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車用動力電池標準體系研究與分析

楊世春, 盧宇, 周思達, 劉仕強, 王芳, 陳飛

10.3901/JME.2023.22.003

引用本文：

楊世春, 盧宇, 周思達, 劉仕強, 王芳, 陳飛. 車用動力電池標準體系研究與分析[J]. 機械工程學(xué)報, 2023, 59(22): 3-19.

YANG Shichun, LU Yu, ZHOU Sida, LIU Shiqiang, WANG Fang, CHEN Fei. Research Progress of Standards for Lithium-ion Batteries on Electric Vehicle[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(22): 3-19.

原文閱讀（摘要）

摘要：發(fā)展新能源汽車是我國應(yīng)對國家能源戰(zhàn)略需求、實現(xiàn)2060年碳中和目標的重大戰(zhàn)略選擇。動力電池是新能源汽車能源動力系統(tǒng)的核心，影響整車動力性、經(jīng)濟性、安全性、使用年限等關(guān)鍵性能。動力電池測試與評價標準體系保障了量產(chǎn)化動力電池的整體性能、安全性等，梳理動力電池標準對于促進行業(yè)技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)升級等具有重要意義。詳細比較國內(nèi)外動力電池標準，分析包含動力電池要求的新能源汽車標準，針對動力電池著重闡釋與比較國內(nèi)外標準基礎(chǔ)通用性能、安全性能、電性能、循環(huán)壽命等方面，全面剖析GB、ISO、IEC和GTR標準的具體內(nèi)容，比較電池單體到系統(tǒng)的強制標準和推薦標準測試內(nèi)容，特別針對國內(nèi)GB 38031、GB/T 31467和EVS-GTR第一版標準測試內(nèi)容分析比較測試方法，重點歸納國內(nèi)外動力電池測評標準體系發(fā)展歷史與技術(shù)增量。我國現(xiàn)行有效的標準實現(xiàn)與國際標準全面接軌，重心轉(zhuǎn)向電池系統(tǒng)的性能測試與檢驗。鋰離子電池在電動汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用與動力電池標準的更新促進，為動力電池檢測、新能源汽車測評領(lǐng)域從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；標準；測試評價

中圖分類號：U467

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前言

隨著碳達峰、碳中和目標的提出，能源轉(zhuǎn)型已成為世界各國技術(shù)發(fā)展的重要動力。發(fā)展新能源汽車是我國應(yīng)對國家能源戰(zhàn)略需求、實現(xiàn)2060年碳中和目標的重大戰(zhàn)略選擇。我國新能源汽車全球產(chǎn)銷量(圖1)已連續(xù)八年世界第一，2020年工業(yè)和信息化部發(fā)布的《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖2.0》提出，到2035年新能源汽車將成為市場主流，占據(jù)汽車銷量50%以上。動力電池作為新能源汽車的核心動力系統(tǒng)，其性能的好壞直接關(guān)系到整車安全性、經(jīng)濟性和動力性。國內(nèi)外針對動力電池建立了一系列政策目標，如我國制定《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》、歐盟制定“電池2030+”計劃、美國制定的《國家鋰電藍圖2021—2030》，推動動力電池長期穩(wěn)定發(fā)展。

動力電池長時間使用后內(nèi)部副反應(yīng)反復(fù)發(fā)生，存在潛在熱失控風(fēng)險。據(jù)公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每年萬輛新能源汽車發(fā)生起火爆炸事故數(shù)為0.9～1.2起，減少電池安全事故需要動力電池標準的不斷優(yōu)化。然而，動力電池測試與評價標準體系復(fù)雜、覆蓋面廣，深層次解讀動力電池標準體系對評價電池系統(tǒng)的循環(huán)耐久性、安全可靠性具有重要意義，國內(nèi)外學(xué)者已逐步開展相關(guān)工作。陶文玉等對2015—2018年的電動汽車動力電池安全、使用性能測試方法相關(guān)的標準進行了對比分析，比較了國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)和國家標準(GB)在規(guī)定范圍、測試內(nèi)容和測試嚴苛程度方面的要求。王彩娟等對比IEC 62619∶2017鋰離子電池標準和國內(nèi)GB/T 36276鋰離子電池標準在適用范圍和項目設(shè)置上的差異，指出國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)標準測試范圍已涵蓋了電池管理系統(tǒng)的功能安全。李震彪等研究了發(fā)達國家對于電池回收處理循環(huán)利用的法律法規(guī)，針對國內(nèi)外存在的法律執(zhí)行力較低、執(zhí)行效果不理想的問題提出了分析依據(jù)和解決方式。LAI等針對動力電池梯次利用和預(yù)處理、貴重金屬提取、生物排放等原材料回收技術(shù)進行系統(tǒng)的綜述，指出了在電池梯次利用中存在的材料難以分類、歷史數(shù)據(jù)丟失、老化速度加快等問題。RUIZ等分析比較了國外的動力電池安全和濫用性能的測試，對比分析了美國汽車工程師學(xué)會(Society of Automotive Engineers，SAE)、ISO、IEC和國標建立的主要安全測試方法，指出各類標準測試方法存在缺少針對電動汽車和混合動力汽車專有測試、設(shè)備測試和實際工況不符、單體與系統(tǒng)的測試項目沒有分離等問題。董利奎等針對鋰離子電池GB 31241—2014與民航運輸標準MH/T 1052—2013中的鋰離子測試方案進行對比，比較了動力電池和便攜式蓄電池在運輸測試方向上的差異。然而國內(nèi)外動力電池標準體系隨著控制和容量技術(shù)的升級不斷更新，相應(yīng)國內(nèi)外標準更新情況的分析較少。

本文詳細介紹了國內(nèi)外現(xiàn)行有效的動力電池測試與評價標準體系，針對動力電池的尺寸名稱、安全性能和可靠性能測試、運輸存儲和回收利用的全生命周期評價系統(tǒng)性地歸納了國內(nèi)外動力電池檢測標準與技術(shù)，總結(jié)了國內(nèi)外電池技術(shù)與標準的發(fā)展歷程與技術(shù)增量提升路線，針對國內(nèi)標準的技術(shù)優(yōu)勢進行了深入分析，為行業(yè)內(nèi)檢測人員提供參考，為新標準制定、檢測技術(shù)提升提供思路。

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標準制定過程概述

國內(nèi)外標準制定流程大致相同。以ISO為例，標準制定主要包括提交投票、新工作項目審定、委員會草案審查、問詢階段草案和國際標準最終草案表決。我國標準由國家標準化管理委員會負責(zé)標準立項，在技術(shù)委員會內(nèi)形成標準草案的送審稿，由標準項目起草單位整理標準審查，在報批后發(fā)布實施。

美國、歐洲和中國主導(dǎo)制定了新能源汽車領(lǐng)域的大部分標準法案，主要的標準制定部門包括國際電工委員會(IEC)、國際標準化組織(ISO)、聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(Economic Commission of Europe，ECE)等，而國內(nèi)的汽車領(lǐng)域國家標準制定工作主要由全國汽車標準化技術(shù)委員會牽頭，圖2歸納了國內(nèi)外動力電池標準發(fā)展歷程及相關(guān)組織。

GB/Z 18333—2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》是我國較早的電動汽車動力電池標準，其中就已經(jīng)針對鋰離子電池的試驗方法、檢驗規(guī)則進行了分組規(guī)定。在全國汽車標準化技術(shù)委員會歸口、中國汽車技術(shù)研究中心起草的GB/T《純電動乘用車技術(shù)條件》中，通過第4.10條目對車輛上安裝的動力電池的一般要求(包括額定容量、功率充放電、低溫充放電和低溫容量)進行了規(guī)定，但并未將行業(yè)規(guī)范整合。在2012年，中國對動力電池的相關(guān)標準要求集中在電池性能壽命等的測試規(guī)定以及動力電池更換或充電過程中的安全要求。

現(xiàn)有電動汽車標準以GB/T 28382—2012《純電動乘用車技術(shù)條件》為總體框架。我國的動力電池標準從2015年開始細化，頒布了GB/T 31467—2015《電動汽車用鋰離子電池動力蓄電池包和系統(tǒng)》。其中GB/T 31467標準的制定參考了ISO 12405和UL2580標準的內(nèi)容，并在該基礎(chǔ)上結(jié)合了我國電動汽車實際生產(chǎn)使用情況進行擴充。2018年后則對細化后的規(guī)范進行整合，先后制定了GB/T 36276—2018《電力儲能用鋰離子電池》、GB 18384—2020《電動汽車安全要求》、GB 38031—2020《電動汽車用動力電池蓄電池安全要求》強制標準。

國外的相關(guān)標準制定較早。1996年，美國發(fā)布了USABC《電動汽車電池測試流程》，針對動力電池測試內(nèi)容展開規(guī)定，要求進行部分充電、靜置、熱失控、振動、快充、安全和濫用、循環(huán)壽命等14項測試內(nèi)容。2018年，修訂的IEC 62660《電動道路車輛推進用二次鋰離子電池》和ISO 12405《電動道路車輛鋰離子動力電池組和系統(tǒng)試驗規(guī)范》中，安全與濫用測試項逐步擴展，形成了相對健全的電性能測試、安全和濫用測試以及熱性能測試體系。此外，國外制定的動力電池現(xiàn)行有效的標準還包括測試類標準EVS-GTR《電動汽車安全的全球技術(shù)標準》、SAE J2464《電動和混合動力電動汽車可再充式能量儲存系統(tǒng)(RESS)安全和濫用試驗》、SAE J2929《使用鋰基可充電電電動和混合動力車輛推進電池系統(tǒng)的安全標準》、IEC 62281《一次和二次鋰電池在運輸過程中的安全性》等。

綜上所述，國外的新能源汽車動力電池標準制定較早，并于2010年后進行了細化和更新。我國也于2001年頒布了GB/Z 18333.1：2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》，但此后10年內(nèi)幾乎沒有動力電池國家標準的制定，依靠行業(yè)標準作為電動汽車整車和零部件的生產(chǎn)規(guī)范。2015年后，通過細化各行業(yè)標準形成了國家推薦標準，隨后又將推薦標準整合，形成了目前的國家標準體系。我國的標準制定起步雖然較國際稍晚，但近年來發(fā)展更新的速度較快，在電池術(shù)語、測試、安全性能要求等方面已經(jīng)達到與國外相近或較優(yōu)水平。近年來中國開始在國際汽車標準委員會的制定工作組中扮演著重要的角色，牽頭制定了EVS-GTR等標準。圖3歸納總結(jié)了現(xiàn)有國內(nèi)外動力電池相關(guān)標準體系。

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車用動力電池標準制定情況

2.1 電動汽車充換電類標準

國內(nèi)形成了一套電動汽車充換電需求的標準體系，覆蓋電動汽車充電站、電池更換、充電連接裝置等方面，總體內(nèi)容如表1所示。對于純電動汽車和插電式混合動力汽車，GB/T 20234、GB/T 29317以及GB/T 29781分別對交換電設(shè)施、充換電方式、充換電設(shè)施、電池充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等進行了規(guī)范。2021年4月發(fā)布的《電動汽車換電安全要求》(GB/T 40032—2021)國家標準，強化了對換電電動汽車的機械強度、電氣安全、環(huán)境適應(yīng)性等安全性要求，保障了電動汽車的換電安全。此外，國家能源局也在推動主要應(yīng)用領(lǐng)域形成統(tǒng)一的換電標準，提升換電模式的安全性、可靠性與經(jīng)濟性。

國內(nèi)外針對換電系統(tǒng)的互換性、通用平臺、兼容性測試三個方面和乘用車、商用車兩大車型設(shè)計標準體系，內(nèi)容涵蓋換電電器接口、換電冷卻接口、換電機構(gòu)、換電電池包以及車輛與電池包的通信等內(nèi)容。其中國內(nèi)外在交流電荷定義中確定了不同的等級，在SAE J1772中美國重新規(guī)定了交流一級和二級的電荷等級，規(guī)定一級交流電標稱供電電壓為120 V，二級交流電為208～240 V。國內(nèi)相應(yīng)的兩級電壓為250 V和440 V，交流一級和二級的充電規(guī)定了傳導(dǎo)式充電接口和電氣接口，滿足了對電動汽車的相配合設(shè)備進行性能要求。

2.2 車載動力電池安全要求類標準

2020年，由工信部提出并歸口的GB 18384—2020《電動汽車安全要求》代替了GB/T 18384.1—2015《電動汽車 安全要求 第1部分：車載可充電儲能系統(tǒng)(REESS)》、GB/T 18384.2—2015《電動汽車安全要求 第2部分：操作安全和故障防 護》、GB/T 18384.3—2015《電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護》。GB 18384的制定充分參考了EVS-GTR的技術(shù)要求，試驗環(huán)境溫度與考察內(nèi)容相同，基于部件的試驗環(huán)境溫度為22 ℃±5 ℃，基于車輛的試驗規(guī)定為20 ℃±10 ℃；考察內(nèi)容均要求不得有電解液泄漏、破裂、排氣、起火或爆炸現(xiàn)象。此外，GB 18384增加了防水要求，需要對車輛進行模擬清洗和模擬涉水試驗，試驗時直流絕緣電阻不小于100 Ω/V，交流不小于500 Ω/V。

電動汽車的安全技術(shù)類標準中，通常會對可充電儲能系統(tǒng)(Rechargeable electrical energy storage systems，REESS)進行全套試驗以驗證在非正常工況時是否能夠保證安全，EVS-GTR中就針對REESS的安裝、振動、熱沖擊、熱循環(huán)、電性能保護等內(nèi)容要求了測試方案，同樣國內(nèi)GB/T 18384也針對車載可充電儲能系統(tǒng)性能進行標準規(guī)范(表2)。

2.3 新能源汽車標準中動力電池部分分析

動力電池系統(tǒng)作為重要的車載儲能系統(tǒng)，其使用需要遵守整車相關(guān)標準。電動汽車安全類標準和充換電類標準涉及較多電池性能要求，內(nèi)容涉及人員觸電防護、系統(tǒng)警示功能、碰撞防護、阻燃防護、時間數(shù)據(jù)記錄要求。在安全類標準方面，國標GB 18384—2015與國際標準EVS-GTR在主要內(nèi)容上較為一致，表明我國的最新動力電池安全類標準已達到國際水平。此外，考慮到國內(nèi)易發(fā)生城市內(nèi)澇現(xiàn)象，中國標準增加了大量涉水試驗要求。在電池充換電標準方面，國內(nèi)對充換電設(shè)施、方式、車載設(shè)備進行規(guī)范，2020年以來修訂更新了多版標準；國外則以傳導(dǎo)式充電為主要規(guī)范對象，標準編排與國內(nèi)相同。

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動力電池尺寸名稱標準體系

電池系統(tǒng)的尺寸同時受到單體電芯與整車尺寸兩方面的限制。動力電池尺寸的精準表達及相關(guān)術(shù)語的規(guī)范使用，可以有效提高不同標準下使用同種電池屬性的通用性，提高行業(yè)人員對電池屬性的理解、形成共識。錯誤使用尺寸名稱可能導(dǎo)致電池組裝配時發(fā)生干涉等問題，繼而降低單體電芯通用性與產(chǎn)品開發(fā)速度。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，上述問題制約了電池市場的擴展。隨著對電池尺寸名稱的標準化與規(guī)范化，動力電池供應(yīng)商產(chǎn)品互換性得到保障，同時也可以支持基于指定單體電芯裝配的特定電池系統(tǒng)。國內(nèi)外均對鋰離子電池的尺寸名稱進行了標準化規(guī)范，相關(guān)內(nèi)容如表3所示。

3.1 國內(nèi)標準

我國的汽車行業(yè)標準和國家標準均對動力電池的名稱和標準進行了規(guī)范。GB/Z 18333—2001是最早與動力電池相關(guān)的國標，規(guī)定了動力電池定義、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和貯存過程等方面。其中，第3、4兩章為術(shù)語與符號的規(guī)定，沿用了非汽車行業(yè)的GB/T 2900.11—1988《蓄電池名詞術(shù)語》中部分內(nèi)容。

尺寸名稱類標準也隨著技術(shù)發(fā)展而逐步更新。GB/T 19596—2017規(guī)定了車載儲能系統(tǒng)的種類、結(jié)構(gòu)及部件和性能相關(guān)的術(shù)語等。GB/T 34014—2017規(guī)定了電池代碼的組成方式、表達形式、標識符號。特別的，該標準中要求對梯次利用場景下動力電池重新編碼，同時保留原產(chǎn)品編碼，編碼涵蓋產(chǎn)品類型、規(guī)格和追溯信息等內(nèi)容。GB/T 34013—2017《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》、GB/T 34014—2017《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》等標準規(guī)范了電池單體、模組、系統(tǒng)規(guī)格和尺寸、分類等屬性，實現(xiàn)了全流程下電池尺寸名稱相關(guān)術(shù)語、編碼的標準化。

3.2 國際標準

由國際標準化組織ISO/TC 22 SC 21歸口的ISO/IEC PAS 16898：2012《電動道路車輛二次鋰離子電池的尺寸和名稱》，從幾何形狀、極耳位置、過壓保護裝置等方面定義了電動汽車用鋰離子電池的種類與尺寸。而SAE J1715—2014《電動道路車輛術(shù)語》按照電動汽車的分類規(guī)范了術(shù)語，其中鋰電池部分包括充電方式、工作溫度等。

3.3 標準對比

我國尺寸術(shù)語相關(guān)標準的制定在發(fā)展初期多參考自國外。GB/Z 18333—2001制定時國內(nèi)尚無車載鋰電池尺寸名稱方面的標準性文件，因此該標準的制定參考了IEC 61690—2草案《用于便攜式設(shè)備的鋰離子蓄電池及電池組》。2004年舊版標準GB/T 19596的制定參考了ISO 8713—2002《電動道路車 輛——詞匯》、SA《電動汽車術(shù)語》與日本標準JIS D0114—2000《電動汽車術(shù)語(蓄電池)》，標準的結(jié)構(gòu)方面參考了JIS D0114的格式。

QC/T 840—2010《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》是我國第一個涉及車載儲能電池尺寸、名稱規(guī)范化的行業(yè)標準。2017年則發(fā)布了新版的GB/T 19596—2017，按照封裝方式、性能等補充了相關(guān)術(shù)語定義，包括按封裝形式分類的圓柱形電池、方形電池、軟包電池，按性能分類的高能量型電池和高功率型電池，同時增加了動力電池功率性能的相關(guān)術(shù)語。

國外對于術(shù)語定義類標準的修訂較少，在21世紀初進行過修訂后多沿用至今。2012年發(fā)布了新版ISO/IEC PAS 16898，但該標準不強制執(zhí)行。2014年修訂了SAE J1715，明確了混合動力和純電動汽車的類別劃分。IEC 61690-2 只涉及低功率鋰離子電池及電池組，體系雖然完整，但覆蓋范圍較小。

在動力電池的尺寸名稱標準化方面，我國國家標準與國際標準在術(shù)語定義、標準編制等方面保持一致。在純電動汽車和混合動力汽車兩方面，國內(nèi)與國際標準均對電池相關(guān)的術(shù)語進行了標準化，包括電芯、電池包名稱、尺寸、工作狀態(tài)、編碼方式、封裝方式等。標準化尺寸名稱能夠有效降低電池企業(yè)因理解不當(dāng)?shù)犬a(chǎn)生的非必要損耗，在動力電池產(chǎn)業(yè)化初期具有重要意義，為電池研發(fā)、制造、更換提供了便利。

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動力電池測試類標準體系

4.1 國內(nèi)標準

動力電池測試類標準直接影響其使用性能和安全可靠性，在電池標準體系中起到主導(dǎo)作用。國內(nèi)和國際標準對測試性能進行了全面細致的規(guī)范。

最早的國內(nèi)動力電池測試標準可追溯到2001年發(fā)布的GB/Z 18333.1—2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》。2010年前后我國鋰電池技術(shù)持續(xù)突破，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，在這一時期制定了大量的行業(yè)標準規(guī)范動力電池產(chǎn)品測試方法。2015年行業(yè)標準進行了整合，發(fā)布了GB/T 18384《電動汽車安全要求》和GB/T 31467《電動汽車用鋰離子電池動力蓄電池包和系統(tǒng)》，分別針對電動汽車安全和車用動力電池系統(tǒng)安全要求做出規(guī)定。2018年頒布了GB/T 36276《電力儲能用鋰離子電池》，該標準從鋰離子電池單體、模組和系統(tǒng)進行規(guī)范，表4歸納了各層級電池的測試項目。

電動汽車動力電池中加入了鋰離子電池實際工作中可能出現(xiàn)的濫用項目，電池基本性能和安全性能通過GB 38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》規(guī)范，而循環(huán)性能則通過GB/T 31484—2015《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》定義。

GB 38031修訂完成后替代了原GB/T 31485《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》和GB/T 31467.3《電動汽車用鋰離子蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性能與測試方法》，對電池單體和系統(tǒng)的安全要求以試驗后無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸等異常現(xiàn)象為基準。針對單體電池的測試項目包括：過放電、過充電、外部短路試驗、加熱試驗、溫度循環(huán)試驗和擠壓試驗，針對電池包或系統(tǒng)的測試項目涵蓋振動試驗、機械沖擊試驗、模擬碰撞試驗、擠壓試驗、濕熱循環(huán)試驗、浸水試驗和熱穩(wěn)定性試驗。隨著動力電池系統(tǒng)集成水平的不斷提高，我國動力電池標準考核主要對象也從電池單體轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

4.2 國際標準

2010年，國際電工委員會發(fā)布了第一版IEC 62660，2018年發(fā)布了修訂版本。修訂版本中考察的項目主要包括電池的性能測試、可靠性和濫用測試以及安全測試；對動力電池的可靠性和濫用測試涵蓋機械性能測試(振動測試、模擬碰撞、撞擊)，電性能測試(內(nèi)短路、過充、過放)；對動力電池的安全測試包括機械性能測試、振動測試、模擬碰撞和撞擊、熱穩(wěn)定性測試以及電性能測試。

ISO 12405《電動道路車輛鋰離子動力電池組和系統(tǒng)試驗規(guī)范》中對動力電池的高功率應(yīng)用、高能應(yīng)用、安全性能要求和性能試驗4個方面進行了規(guī)定。測試項目分為4大類共16個小類，其中通用測試包括預(yù)處理循環(huán)和標準循環(huán)；在性能測試中針對功率型動力電池進行了室溫、低溫、高溫和高倍率充電功率、靜置SOC損失、能量效率、循環(huán)壽命等方面的規(guī)定；可靠性測試包括不同溫度濕度下測試、溫度循環(huán)試驗、振動和模擬撞擊；濫用測試包括測試前提要求、短路保護、過充保護和過放保護。

1999年，SAE頒布了J2464 電動和混合動力電動汽車可再充式能量儲存系統(tǒng)(Rechargeable energy storage systems, RESS)安全和濫用試驗的標準，這一標準在2009年經(jīng)過修訂后沿用至今。2011年，SAE頒布了J2929，并在2013年對其進行了修訂。SAE J2464和SAE J2929標準的測試對象略有不同。SAE J2929的測試對象為電池系統(tǒng)，對振動、溫度循環(huán)、高濕度環(huán)境、電磁干擾、跌落、浸水、機械沖擊、電池外殼完整性、模擬暴露在電動汽車著火的場景中、短路、單點過充過放保護系統(tǒng)失效模式等測試進行了規(guī)范；SAE J2464測試對象為電池單體和模組，測試項目涉及有害物質(zhì)監(jiān)測、機械測試、熱濫用測試和電濫用測試。SAE J2929的測試體系中加入了對電池在整車運行中出現(xiàn)的不安全因素進行的模擬試驗，包括測試電池外殼穩(wěn)定性、模擬暴露在電動汽車著火場景中時電池不引起額外的爆炸問題，所規(guī)定的測試內(nèi)容相較于SAE J2464更全面。

SAE J2380《車用動力電池振動測試》描述長期道路振動和沖擊對電動汽車電池性能和使用壽命的影響，振動譜由路面測量數(shù)據(jù)合成。根據(jù)振動試驗臺的情況，進行三階段不同時間的充放電振動試驗，分別為完全充電狀態(tài)、40%的放電深度和80%的放電深度，對于技術(shù)成熟的、量產(chǎn)化電池，這一標準用于鑒定電池的振動耐久性。振動和沖擊試驗參數(shù)設(shè)置與應(yīng)用電池技術(shù)的電動或混合動力電動汽車種類相關(guān)。

4.3 標準對比

4.3.1 國內(nèi)外標準

國內(nèi)外關(guān)于動力電池測試安全要求類的標準如表5所示。

通過對檢測機構(gòu)的調(diào)研數(shù)據(jù)分析，GB/T 31467.3—2015及GB/T 31485中關(guān)于機械性能的測試通過率較低。修訂后的GB 38031更加注重系統(tǒng)級測試，對單體和模組的測試要求相對減少。國內(nèi)標準在此次修訂中，將一部分推薦標準改為了強制標準，以對標國外的同類型標準，我國動力電池安全類標準發(fā)展歷程如圖4所示。

在循環(huán)壽命方面，國內(nèi)外均從純電動和混合動力兩類車型進行測試項目制定，其中國內(nèi)GB/T 31484—2015針對商用車和乘用車的室溫容量和能量、室溫功率、功率型動力電池的標準循環(huán)壽命進行規(guī)范，要求循環(huán)次數(shù)500次時放電容量不低于初始容量的90%，循環(huán)次數(shù)1 000次時放電容量不低于初始容量的80%。IEC 62660-1中僅在第7.8章中明確電池循環(huán)壽命測試要求為循環(huán)達到6個月以上或容量減少到初始容量的80%時停止測試。

對于振動測試，在EVS-GTR第一階段提案中采用正弦波掃頻，同時廠家可以自行選擇測試加速度和頻率，振動試驗采用基于車輛應(yīng)用的模式。ECE R100現(xiàn)行法規(guī)對電池包或系統(tǒng)振動試驗的方法同上述一致。IEC 62660和ISO 12405-4中對振動的測試方法參考IEC 60068-2-64隨機振動的標準，每次測試時間為8 h，最大頻率為2 000 Hz，ISO需要同時對電子設(shè)備、電池包(系統(tǒng))和電池包的電子設(shè)備進行測試。SAE J2380《電動汽車蓄電池的振動試驗》中要求對能進行三軸試驗的功率譜密度進行三個區(qū)間的放電，而對兩軸試驗臺進行兩階段三區(qū)間的放電。GB 38031的振動試驗基于前期開展的大量路譜采集試驗和數(shù)據(jù)分析工作，提出基于國內(nèi)振動試驗結(jié)果的試驗方法。圖5展示了對于功率譜密度的要求。

鹽霧試驗用于考察電池單體或系統(tǒng)在發(fā)生填充物泄漏和外界腐蝕時的功能性安全，IEC 60068、ISO 16750對于鹽霧試驗的考核為兩個方向：耐鹽霧腐蝕和耐鹽霧滲漏。EVS-GTR第一階段提案、ECE R100等國際標準均無鹽霧試驗項，美國標準SAE J2464和SAE J2929對電池包或系統(tǒng)鹽霧沒有明確的規(guī)定。GB 38031將鹽霧噴射時間從2 h增加至8 h，相應(yīng)考察重點從GB/T 31467.3系統(tǒng)耐鹽霧腐蝕的可靠性功能安全轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)耐鹽霧泄露的失效安全。

EVS-GTR第一階段提案、ECE R100不包含浸水安全/海水浸泡試驗項。但包含這一項目的測試條件，均要求水深必須能夠完全浸沒設(shè)備，以模擬電池各組分在電解質(zhì)水中的工作情況。GB 38031要求對振動試驗后的電池包或系統(tǒng)進行浸水試驗，浸水安全試驗項基于GB/T 31467.3的海水浸泡，在3.5%的鹽水中浸泡2 h或按照GB/T 4208的試驗要求完全浸泡于水中30 min。SAE對電池包或系統(tǒng)的浸水安全，要求在100%SOC、鹽水質(zhì)量分數(shù)為5%的情況下浸泡2 h或任何視覺可見的反應(yīng)出現(xiàn)即停止。

外部火燒測試為GB 38031修訂后測試內(nèi)容有變化的項目，經(jīng)過此次修訂內(nèi)容與EVS-GTR國際標準匹配。試驗電池直接暴露在火焰下70 s后通過耐火隔板加熱測試60 s。ISO 12405.3對于外部火燒的要求上述標準相同，為70 s的直接加熱和60 s的耐火隔板加熱。SAE J2929要求的火燒試驗標準與GB 38031和ISO 12405.3的要求不同，需要在90 s的時間內(nèi)升溫至890 ℃并保持10 min，要求不產(chǎn)生任何物質(zhì)泄漏。IEC中對外部火燒沒有明確試驗規(guī)定。結(jié)合電動汽車電池?zé)崾Э厥窃谳^短時間內(nèi)快速升溫這一特點，美國的標準相對更為嚴苛。

針對系統(tǒng)保護項目，現(xiàn)階段ISO、GB、EVS-GTR、ECE R100和IEC都具有外短路保護、過充保護和過放保護，ECE R100增加了過溫保護項目，EVS-GTR在以上基礎(chǔ)上又擴展了過流保護。GB 38031的系統(tǒng)保護試驗與EVS-GTR相同，試驗對象為鋰離子電池包或系統(tǒng)。關(guān)于過充測試，IEC 62660-3-2016電池單體的過充截止條件為1.2倍電壓或130%SOC；ISO 12405-1中過充的截止條件為在5C的恒定電流下充電終止條件為130%SOC；GB 38031的過充截止條件為充電終止電壓設(shè)定為1.1倍或115%SOC；SAE J2464 中規(guī)定以1C倍率和高倍率(3C)兩種充電方式過充至少200%SOC或其他引起終止的因素(選擇更長的時間)。國標與IEC、ISO關(guān)于鋰離子電池單體、電池包或系統(tǒng)標準最新進展和趨勢進行協(xié)調(diào)，美國標準則對過充的試驗要求最為苛刻。

針對測試對象，ISO、IEC都包含三級測試對象，涵蓋單體、模組和系統(tǒng)，SAE對測試對象的要求最為嚴格，需要進行電池單體、電池包、電池模組和電池系統(tǒng)的四級測試，并包含電池管理系統(tǒng)。結(jié)合電池實際發(fā)展情況，電動汽車的動力電池部件不再完全按照單體—模組—系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次進行布置，我國最新修訂的標準減少了對模組的測試而保留對電池單體和系統(tǒng)的要求。

4.3.2 標準更新

中國對于測試類標準的制定經(jīng)歷了較長的過程，GB 38031是基于GB/T 31485和GB/T 31467.3進行修訂的強制標準，對電池單體、電池包或系統(tǒng)的試驗方法與安全要求進行系統(tǒng)梳理，參考國際電動汽車安全技術(shù)標準和各國新能源汽車標準要求，圖6展示了有關(guān)標準的更新情況。

對比分析GB 38031和修訂前GB/T 31485以及GB/T 31467.3等測試類標準，取消的項目主要包括鋰離子電池模組的全部試驗要求、鋰離子電池單體針刺、跌落試驗、低氣壓、鋰離子電池單體海水浸泡、鋰離子電池包或系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)。修改項目主要包括鋰離子電池單體過充、擠壓、鋰離子電池振動、鋰離子電池包或系統(tǒng)的機械沖擊、鋰離子電池包或系統(tǒng)浸水安全、鋰離子電池包或系統(tǒng)外部火燒、電池包或系統(tǒng)鹽霧、電池系統(tǒng)過溫保護、外部短路保護、過充電保護、過放電保護。增加的項目主要包括鋰離子電池包或系統(tǒng)熱擴散、鋰離子電池系統(tǒng)過流保護。

針對取消項目，原GB/T 31485中采用的模組作為試驗對象，已經(jīng)脫離了當(dāng)前動力電池的組裝形式，因此GB 38031中取消針對模組的各項試驗。GB/T 31485—2015中將針刺列為推薦條目而不是強制條目，在強制性國標GB 38031中取消了針刺試驗。常用三元鋰電池隔膜會在130～150 ℃開始熔化并引發(fā)內(nèi)短路，而針刺試驗中僅在針頭周圍極小的區(qū)域就可以達到120 ℃，針刺試驗可能無法真實還原內(nèi)短路引發(fā)熱失控的過程。跌落和低氣壓試驗用于模擬電池在生產(chǎn)運輸過程中可能受到的沖擊，不屬于標準安全要求的范圍，因此在新版標準中刪 除。鋰離子電池單體的海水浸泡試驗，要求電池在3.5%的鹽水溶液中2 h，針對電池單體腐蝕可靠性問題展開測試，與標準的范圍不相符，而系統(tǒng)級的海水浸泡試驗可以考察高電壓下的安全性，因此予以保留。GB/T 31467.3的翻轉(zhuǎn)試驗要求電池包或系統(tǒng)繞x、y軸按照試驗要求旋轉(zhuǎn)，這一試驗無法準確模擬實際車載狀態(tài)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)事故時電池包或系統(tǒng)經(jīng)受的真實情況，國際標準法規(guī)IEC和ISO均未提出明確的需要對電池包或系統(tǒng)開展翻轉(zhuǎn)試驗的情景，因此GB 38031中取消了對電池包和系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)的測試，但不可否認的是在汽車實際工況中有可能發(fā)生電池翻轉(zhuǎn)。

針對修改項目，鋰離子電池單體過充試驗的截止條件放寬，將考察的重點放在系統(tǒng)層級的過充保護。為模擬靜態(tài)或準穩(wěn)態(tài)下的情形，修改了電池單體擠壓的試驗方法從而測試車輛發(fā)生碰撞時鋰離子電池單體受壓形變后的安全狀態(tài)。電池振動項目將試驗對象明確為“獨立安裝在整車上的電子電氣裝置，屬于鋰離子電池系統(tǒng)的一部分”，并說明含電子裝置的電池包或系統(tǒng)完成整包振動試驗后，無需再單獨做電子裝置振動試驗。振動譜更新為在中國車輛實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，重新建立我國試驗場強化道路實際激勵環(huán)境的路譜和振動載荷。GB 38031對試驗對象SOC的要求為不低于正常SOC工作范圍的50%，而在GB/T 31467.3中并未對電池的SOC做出要求。本標準和GB/T 31467.3—2015標準文件中的PSD對比，GB 38031最大的方均根(Root mean square，RMS)為1.5 g，GB/T 31467.3的最大RMS為1.44 g，都發(fā)生在z軸。對于機械沖擊，修改機械沖擊兩次試驗間的時間間隔為“以相鄰兩次沖擊的間隔時間以兩次沖擊在試驗樣品上造成的響應(yīng)不發(fā)生相互影響為準”。電池包浸水項目方面，增加了在振動試驗通過后進行浸水安全試驗。在標準GB/T 31467.3—2015的基礎(chǔ)上，對外部火燒試驗進行明確。環(huán)境類試驗標準對于電池包或系統(tǒng)鹽霧試驗的考核為兩個方向：耐鹽霧腐蝕和耐鹽霧滲漏。在GB 38031中，鋰離子電池包或系統(tǒng)安全性的鹽霧失效模式更傾向于耐鹽霧滲漏引起的電氣安全。對完全放置在乘客艙、行李艙或貨艙的電池包或系統(tǒng)，可不進行鹽霧試驗。考慮標準GB/T 31467.3系統(tǒng)保護試驗方法(過溫保護、外部短路保護、過充電保護、過放電保護)未對保護執(zhí)行的操作及截止條件進行說明，部分語句存在歧義，修訂時對上述各項進行明確。

針對增加的測試項目：熱擴散時形成的煙霧、火災(zāi)和爆炸嚴重威脅乘員安全，因此增加了控制、驗證鋰離子電池包或系統(tǒng)的熱擴散危害測試項。電池電流過大通常由外部短路和BMS工作故障引起，標準GB/T 31467.3外部短路保護試驗已經(jīng)驗證了由于外部短路造成的電流過大情況，但沒有相應(yīng)的試驗章節(jié)驗證BMS工作故障引起的過流現(xiàn)象，因此在標準中系統(tǒng)保護章節(jié)增加了過流保護。

4.4 電池測試類標準整體分析

電池測試類標準針對電池單體、電池包或者電池系統(tǒng)的電性能、安全性能和可靠性能進行規(guī)范。國內(nèi)外均從電池的機械測試、熱濫用測試、電濫用測試入手。國外的機械測試條目少于中國，我國在標準的修訂中針對國內(nèi)事故情況更新了振動測試的功率譜密度；電濫用測試項目以美國最為嚴格，主要體現(xiàn)在過充的SOC和截止電壓都偏大；國內(nèi)針對熱濫用的測試項目較少，在新一輪的修訂中增加了熱擴散項目。國內(nèi)標準在修訂中取消了對模組級別的測試項目，同時減少了部分生產(chǎn)運輸存儲中存在的電池失效現(xiàn)象。標準與國際接軌的同時更關(guān)注國內(nèi)路況和車輛運行情況。

5

動力電池測試類標準體系

鋰離子電池在運輸過程中的各類機械碰撞和由環(huán)境造成的燃燒爆炸等情況會對運輸行業(yè)造成不良影響，同時運輸過程中不當(dāng)操作會導(dǎo)致動力電池的壽命減短。國內(nèi)外針對動力電池運輸過程主要通過危險品運輸?shù)男袠I(yè)標準進行規(guī)范。

5.1 國際標準

UN 38.3《試驗和標準手冊》是針對單個電池的測試方案，由聯(lián)合國危險貨物運輸專家委員會編寫，其中鋰電池檢測的內(nèi)容主要包括高度試驗、溫度測試、振動試驗、沖擊試驗、外短路試驗、碰撞試驗、過充電試驗、強制放電試驗，所有的鋰電池都需要經(jīng)過UN 38.3測試。國際標準由IEC技術(shù)委員會牽頭制定。IEC 62281對電池單體、模組和系統(tǒng)在運輸過程中的安全要求、典型測試采樣和檢驗要求、測試項目和運輸要求做出了規(guī)定。測試項目包括提升、失真、短路、加速溫升、液體泄漏、氣體泄漏、著火、外殼破裂和爆炸項目以及在運輸過程中的海拔、熱循環(huán)、振動、撞擊、外短路、碰撞和過充過放的濫用測試。

2021年發(fā)布IEC 62281的4.1版本取代2019年公布的第四版。技術(shù)修訂本與以前的版本相比修改了術(shù)語與定義和測試條件。與UN 38.3相類似，IEC 62281對運輸過程的標準化通過模擬運輸中可能出現(xiàn)的危險情況實現(xiàn)，對電池的測試項目相同，測試對象均可針對電池單體和模組，但UN 38.3并未對電池運輸方式進行分類，而在IEC 62281中對運輸方式進行了空中運輸、海上運輸和道路運輸進行 規(guī)定。

表6歸納了國際動力電池運輸存儲類標準概況。

5.2 國內(nèi)標準

國內(nèi)MH/T 1052中針對鋰離子電池空運時的低壓條件、包裝件的密封能力、振動、沖擊、撞擊、擠壓過充和強制放電等特殊工況要求了測試，同時要求進行1.2 m跌落試驗，測試對象為電池單體和電池組。但需要注意的是MH/T 1052并非針對動力電池制訂的標準，測試項目上雖然與動力電池相類似，但缺少對SOC的限制，測試條件與性能測試類標準不同。

5.3 標準對比

MH/T 1052是2013年民航業(yè)制定的運輸標準，在編排和內(nèi)容上以國際統(tǒng)一航空運輸標準UN 38.3為基礎(chǔ)，同樣分為跌落測試和電池安全性能測試，但UN 38.3面向?qū)ο蟾訌V泛，所以將電池標稱容量以6 200 W·h為界，如果大于此標稱容量并能證明電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)短路保護則不必對電池組進行所有測試項目。

6

動力電池回收利用類標準體系結(jié)論

各國對電池梯次利用的研究尚處于理論階段，我國通過GB/T 34015《車用動力電池回收利用》，現(xiàn)階段已明確了梯次利用的余能檢測和電池拆卸具體要求，在廢舊電池處理上走到了世界前列。德國和日本建立法律法規(guī)針對二次電池的回收利用提出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，美國則主要依靠市場調(diào)節(jié)動力電池的回收，標準針對環(huán)境保護條款提出要求，對 廢舊鋰電池的回收手段和處理方式進行管理和限制，如《環(huán)境保護和再生法》《清潔空氣法》《清潔水法》。

GB/T 34015.1中規(guī)定了車用廢舊動力電池余能檢測的相關(guān)要求，檢測流程包括進行外觀檢查、信息采集、電壓判別、首次充放電電流確定、5 h率放電電流(I5)確定與材料判別，最后進行余能檢測。GB/T 34015.2規(guī)定了動力電池拆卸的術(shù)語和定義、總體要求、工作要求以及暫存和管理要求。

特別地，對于電池首次充放電電流的確定，單體動力電池可直接從標簽上獲得標稱信息的即可使用該信息，而無法從標簽直接獲得的需要根據(jù)軟包、有外殼(鋼殼、鋁殼或塑料殼)動力電池和金屬氫化物鎳動力電池分類進行電流計算。動力電池包無法確定時則需要進行拆解，按照單體處理。

表7歸納了國內(nèi)外在電池回收類標準、法規(guī)相關(guān)進展。

6

結(jié)論

隨著鋰離子電池的不斷發(fā)展與推廣應(yīng)用，動力電池標準化工作的必要性日益凸顯。各國標準委員會在動力電池經(jīng)過高速發(fā)展后的一段時間內(nèi)快速地出臺新的標準或?qū)σ延袠藴蔬M行修訂。本文回顧了國內(nèi)外動力電池主要標準體系，得出以下結(jié)論。

(1) 鋰離子電池在電動汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用推動了動力電池標準的更新，國內(nèi)標準結(jié)合電動汽車自身應(yīng)用特點，構(gòu)建了電動汽車與動力電池檢測與評價標準體系，該體系包含了動力電池規(guī)格定義、性能測試、運輸存儲和回收利用等方面，在充換電技術(shù)、梯次利用技術(shù)等標準與國際先進水平同步，全面建立了電動汽車動力電池閉環(huán)標準檢驗流程。

(2) 全國汽車標準化技術(shù)委員會針對現(xiàn)存標準進行過多次修訂，測試方法較為嚴格，包含了針刺等嚴苛的測試條件，這在一定程度上促進了動力電池技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過修訂的現(xiàn)行標準實現(xiàn)了與國際全面接軌，將標準重心轉(zhuǎn)向了電池系統(tǒng)的性能測試與檢測，從而更適應(yīng)于現(xiàn)階段動力電池的成組形式。

(3) 電池名稱尺寸類標準，國外按照純電動汽車和混合動力電池汽車分類；國內(nèi)起步較晚，編排與定義參考JIS和ISO標準，對可充電儲能系統(tǒng)定義分類，明確汽車運行時電池的工況行為，由此建立起國內(nèi)動力電池尺寸類標準體系。

(4) 電池回收利用階段的標準，國內(nèi)主要針對電池梯次利用，但現(xiàn)階段梯次利用的規(guī)模受限于退役電池余能檢測；國外則是針對傳統(tǒng)電池回收火法和濕法技術(shù)造成的環(huán)境污染，對回收過程中的排放進行規(guī)范。

成功通過標準規(guī)范的試驗測試不能保證在實際使用條件中電動汽車動力電池絕對安全，仍存在小概率偶發(fā)的熱失控起火事件，因此改進制造工藝，完善評價和測試方法對鋰離子電池發(fā)展仍至關(guān)重 要。立足于現(xiàn)有電池系統(tǒng)，電池標準體系仍為指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標。未來仍需要繼續(xù)開展動力電池工況循環(huán)壽命測試、安全性能評價等研究，根據(jù)電池發(fā)生事故的特定現(xiàn)象和測試數(shù)據(jù)，不斷完善更進標準規(guī)范。

作　　者：楊世春

責(zé)任編輯：趙子祎

責(zé)任校對：惲海艷

審　　核：張　強

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