0  引言

鋰離子電池性能檢測(cè)是提高其安全性與可靠性的有效舉措。目前世界范圍內(nèi)各組織均已制定或研討有效的方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池的安全性能進(jìn)行檢測(cè)。2009年美國(guó)頒布的SAEJ2929:2013標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)和混合動(dòng)力電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)》涉及到電池組和整車級(jí)別的安全性檢測(cè)；2014年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定了標(biāo)準(zhǔn)ISO12405-3：2014《電驅(qū)動(dòng)車輛-鋰離子電池動(dòng)力包及系統(tǒng)檢測(cè)規(guī)程第3部分：安全性要求》針對(duì)電池組以及電池系統(tǒng)的安全性提出了要求，為汽車廠指明了可選擇的檢測(cè)項(xiàng)目以及檢測(cè)方法；2015年中國(guó)發(fā)布了GB/T31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)，主要圍繞電池單體以及模塊提出了檢測(cè)要求，給我國(guó)電動(dòng)汽車檢測(cè)提供了方法。

作為鋰離子電池性能檢測(cè)中最重要的安全性能檢測(cè)，一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文通過(guò)調(diào)查分析國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)以及短路保護(hù)等安全性能檢測(cè)的異同點(diǎn)，旨在建議我國(guó)關(guān)于鋰離子電池安全性能檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，促進(jìn)鋰離子電池行業(yè)的健康發(fā)展。

1  電氣安全性

1.1  過(guò)充放電

過(guò)充放電檢測(cè)是檢查過(guò)充電與過(guò)放電保護(hù)系統(tǒng)的功能性。該功能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制充放電電流的過(guò)載從而達(dá)到保護(hù)工作狀態(tài)的電池設(shè)備免遭荷電狀態(tài)超越最大極值或者低于最低極值誘發(fā)安全事故。

電池組或者電池系統(tǒng)與整車級(jí)別的過(guò)充放電檢測(cè)是有差異的。GB/T31467.3-2015明確提出鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)的過(guò)充放電保護(hù)檢測(cè)，充電與放電保護(hù)的檢測(cè)對(duì)象是工作狀態(tài)的所有檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)電流倍率為1C,截止條件為電池的管理系統(tǒng)能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用或者達(dá)到實(shí)驗(yàn)的終止條件。實(shí)驗(yàn)的終止條件相同的地方在于終止電壓與額定電壓的系數(shù)關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)的溫度超過(guò)規(guī)定最高溫度5℃，過(guò)充電保護(hù)的截止電壓是最高電壓的1.2倍，過(guò)放電保護(hù)的總電壓低于額定電壓的25%。

不同的地方是過(guò)充電保護(hù)檢測(cè)要求的是電池的荷電量SOC超過(guò)130%，過(guò)放電保護(hù)檢測(cè)要求的是放電時(shí)間超過(guò)30min，過(guò)充放電保護(hù)檢測(cè)均為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀察2小時(shí)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織針對(duì)于過(guò)充放電保護(hù)制定了ISO12405-1:2011與ISO12405-2:2012，這兩種標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)的電池類型不同。前者適用于高功率密度型電池，后者適用于高能量密度型電池。

功率型電池的過(guò)充電檢測(cè)的電流倍率為5C,過(guò)放電檢測(cè)的電流倍率為1C;而能量型電池的過(guò)充電檢測(cè)的電流倍率為2C;過(guò)放電檢測(cè)的電流倍率為1/3C。電流倍率的變化受電池的應(yīng)用方向影響，放電電流小能夠?qū)崿F(xiàn)電池的高容量與高能量，放電電流大能夠?qū)崿F(xiàn)電池在較短的時(shí)間內(nèi)提供能量。此外國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的觀察時(shí)間為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后1小時(shí)，這也是與我國(guó)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別。

美國(guó)出臺(tái)的UL2580：2011《電動(dòng)汽車用電池》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)過(guò)充放電參數(shù)的定義比較模糊，只是對(duì)過(guò)充電的終止條件進(jìn)行嚴(yán)格的限定——電壓與溫度等電路保護(hù)系統(tǒng)起作用或電池系統(tǒng)爆炸著火；過(guò)放電的終止條件僅僅只是電路保護(hù)系統(tǒng)起作用。我們可以看出不同組織制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范整體思路一致，考查的內(nèi)容以及方向不同，細(xì)節(jié)方面還是輕微有些變化。

目前只有國(guó)外出臺(tái)了整車級(jí)別電池的過(guò)充放電檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，而我國(guó)在此領(lǐng)域還是空白，說(shuō)明國(guó)外的檢測(cè)標(biāo)注制定考慮的內(nèi)容更加全面，符合電池商業(yè)化應(yīng)用的需求。與電池組或者電池系統(tǒng)檢測(cè)不同，整車級(jí)別的過(guò)充電檢測(cè)電流以盡可能大的電流進(jìn)行充電，直至電壓達(dá)到充電設(shè)備的輸出電壓極限或電池的連接接口與充電設(shè)備斷開(kāi)。

SAEJ2929:2013標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)過(guò)放電檢測(cè)的雜化電池系統(tǒng)的放電倍率為1C而純電動(dòng)系統(tǒng)的放電倍率為C/3,放電直至電池的連接接口與放電負(fù)載斷開(kāi)或電壓達(dá)到0.0V±0.2V。整車級(jí)別的檢測(cè)要求在檢測(cè)前1h的觀察期與檢測(cè)期，電池系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)明火、電池包裝破損或爆炸。檢測(cè)過(guò)程應(yīng)該使用氣體濃度檢測(cè)裝置并且可燃性氣體的濃度不超過(guò)空氣的最低可燃濃度。這些危險(xiǎn)性強(qiáng)制要求在電池模塊以及系統(tǒng)的檢測(cè)中沒(méi)有涉及到，是整車級(jí)別與模塊檢測(cè)的最大區(qū)別，可能考慮到汽車發(fā)生危險(xiǎn)導(dǎo)致的嚴(yán)重后果吧。

1.2  短路保護(hù)

短路保護(hù)是指電池端強(qiáng)制發(fā)生短路時(shí)系統(tǒng)能夠及時(shí)做出的應(yīng)急保護(hù)。該條件可以較完全模擬電池的異常情況處理的能力范圍，可以有效預(yù)防電動(dòng)汽車的火災(zāi)等系列安全事故。國(guó)標(biāo)GB/T31467.3-2015對(duì)鋰離子蓄電池的短路保護(hù)系統(tǒng)作出明顯的闡釋。

標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定檢測(cè)對(duì)象蓄電池系統(tǒng)的所有控制系統(tǒng)應(yīng)該處于工作狀態(tài)，要求檢測(cè)系統(tǒng)的接線端短路10min；短路電阻的大小由檢測(cè)與生產(chǎn)兩方共同決定，限制其數(shù)值不能超過(guò)20mΩ，在這種條件下觀察蓄電池的狀態(tài)2小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束蓄電池系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生泄露、著火或者爆炸的現(xiàn)象，且絕緣電阻數(shù)值超過(guò)100Ω/V,證實(shí)短路保護(hù)裝置能夠發(fā)揮其功能。ISO12405-1:2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高功率型電池的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)標(biāo)電池的短路保護(hù)檢測(cè)方法相似。ISO12405-1:2011明確要求蓄電池包檢測(cè)前應(yīng)該靜置觀察1h直至溫度低于50℃確保電池足夠安全能夠?qū)嶒?yàn)。

檢測(cè)的蓄電池的SOC達(dá)到100%，短路電阻的范圍是60-100mΩ。檢測(cè)過(guò)程的蓄電池能夠按照預(yù)期的目標(biāo)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在蓄電池軟包水平，過(guò)電流保護(hù)設(shè)備應(yīng)該能夠阻斷短路電流的產(chǎn)生；在蓄電池系統(tǒng)水平，過(guò)電流保護(hù)設(shè)備或主控器的自動(dòng)切斷能夠影響短路電流的產(chǎn)生，這與國(guó)標(biāo)限制實(shí)驗(yàn)結(jié)束測(cè)定電路的絕緣電阻不謀而合。

電池系統(tǒng)的外電流達(dá)到短路電流水平，系統(tǒng)能夠切斷電流并發(fā)生自我保護(hù)作用，電池應(yīng)對(duì)緊急短路特殊情況做出自我保護(hù)，不會(huì)發(fā)生火災(zāi)等危險(xiǎn)情況。高能量型密度電池ISO12405-2:2012與高功率型密度電池的短路保護(hù)檢測(cè)方法相同，檢測(cè)的短路電阻為10-20mΩ，與高功率型電池不同。美國(guó)UL2580-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)方法與國(guó)標(biāo)相同，它強(qiáng)調(diào)了短路保護(hù)的重復(fù)性檢測(cè)，重復(fù)性檢測(cè)的電流大小不低于短路保護(hù)電流的15%，旨在強(qiáng)調(diào)短路保護(hù)的可重復(fù)使用周期。



SAEJ2929:2013標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)電池模塊可以單獨(dú)拆分開(kāi)檢測(cè)，電池系統(tǒng)的整體檢測(cè)是必不可少的，檢測(cè)過(guò)程所有的電池系統(tǒng)電子設(shè)備連接起來(lái)且處于工作狀態(tài)。

整車的電池短路保護(hù)安全性能通過(guò)可燃性氣體的存在是否能夠引起燃燒開(kāi)判定。火花源或者氣體濃度檢測(cè)裝置需要在每個(gè)選擇的位置放置，位置的選擇取決于權(quán)威組織選擇能夠代表氣體泄漏最高點(diǎn)的地方。電池系統(tǒng)沒(méi)有明顯的火花、外殼破裂以及爆炸。

此外整車系統(tǒng)的可燃性氣體濃度不能超過(guò)空氣中可燃性氣體濃度的最低限制。我們可以明顯的看出，電池包的短路保護(hù)判定結(jié)果為絕緣電阻或者短路保護(hù)電流能否起作用，而整車系統(tǒng)的檢測(cè)要求可燃性氣體的濃度不能超標(biāo)，說(shuō)明不同級(jí)別的電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還是有明顯的區(qū)別。

2  電池的機(jī)械以及環(huán)境安全性

電池的安全性檢測(cè)除電氣安全性檢測(cè)外，還包括機(jī)械安全性檢測(cè)以及環(huán)境安全性檢測(cè)。機(jī)械安全性檢測(cè)模擬車輛在行駛中因環(huán)境濕度、路面顛簸以及交通事故等因素誘發(fā)的機(jī)械應(yīng)力時(shí)的自我防御能力，包括振動(dòng)、沖擊、碰撞、擠壓等；環(huán)境安全性檢測(cè)模擬車輛在不同氣候如高溫、低溫以及濕熱條件的行駛狀況，包括熱沖擊、熱穩(wěn)定、起火、浸泡、過(guò)熱等。表1中列出了不同規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于機(jī)械性能與環(huán)境安全性能的檢測(cè)項(xiàng)目。

3  電池的熱失控

熱失控是電池安全研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，已經(jīng)成為鋰離子電池在電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。機(jī)械濫用、電濫用以及熱濫用都可能導(dǎo)致電池的熱失控。歐陽(yáng)明高院士指出電池內(nèi)部短路是最常見(jiàn)的熱失控原因。熱失控遵循鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)緊接著，此過(guò)程反應(yīng)的溫度急劇增加形成完整的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。詳細(xì)的說(shuō)，電池的異常發(fā)熱能夠引發(fā)電池的溫度不斷升高，從而誘導(dǎo)固態(tài)電解質(zhì)（SEI）層的分解，釋放出更多的能量，形成熱量-溫度-反應(yīng)回路。高溫條件下該反應(yīng)回路不斷的循環(huán)著，直至電池材料發(fā)生熱失控。

同時(shí)他提出了三級(jí)保護(hù)措施來(lái)有效的避免熱失控，降低熱失控的危害：熱失控前的被動(dòng)防御與預(yù)警、增強(qiáng)固有熱穩(wěn)定性以及減少熱失控?cái)U(kuò)散等二次危害。

鋰離子電池的熱失控給人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了隱患，如何早期預(yù)警熱失控以及提高電池的安全特性是亟待解決的問(wèn)題。研究人員將電池的溫度、電壓、電流以及副反應(yīng)產(chǎn)生的氣體作為熱失控的預(yù)警信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控這些參數(shù)的變化，從而有效的預(yù)防電池材料的熱失控。賈曉洪提出在電池內(nèi)短路模型建立的基礎(chǔ)仿真鋰離子內(nèi)部短路情況下的電壓曲線的特性，作為支持向量機(jī)（SVM）的樣本集，選取合適的核函數(shù)以及參數(shù)，采取分段提取的特征并有效的結(jié)合遺傳算法優(yōu)化檢測(cè)熱失控，取得不錯(cuò)的熱失控預(yù)警效果。

秦小英設(shè)計(jì)采用DSP為核心的計(jì)算方式完成電池運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，并利用Java程序完成電池運(yùn)行的顯示、計(jì)算以及控制命令的下達(dá)等功能，實(shí)現(xiàn)了電池安全性能的強(qiáng)實(shí)用性與強(qiáng)靈活性。