文章來源：1.廣州廣電計量檢測股份有限公司2.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院

0引言
當(dāng)前，發(fā)展新能源汽車已成為全球共識，新能源汽車在交通出行領(lǐng)域占據(jù)重要戰(zhàn)略地位。動力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵核心部件，其性能測試與評估是保證電動汽車整車動力性能與安全性能的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)工信部統(tǒng)計，2021年1—5月全國鋰離子電池產(chǎn)量86.1億只，同比增長56.0%，測試量巨大，具有龐大的市場需求。然而，近年來隨著新能源行業(yè)迅速發(fā)展，動力電池檢測標(biāo)準(zhǔn)也隨之不斷更新迭代，動力電池檢測評價體系涉及的范疇包括IEC、ISO、SAE、GB、QC等系列標(biāo)準(zhǔn)，但各系列標(biāo)準(zhǔn)都相對獨立，沒有形成較為健全的標(biāo)準(zhǔn)體系。另一方面，動力電池測試技術(shù)明顯滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其是真實動態(tài)工況、系統(tǒng)級熱失控測試方面國內(nèi)尚無成熟的檢測技術(shù)和方法，導(dǎo)致新能源汽車?yán)m(xù)航里程測定值與實際值差異大、自燃問題頻發(fā)威脅人身財產(chǎn)安全。因此，構(gòu)建動力電池系統(tǒng)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系和提升動力電池系統(tǒng)檢測關(guān)鍵技術(shù)能力具有重要戰(zhàn)略意義。
本文針對目前動力電池檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系及關(guān)鍵技術(shù)不足，探討動力電池系統(tǒng)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系和分析動力電池檢測關(guān)鍵技術(shù)，通過梳理當(dāng)前國內(nèi)外動力電池檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，初步構(gòu)建動力電池檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系，并且從動力電池動態(tài)工況關(guān)鍵參數(shù)測試評估、動力電池?zé)釘U散局部熱失控安全性測試、電池管理系統(tǒng)功能安全評估等方面分析動力電池檢測關(guān)鍵技術(shù)，為實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)測試奠定堅實的基礎(chǔ)。

1動力電池系統(tǒng)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系探討
1.1國內(nèi)外動力電池檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析(1)國外動力電池檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析國外動力電池系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布機構(gòu)主要包括國際電工委員會(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)以及美國汽車工程師學(xué)會(SocietyofAutomotiveEngineers，SAE)等。IEC于2010年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)IEC62660-1[20]和IEC62660-2，分別涵蓋鋰離子動力蓄電池單體性能測試規(guī)程及可靠性和濫用性測試規(guī)程，并于2018年更新第二版；于2016年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)IEC62660-3，對鋰離子電池的安全性能提出要求并給出測試規(guī)范；于2017年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR62660-4，給出IEC62660-3標(biāo)準(zhǔn)中內(nèi)部短路測試的候選替代測試方法。ISO早期圍繞高功率型電池、高能量型電池以及安全性能要求制定12405系列標(biāo)準(zhǔn)（依次為ISO12405-1∶2011、ISO12405-2∶2012及ISO12405-3∶2014），為整車廠提供了可選擇的測試項目和對應(yīng)的測試方法。后來，ISO12405-4:2018在ISO12405-1/2基礎(chǔ)上將安全類測試刪除，替代電性能和壽命測試項，形成新的動力電池包和系統(tǒng)性能測試規(guī)范。另外，ISO6469-12019取代ISO6469-12009和ISO12405-3∶2014，對包括鋰離子電池在內(nèi)的測試說明和要求進(jìn)行修訂，該標(biāo)準(zhǔn)是針對所有可充電的儲能系統(tǒng)的一般安全要求，同時幾乎將所有測試流程和描述修訂為最新的技術(shù)規(guī)范。SAE于1999年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2464并在2009年完成修訂，該標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用于北美乃至全球地區(qū)的車用電池濫用測試，明確指出各測試項適用范圍和需要采集的數(shù)據(jù)，并推薦測試項目所需樣品數(shù)量；于2011年發(fā)布安全性標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2929并在2013年完成修訂，該標(biāo)準(zhǔn)包含電動車在行駛過程中可能出現(xiàn)的常規(guī)情況測試和異常情況測試兩部分；于1998年發(fā)布振動測試標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2380并在2013年完成修訂，該標(biāo)準(zhǔn)以電動車在實際車輛道路行駛的振動載荷譜采集統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)依據(jù)，更符合實際工況，具有重要參考價值。表1匯總整理了目前國外常用的鋰離子動力蓄電池檢測標(biāo)準(zhǔn)。

(2)國內(nèi)動力電池檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析我國于2001年發(fā)布第一個關(guān)于電動道路車輛用鋰離子蓄電池的國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z18333.1-2001，該文件對鋰離子蓄電池的相關(guān)技術(shù)參數(shù)提出要求，并給出具體試驗方法，對后續(xù)動力電池標(biāo)準(zhǔn)制定具有重要參考意義。2006年，國家發(fā)改委批準(zhǔn)發(fā)布汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T743-2006，被業(yè)內(nèi)廣泛參考和應(yīng)用。GB/Z18333.1-2001和QC/T743-2006均為針對電池單體、模組提出的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層面較窄，隨著新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展，漸漸無法滿足動力電池測試需求。為解決這一問題，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2015年共同發(fā)布了一系列國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，包括GB/T31484-2015、GB/T31485-2015、GB/T31486-2015、GB/T31467.1-2015、GB/T31467.2-2015、GB/T31467.3-2015等，將應(yīng)用層面拓展到電池單體、模組和系統(tǒng)，測試內(nèi)容涵蓋電性能參數(shù)測試、安全性能測試和壽命測試，有效地推動行業(yè)發(fā)展。2020年，國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布強制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB38031-2020，替代推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T31485-2015和GB/T31467.3-2015，刪除電池模組的安全要求和試驗方法，并對電池單體、系統(tǒng)的安全要求和試驗方法作出較大幅度改動。
電池管理系統(tǒng)是電動汽車動力電池系統(tǒng)的重要組成，其主要功能是監(jiān)視蓄電池的狀態(tài)（溫度、電壓、荷電狀態(tài)等），可以為蓄電池提供通信、安全、電芯均衡及管理控制。2011年，工信部發(fā)布汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T897-2011，規(guī)定了電動汽車用電池管理系統(tǒng)的術(shù)語與定義、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志等。2016年，國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T38661-2020[44]發(fā)布，其在QC/T897-2011基礎(chǔ)上進(jìn)行補充完善，包括首次給出電池功率狀態(tài)(SOP)定義，對SOC估算累積誤差提出更高要求，將SOC誤差修正速度列為推薦性測試方法并給出詳細(xì)測試過程等。表2匯總整理了目前國內(nèi)常用的鋰離子動力蓄電池檢測標(biāo)準(zhǔn)。

1.2動力電池系統(tǒng)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建良好健全的標(biāo)準(zhǔn)體系能夠有效規(guī)范市場秩序，引導(dǎo)行業(yè)良性發(fā)展，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。通過研讀當(dāng)前國內(nèi)外現(xiàn)行動力電池系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，可將動力電池技術(shù)指標(biāo)檢驗評估方法歸納為三大類：電性能參數(shù)測試、安全性能測試、壽命測試。電性能參數(shù)測試主要是針對動力電池單體、模組或系統(tǒng)在不同溫度與工況下進(jìn)行充放電功率、內(nèi)阻、容量與能量等指標(biāo)評定；安全性能測試用于評價動力電池在復(fù)雜與極端環(huán)境或線路故障狀態(tài)下電池自我保護(hù)能力和危害性；壽命測試則是用于評價動力電池是否符合標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)或指定車型標(biāo)準(zhǔn)工況下是否達(dá)標(biāo)的重要手段。另一方面，電池管理系統(tǒng)作為動力電池系統(tǒng)的重要組成，其技術(shù)要求也應(yīng)納入標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，可建立動力電池系統(tǒng)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系如下：

圖1動力電池系統(tǒng)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系
如圖1所示，構(gòu)建的動力電池系統(tǒng)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系分為4個部分，分別為電性能參數(shù)測試、安全性能測試、壽命測試和電池管理系統(tǒng)測試，其中電性能參數(shù)測試涵蓋ISO12405-4:2018、GB/T31486-2015、GB/T31467.1-2015、GB/T31467.2-2015等標(biāo)準(zhǔn)，安全性能測試涵蓋ISO6469-1:2019、GB38031-2020等標(biāo)準(zhǔn)，壽命測試涵蓋GB/T31484-2015等標(biāo)準(zhǔn)，電池管理系統(tǒng)測試涵蓋QC/T897-2011、GB/T38661-2020等標(biāo)準(zhǔn)，整個體系內(nèi)容較為全面，覆蓋到電池單體、模組、系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等層面，具有實際應(yīng)用價值。
2動力電池系統(tǒng)檢測關(guān)鍵技術(shù)分析
2.1動力電池動態(tài)工況關(guān)鍵參數(shù)測試評估技術(shù)研究車輛動態(tài)工況下動力電池關(guān)鍵參數(shù)測試評估技術(shù)，能夠更加真實地反映動力電池使用性能，克服靜態(tài)工況評估方法局限性?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T31486-2015對動力蓄電池性能所作的測試要求，每一項測試均單獨進(jìn)行，缺乏考慮車輛實際行駛過程中外界綜合環(huán)境對電池影響。因此，為了更真實地測試道路環(huán)境中動力蓄電池關(guān)鍵性能參數(shù)，加之道路環(huán)境中最常見為振動，首先研究基于電流、振動控制的車輛動態(tài)工況模擬技術(shù)。
在最新國標(biāo)GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[49]中，車輛工況以全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)為準(zhǔn)，單個循環(huán)分為低速段、中速段、高速段、超高速段，每個速段均對速度和對應(yīng)時間進(jìn)行規(guī)定，從數(shù)值上完成車輛工況定義，如圖2為各速段示意圖，圖中紅線可粗略定義各速段，如低速段速度小于60km/h，中速段速度小于80km/h，高速段速度小于100km/h，超高速段速度小于140km/h。

基于電流、振動控制的車輛動態(tài)工況模擬技術(shù)，即將放電電流對應(yīng)為速度，振動對應(yīng)為速度與加速度效果疊加，因汽車在速度、加速度均為零時仍有振動。根據(jù)模型完成基于電流、振動控制的車輛動態(tài)工況定義，單個測試循環(huán)同樣分為低速段、中速段、高速段、超高速段，低速段動態(tài)模擬工況如圖3所示。在多次測試循環(huán)過程中，計量蓄電池放電容量并繪制成曲線，統(tǒng)計電池最終總放電量。

圖3低速段動態(tài)模擬工況示意圖
2.2動力電池?zé)釘U散局部熱失控安全性測試技術(shù)動力電池?zé)崾Э厥怯绊憚恿﹄姵叵到y(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素，研究動力電池系統(tǒng)級熱擴散局部熱失控安全性測試技術(shù)極其重要?；跓釘U散局部熱失控的動力電池系統(tǒng)安全性、可靠性評估，使用隔熱材料搭建物理隔離型測試環(huán)境，既保障外界環(huán)境安全，亦可很好模擬動力電池系統(tǒng)真實封閉環(huán)境。隔離測試箱外部設(shè)置溫度傳感器，可觸發(fā)外圍消防聯(lián)動系統(tǒng)采取滅火降溫措施，防止發(fā)生次生災(zāi)害，減少安全事故發(fā)生風(fēng)險。隔離測試箱內(nèi)部采用可控溫度的柔性發(fā)熱功率單元觸發(fā)動力電池系統(tǒng)局部熱失控狀態(tài)，與此同時，監(jiān)控系統(tǒng)實時檢測動力電池溫度、電壓和電流。圖4為基于熱擴散局部熱失控的動力電池系統(tǒng)安全性可靠性評估系統(tǒng)示意圖。

電池管理系統(tǒng)以其豐富的功能性，其功能安全性是整車安全性能的重要參考，目前國內(nèi)外在電池管理系統(tǒng)的功率單元加熱面積不大于動力電池單體的表面積，其加熱面與電池單體表面直接接觸，對于尺寸與動力電池單體相同的塊狀可控溫度的柔性發(fā)熱功率單元，用該加熱裝置代替其中一個動力電池單體，與觸發(fā)對象的表面直接接觸；對于薄膜可控溫度的柔性發(fā)熱功率單元，則應(yīng)將其始終附著在觸發(fā)對象的表面。對于不同形狀動力電池，可控溫度的弱性發(fā)熱功率單元位置布置在遠(yuǎn)離熱傳導(dǎo)的一側(cè)，即安裝在可控溫度的柔性發(fā)熱功率單元對側(cè)，如圖5所示。

2.3電池管理系統(tǒng)功能安全評估技術(shù)動力電池管理系統(tǒng)功能主要包括：實時監(jiān)控電池參數(shù)(總電壓、總電流、單體電池電壓檢測)，電池狀態(tài)估計(SOC、SOE、SOH)、在線故障診斷(故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出)、充電狀態(tài)控制、電池模組均衡管理(電池模組容量與單體容量均衡)、熱管理(參照電池模組內(nèi)溫度分布，決定加熱、散熱的強度)、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息存儲等[53,54]。一套完整的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計可從三方面進(jìn)行：①安全性，保護(hù)電池單體或模組免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故；②耐久性，保證動力電池工作在安全區(qū)域內(nèi)，延長電池的使用壽命；③動力性，在車輛要求的狀態(tài)下，提供動力輸出，圖6為本文采用的電池管理系統(tǒng)功能指標(biāo)構(gòu)成。

電池管理系統(tǒng)以其豐富的功能性，其功能安全性是整車安全性能的重要參考，目前國內(nèi)外在電池管理系統(tǒng)的功能安全性研究較少，本文參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，提出基于指標(biāo)權(quán)重分配算法篩選的電池管理系統(tǒng)功能安全評估方法。

圖7為基于指標(biāo)權(quán)重分配算法篩選的功能安全評估方法應(yīng)用到電池管理系統(tǒng)的示意圖。在電池管理系統(tǒng)功能安全中，把風(fēng)險(R)或危險事件描述為一個函數(shù)(F)，該函數(shù)與危險事件發(fā)生頻率(f)，即系統(tǒng)及時反應(yīng)避免特定傷害或損害能力；損害和損傷可控性(C)，以及潛在的嚴(yán)重程度(S)有關(guān)。其中的潛在嚴(yán)重程度(S)由上述的電池管理系統(tǒng)功能指標(biāo)中的電池狀態(tài)檢測(Sdete)、電池安全保護(hù)(Ssafe)、電池狀態(tài)分析(Sstate)、能量控制管理(Smanage)參數(shù)加權(quán)構(gòu)成，如式(1)所示，其中Ki代表權(quán)重。本文將功能安全風(fēng)險(R)進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重分配算法后按照數(shù)值大小劃分為四個等級A、B、C、D，其中A是最低安全等級，D是最高安全等級。

3結(jié)束語
本文針對目前動力電池檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系不足，在梳理當(dāng)前國內(nèi)外動力電池檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，初步構(gòu)建動力電池檢測評價標(biāo)準(zhǔn)體系。標(biāo)準(zhǔn)體系包括電性能參數(shù)測試、安全性能測試、壽命測試和電池管理系統(tǒng)測試4個部分，覆蓋到電池單體、模組、系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等層面，具有實際應(yīng)用價值。本文還指出當(dāng)前國內(nèi)在動力電池真實動態(tài)工況、系統(tǒng)級熱失控測試方面尚無成熟的檢測技術(shù)和方法，并從動力電池動態(tài)工況關(guān)鍵參數(shù)測試評估、動力電池?zé)釘U散局部熱失控安全性測試、電池管理系統(tǒng)功能安全評估等方面分析動力電池檢測關(guān)鍵技術(shù)，分別提供方法和思路，為實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)測試奠定堅實的基礎(chǔ)。