国家层面:深度剖析“中德两国”锂电池安全检测最新标准和法规

国家层面:深度剖析“中德两国”锂电池安全检测最新标准和法规
国家层面:深度剖析“中德两国”锂电池安全检测最新标准和法规
【研究亮点】
锂离子电池是电动汽车领域的关键技术。随着电动汽车越来越受欢迎,电动汽车在全球范围内正在加速生产。目前,锂离子电池的认证在不同市场受到不同法规和权威机构的监管。德国亚琛工业大学M. Beyer团队将最新的中国法规GB 38031-2020与德国、联合国和欧洲经委会的标准和法规进行了全面比较,旨在探索不同标准之间相协调的潜力。为此,研究人员对相应标准和法规中的检测方法进行了系统的分类和评估。结果表明,振动、挤压、气压、热扩散和浸水安全性等测试方法差异很大。在相应的分析中,作者根据实际的电动汽车使用情况对这些测试方法进行检验,并提出进一步改进的建议。最后,考虑到未来电池技术发展,作者讨论了可能的协调方法。

【研究背景】
电动汽车依赖于锂离子电池(LIB)系统,与其他电池技术相比,锂离子电池具有高能量、功率密度和良好的循环稳定性等优势。然而,从安全性角度来看,LIB系统仍然需要改进,特别是在高能量密度动力电池系统中。当在恶劣环境或使用时发生碰撞,使用LIB作为动力电池的前提是解决其面临的挑战。苛刻的使用条件加上电池安全设计不完善,会导致放热反应的扩散,严重时可能导致电池火灾或爆炸。因此需要进一步对电池的安全性进行改进。

电动汽车及其电池系统必须经受不同的机械(如振动、挤压)、热(如耐高温、火灾)、电气(如过放电、短路)和其他环境测试(如盐雾、水浸)。这些测试旨在防止不必要的安全临界反应。认证的测试类别、参数和测试条件在国家特定的法规和标准中做出了规定。

针对使用的测试方法、测试范围、测试参数以及通过标准,人们迫切需要在不同地区标准和法规之间做出协调。此外,测试差异会导致测试时间的增加,从而加大电池产品认证方面的投入。各国不同的测试方法、参数和评估标准可归因于各种因素。一方面,区域环境因素(如温度、路况等)在测试范围中发挥了重要作用。此外,电动汽车的特定用户行为(例如,驾驶周期、充电周期等)也可能影响测试范围。

在这个问题上,众多的研究人员对LIB系统批准测试标准和法规进行了的全球性的比较。Duan等人对汽车工程师学会(SAE)、汽车行业推荐标准(QC/T)、国家推荐标准(GB/T)以及联合国(UN)和国际电工委员会(IEC)的标准和法规进行了粗略的比较。然而,这些不同的标准并没有反映在参数层面上。Ruiz等人对现有的全球标准和法规进行了全面审查。审查重点涵盖国际、欧洲、美国、韩国、印度、中国,概述了机械、电气、化学和环境试验参数。对于中国标准,只分析了2006年发布的GB/T 31485和GB/T 31467规定的QC/T 743。此外,Scrosati等人提供了电动汽车电池许可的测试说明,列出了2015年使用的所有现行标准和法规。由于GB/T 31485和GB/T 31467是在2015年才出现的,因此未纳入其中。Chen等人研究了在电池、模块和电池组水平上提高电池安全性的策略。他们概述了各国(如ISO、GB/T)的安全测试和法规,包括适用范围和技术特点,但他们没有采用中国最新标准(GB 38031)。Robertson等人研究了中国(QC/T 743)和美国先进电池联盟(USABC)的电池测试程序和相应的性能参数。当用于定义性能的测试条件和指标相似时,发现测试结果几乎相同。然而,放电深度和脉冲宽度的选择对表观电阻增加和电池寿命估计有直接影响。且他们的研究重点是LiFePO4/石墨电池,不包括电池模块或电池组。Dai等人回顾了电池管理系统的发展。他们专注于电动汽车电池的主要安全标准,包括ISO、IEC、SAE、EN、美国和中国不同应用范围和测试项目的标准。此外,他们还介绍了先进电池管理系统的多层设计架构和下一代电池管理技术的趋势。但由于中国最新标准(GB 38031)出台于2020年,因而他们并未对此进行分析。在上述研究基础上,作者针对中国最新的LIB测试方法与现有的欧洲经委会和联合国标准和法规的统一提出了进一步的建议。

【主要内容】
在这篇文章中,作者在第二部分对欧洲(包括德国的相关国家标准)和中国的检测标准和法规进行了综述。此外,还给出了审批程序和机构。第三部分重点介绍了电池测试相关标准和法规比较方法,并确定了需要进行进一步协调的测试方法。第四部分对挤压、振动、高度、浸水安全和热扩散测试方法进行了深入比较。最后,在第五部分对本文的主要发现、局限性和对未来工作的建议进行了总结。

以中国为例,在过去20年里,动力电池认证的国家标准发生了极大的变化。如图1所示,可以观察到标准经历了三个发展阶段。
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图1. 中国国家标准变化路线图。

作者对德国和中国现有的电池标准和法规采用“相似等级”的指标进行评价。相似等级是指德国和中国在测试方法、测试范围和测试参数方面对特定测试的统一程度。图2展示了三步定量比较方法,并给出了相似等级的计算过程示例。开发这种方法的目的是客观比较两国电池测试的共同点和差异,从而可以识别德国和中国不同的电池测试标准和法规,并分析统一标准的可能性。
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图2. 德国和中国标准和法规的比较方法。

图3为中国标准GB 38031和GB/T 31467.3以及ISO 6469-1和ISO 19453-6中M1和N1车型随机振动模式Z方向功率谱密度。
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图3. GB/T 31467.3-2015、GB 38031-2020、ISO 19453-6-2020、ISO 6469-1标准中M1、N1型电动汽车振动模式比较。

为了评估电池在车辆碰撞情况下的安全性,制造商已经在产品开发和检测阶段进行了动态挤压测试。然而,在动力电池的标准和法规范围内还未要求进行相关测试。图4是作者针对电池动态挤压测试提出的建议:如果冲击机在动态挤压过程中可以加速到10 m/s,则可以模拟车辆在36 km/h时的场景。动力电池新的标准和法规应该给出动态挤压条件,包括负载、冲击、速度和能量、变形、压力、加速度以及从真实车辆事故数据中获得的其他参数。
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图4. 对动态挤压测试平台的建议。

【意义分析】
本文通过对德国和中国电动汽车LIB认证的相关标准和法规以及相应的测试方法进行比较,研究了两国的共同点和差异。作者采用了最新发布的GB 38031标准,与相应的德国和欧盟标准法规进行了比较,重点比较了振动、挤压、热扩散、高度和浸水测试。总的来说,最新的GB 38031标准与德国的测试方法、测试范围和测试参数方面存在差异。作者针对这些差异给出了建议以促进达到LIB测试方案的统一。作者指出,目前中德在电池技术领域的差距主要体现在电池组集成技术。电动汽车平台PPE的电池模组集成技术可能在未来演变成类似CTP电池开发平台的体系结构模型。在中国,可更换电池组成为流行趋势。因此,标准和法规应该跟上产品技术的发展。最后,针对中德两国电池安全标准的进一步研究,作者也提出了一些建议。例如:有必要制定正在使用的电池在线无损安全检测标准,并对电池安全状态进行预警。另外,针对电池热管理系统出台标准化的测试方法和评价指标也迫在眉睫。该文章为未来LIBs体系测试标准和法规的统一提供了参考。

【文献信息】
C. Lin, P. Burggräf, L. Liu et al. “Deep-Dive analysis of the latest Lithium-Ion battery safety testing standards and regulations in Germany and China”. Renewable and Sustainable Energy Reviews. (2023).
https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.113077

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参考文献: