针刺•跌落•水浸•模拟翻滚•机械冲击热滥用测试•热稳定性•模拟火烧•加速温度存储•快速充放电•温度冲击循环电滥用测试•过充•短路•过放•局部短路推荐测试顺序测试内容SAEJ246411机械滥用试验电滥用试验SAEJ2464主要针对电芯、模块、系统的安全及滥用测试，包括机械、热、电滥用试验•机械冲击（电芯或以上）•跌落（电池包）•针刺（电芯或以上）•翻滚（模块和包）•盐水浸泡（模块或包）•挤压（电芯或以上）热滥用试验•短路（电芯和模块或包）•过充（电芯和模块或包）•过放（电芯和模块）•高温危险（模块和包）•热稳定性（电芯）•无热管理的循环充放（模块和包）•温度冲击循环（电芯或以上）•被动热扩散电阻测试（模块或包）UL258012特有项主要针对电池系统，相比其他国际标准，电气测试项目增加，包括温升、不平衡充电、耐压、绝缘、接地、冷却系统失效等。ECER100Part213•振动•温度冲击循环•机械冲击•挤压•外部火烧•外部短路保护•过充保护•过放保护•过温保护TimeAccelerationMaximumcurveMinimumcurveABCDEFGH挤压100KN联合国关于M、N类电动汽车储能系统的统一规定，共9项，镍氢电池增加1项气体排放实验模拟碰撞火烧试验冲击波形挤压板3.2国内现有电动汽车动力电池测试标准QC/T741-2014车用超级电容器QC/T742-2006电动汽车用铅酸蓄电池QC/T743-2006电动汽车用锂离子蓄电池QC/T744-2006电动汽车用金属氢化物镍蓄电池QC/T840-2010电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸QC/T897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件GB/Z18332.1-2009电动道路车辆用铅酸蓄电池GB/Z18332.2-2001电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池GB/Z18333.1-2001电动道路车辆用锂离子蓄电池GB/Z18333.2-2015电动汽车用锌空气电池动力电池新国标GB/T31467.1-2015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/T31467.2-2015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GB/T31467.3-2015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GB/T31484-2015电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法GB/T31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法GB/T31486-2015电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》GB/T34014-2017《汽车动力蓄电池编码规则》GB/T34015-2017《车用动力电池回收利用余能检测》GB《电动汽车用动力蓄电池安全要求》GB/T3148515单体、模块安全要求及实验方法，各10项测试，单体每项2个样品，模块每项1个样品•对电池单体和模块本身安全的考量；•动力电池产品公告要求；•测试过程中去掉模块保护措施•三元电池针刺、过充失效率高•送样模块容量要求大于20Ah；•振动和热相关实验放在性能要求标准中。•针刺暂不做要求GB/T31467.316电池包或系统安全测试要求及测试方法，共16项，包括机械、热、环境、电气保护等项目•测试要求满电•由于特殊原因（重量、尺寸）可用符合整车相关要求的子系统代替•电池产品公告要求（征求意见稿），振动和挤压暂缓；•动力电池系统企业行业准入强制标准•国内获得标准全项CNAS资质的第三方实验室4家，测试资源少电动客车安全技术条件17可充电储能系统•蓄电池单元按照附录B的热失控测试条件进行试验，测试对象不应发生起火、爆炸。•蓄电池包按照附录C的热失控扩展测试条件进行试验，测试对象应满足表1中一级或二级安全要求。•按照GB/T31467.3-2015中7.1的要求，在电池包完成且通过的振动试验后，再将此电池包按照GB/T31467.3-2015中7.9所述的海水浸泡测试方法进行试验，电池包应不起火、不爆炸。一级蓄电池包未发生起火、爆炸且蓄电池包表面温度不超过150℃二级蓄电池包未发生起火、爆炸，但蓄电池包表面温度超过150℃三级蓄电池包发生起火燃烧，但未发生爆炸四级蓄电池包发生爆炸蓄电池包热失控扩展安全等级蓄电池单元热失控试验(附件B)18试验方法•完成测试对象与加热装置的装配，加热功率要求见表3,加热装置与蓄电池应直接接触（参见图1），安装温度监测器，监测测试对象的正、负极柱，和各可测面几何中心的温度，温度数据采集频率要求不小于1Hz记录一个数据，精度要求小于±0.5℃。•将测试对象充电到100%SOC后，再对测试对象用1C电流继续充电12min。•启动加热装置对测试对象进行持续加热，直到出现如下条件之一后,关闭加热器。a)与加热装置直接接触的电池任何一测量点的温度均超过150℃，且测得的温升速率（dT/dt）超过10℃/s；b)各测量点的温度超过300℃，并持续5min。•加热过程中及加热结束1h内，如果发生起火、爆炸现象，则试验终止。测试对象容量x（Wh）加热器最小功率（W）<=100200200<x<=800500>800800硬壳及软包蓄电池单元圆柱形蓄电池单元1.2016年11月国家汽标委启动了锂离子动力电池强制性检测标准（GB）的制定工作;2.2017年3月形成锂离子动力电池强制性检测标准（GB）的草案;3.预计2017年9月形成锂离子动力电池强制性检测标准（GB）的征求意见稿;4.制定目的是为了进一步严格要求新能源汽车用动力电池的要求5.将GB/T31485-2015和GB/T31467.3-2015检测项目合并，并加入车辆实际运行过程中可能遇到的滥用情形；新国标GB《电动汽车用动力蓄电池安全要求》试验项目20安全性试验项目规范213.3标准对比单体/模块序号测试项目GB/T31485-2015ISO12405IEC62660-2ECER100.2GB1过充电√XXX√2过放电√XXX√3短路√XXX√4加热√XXX√5温度循环√XXX√6低气压√XXX√7挤压√XXX√8振动√XXX√9机械冲击√XXX√10跌落√XXX（机械冲击代替）11针刺√XXX12海水浸泡√XXX序号测试项目GB/T31467.3-2015ISO12405IEC62660-2ECER100.2GB1振动√√X√√2机械冲击√√XX√3模拟碰撞√√X√√4挤压√√X√√5翻转√XXX√6跌落√XXX√7温度冲击√√X√√8湿热循环√√XX√9盐雾√XXX√10高海拔√XXX√11海水浸泡√XXX√12热失控扩展X√XX√3.3标准对比系统序号测试项目GB/T31467.3-2015ISO12405IEC62660-2ECER100.2GB13外部火烧√√X√√14高温保护√√X√√15短路保护√√X√√16过放电保护√√X√√17过充电保护√√X√√18低温保护XXXX√19过流保护XXXX√3.3标准比对---动力电池包挤压试验标准比较25标准新国标ECER100UL2580SAEJ2464挤压板形式半径75mm半圆柱体3个75mm半圆柱体，边缘间隙30mm,底板平3个75mm半圆柱体，边缘间隙30mm,底板平3个75mm半圆柱体，边缘间隙30mm,底板平挤压方向X,Y与车行驶方向垂直的2个方向X,Y,Z最脆弱的2个方向挤压程度200kN或变形量30%100kN13±0.78kN变形到85%保持5分钟，继续压缩到50%，挤压力小于1000倍电池重量保持时间10分钟最少100ms，不超过10s1分钟挤压速度：电芯0.5~1mm/min包0.5~1cm/min测试对象电芯、模块、系统系统系统电芯、模块、系统试验前SOC状态100%SOC>=50%SOC100%SOC100%SOC要求不起火、不爆炸<=4不漏液、不起火、不爆炸<=2不起火、不爆炸<=4部分漏液、不起火、不爆炸<=3263.3标准比对---动力电池包振动试验标准比较标准UN38.3ISO12405/GBT31467.3SAEJ2380GMW16390频率范围7~200Hz5~200Hz10~190Hz8~1000Hz量级（大电池）最大2G，电池包>6.2kWh不做要求X:0.96GrmsY1:1.23GrmsY2:0.95GrmsZ:1.44GrmsZ:1.9&0.75/0.95GrmsY:1.5&0.4/0.75GrmsX:1.5&0.4/0.75GrmsZ:1.4GrmsX&Y:1.1Grms试验周期Z:3小时Y:3小时X:3小时Z:21/15/12小时Y:21/15/12小时X:21/15/12小时Z:10.8/7.3小时Y:38.18/13.58小时X:38.18/13.58小时Z:5.4/3.65小时Z:24小时Y:24小时X:24小时样品数量1个（前提是电芯和模块已通过UN38.3)1/2/3个未规定Phase4:1个Development:2个DV:6个PV:6个试验前SOC状态100%SOC50%SOC/满电100%SOC未规定高低温要求无有（-40~75℃或另行约定）无有（电芯最低温达到TcellMin+5℃以及电芯最高温达到TcellMax-5℃)试验中充放电要求无无有(仅作为SOC调节，C/3）有（50%时间工况谱，50%时间1CCHA/2CDCH）3.4小结国内外动力电池安全测试标准较多，测试主要内容基本相同，主要包括机械、热、电滥用测试，根据国家或区域要求适当增减测试项目；测试方法和接受标准有所区别，但不起火、不爆炸是电池安全底线；我国动力电池安全相关标准比较全面，基本涵盖国际主要标准测试项目，需要根据电池发展趋势动态更新和完善，如热管理相关的测试项目及要求；我国动力电池安全测试系统、设备、实验室及研究分析平台等能力需要进一步加强。27目录•背景•国内外动力电池安全标准介绍•动力电池安全性测试评价•小结28宽温度范围性能环境友好快速充电低成本长寿命高功率密度高能量密度高安全特性使用安全续驶里程加速爬坡性能经济性使用便捷性全天候使用回收利用整车要求电池性能整车应用对动力电池的要求动力电池系统30主要包括电性能、机械、环境、EMC、低压电源及接口、电气安全、滥用安全等。三元电池模块针刺试验31电芯温度曲线试验照片容量大，比能量密度高的电池失效率高，主要是热失控引起起火电池热安全电芯过充磷酸铁锂方壳电芯过充三元软包电芯过充三元方壳电芯过充磷酸铁锂电池包热扩散(针刺触发)触发电芯磷酸铁锂电池包热扩散(过充触发)Tmax250℃峰值电压磷酸铁锂电池包(加热触发)触发电芯电压典型磷酸铁锂标准箱热扩散试验后外观上盖下箱体触发电芯池热失控后，其相邻四节电芯电压异常，其余电芯外观和电压数据完好。电池包振动试验37•结构紧凑、外形规整对称、体积和重量较小的电池包比较容易通过试验；•主要失效形式有外壳结构件、线束连接段子、采样线束、绝缘电阻下降、甚至漏液、起火；•新国标与SAEJ2380相比，失效率更高；•标准已修改，Z方向3小时机械冲击38实验标准的选择ISO16750-3section4.2.2GMW16390section7.3.3orsection8.3.3•ISO标准最大50g，针对车用小零部件，不适用电池系统•EP11机械冲击采用GMW标准，达到40g，功能正常39电池包挤压试验•如果车身部件作为电池外壳或保护件，可以与电池包一起试验•在已完成的试验中，变形量和挤压力达到的都有；•如果高压接插件在电池包两端，挤压过程中极易发生短路；•挤压方向的确定；•试验安全防护至关重要，挤压过程中实时监控BMS关键信息，试验过程如果发生冒烟起火，可迅速将电池包吊装到水槽中•标准修改，挤压力100kN电池包火烧试验40•覆盖GB/T31467.3，ECER100标准•可灵活拼装的油盘•精确控制加油量和火烧时间•隧道中试验，风速可控，排烟处理•火烧时间短，通过率高电池包模拟碰撞试验41•试验需在碰撞台车上进行，试验夹具及安装队试验结果影响大；•出于试验风险考虑，一般在做完振动试验后再做模拟碰撞试验；•试验通过率高；•试验样品过大时可用子系统代替试验•试验安全保护考虑，碰撞台车上加装安全防护箱，配备大流量灭火系统，且防护箱具有电绝缘、防漏水功能42•3.5%NaCl盐水，全部浸没，绝缘电阻检测不小于100Ω/V•上下盖、接插件及安装部位容易漏水；•一旦漏水，半浸危险大，全浸相对安全•液冷系统通过率较高，风冷系统试验时要连接好风道电池包水浸试验电池包跌落/翻转/湿热循环/盐雾试验43跌落翻转盐雾湿热循环44电池包保护功能•试验包括过温保护、短路保护、过充保护、过放保护，主要验证电池管理系统软硬件在极端情况下的保护功能。短路保护试验过充保护试验加速量热仪分析：在一绝热环境中，测试电池在不同的充放电制度下，电池内部由于化学、电化学等的复杂反应导致电池的温度变化情况。新品和老化品的发热量、导热系数、热失控温度、比热容变化；正负极材料与电解液间的热反应电池材料测试分析-----评估新、不同工况下电池的热特性比热容测试：在绝热环境下，根据Cp=Q/mΔT得到电池的比热容Cp常温下的放热量测试：在绝热环境下，已知m和Cp，由Q=CpmΔT得到电池的放热量测量值：起始温度、最高温度、温升、温升速率、平均温升速率多点温度监控（可选）：热场分布得到值：发热量、发热功率、发热功率与SOC的关系电池材料测试分析-----评估新、不同工况下电池的热特性导热系数的测定热失控温度的测定电池材料测试分析-----评估新、不同工况下电池的热特性正负极材料热稳定性测试电池材料测试分析-----评估新、不同工况下电池的热特性微裂纹集流体三层结构涂层厚度及均匀度正负极表断面形貌分析电池材料测试分析-----评估新、不同工况下电池的热特性正负极表面组成分析电池材料测试分析-----评估新、不同工况下电池的热特性目录•背景•国内外动力电池安全标准介绍•动力电池安全性测试评价•小结51小结动力电池安全有待进一步提高；介绍了国内外动力电池安全相关标准，中国相关标准研制走在世界前列；动力电池的安全测评需结合实际工况从电池产品、关键材料、功能安全等方面开展；电池技术持续发展，测试评价技术和标准需持续更新52谢谢！53