0  引言

鋰離子電池性能檢測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準對電池的安全性能進行檢測。2009年美國頒布的SAEJ2929:2013標準《電動和混合動力電池系統(tǒng)安全標準》涉及到電池組和整車級別的安全性檢測；2014年國際標準化組織（ISO）制定了標準ISO12405-3：2014《電驅(qū)動車輛-鋰離子電池動力包及系統(tǒng)檢測規(guī)程第3部分：安全性要求》針對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項目以及檢測方法；2015年中國發(fā)布了GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與檢測方法》標準，主要圍繞電池單體以及模塊提出了檢測要求，給我國電動汽車檢測提供了方法。

作為鋰離子電池性能檢測中最重要的安全性能檢測，一直是人們關(guān)注的重點和難點，本文通過調(diào)查分析國內(nèi)外標準關(guān)于過充電保護、過放電保護以及短路保護等安全性能檢測的異同點，旨在建議我國關(guān)于鋰離子電池安全性能檢測的發(fā)展趨勢，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，促進鋰離子電池行業(yè)的健康發(fā)展。

1  電氣安全性

1.1  過充放電

過充放電檢測是檢查過充電與過放電保護系統(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載從而達到保護工作狀態(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)與整車級別的過充放電檢測是有差異的。GB/T31467.3-2015明確提出鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)的過充放電保護檢測，充電與放電保護的檢測對象是工作狀態(tài)的所有檢測系統(tǒng)，檢測電流倍率為1C,截止條件為電池的管理系統(tǒng)能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用或者達到實驗的終止條件。實驗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)系以及實驗的溫度超過規(guī)定最高溫度5℃，過充電保護的截止電壓是最高電壓的1.2倍，過放電保護的總電壓低于額定電壓的25%。

不同的地方是過充電保護檢測要求的是電池的荷電量SOC超過130%，過放電保護檢測要求的是放電時間超過30min，過充放電保護檢測均為實驗結(jié)束后觀察2小時。國際標準化組織針對于過充放電保護制定了ISO12405-1:2011與ISO12405-2:2012，這兩種標準的適應(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。

功率型電池的過充電檢測的電流倍率為5C,過放電檢測的電流倍率為1C;而能量型電池的過充電檢測的電流倍率為2C;過放電檢測的電流倍率為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)電池在較短的時間內(nèi)提供能量。此外國際標準的觀察時間為實驗結(jié)束后1小時，這也是與我國檢測標準的區(qū)別。

美國出臺的UL2580：2011《電動汽車用電池》標準對過充放電參數(shù)的定義比較模糊，只是對過充電的終止條件進行嚴格的限定——電壓與溫度等電路保護系統(tǒng)起作用或電池系統(tǒng)爆炸著火；過放電的終止條件僅僅只是電路保護系統(tǒng)起作用。我們可以看出不同組織制定的標準規(guī)范整體思路一致，考查的內(nèi)容以及方向不同，細節(jié)方面還是輕微有些變化。

目前只有國外出臺了整車級別電池的過充放電檢測標準，而我國在此領(lǐng)域還是空白，說明國外的檢測標注制定考慮的內(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)檢測不同，整車級別的過充電檢測電流以盡可能大的電流進行充電，直至電壓達到充電設(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。

SAEJ2929:2013標準強調(diào)過放電檢測的雜化電池系統(tǒng)的放電倍率為1C而純電動系統(tǒng)的放電倍率為C/3,放電直至電池的連接接口與放電負載斷開或電壓達到0.0V±0.2V。整車級別的檢測要求在檢測前1h的觀察期與檢測期，電池系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)明火、電池包裝破損或爆炸。檢測過程應(yīng)該使用氣體濃度檢測裝置并且可燃性氣體的濃度不超過空氣的最低可燃濃度。這些危險性強制要求在電池模塊以及系統(tǒng)的檢測中沒有涉及到，是整車級別與模塊檢測的最大區(qū)別，可能考慮到汽車發(fā)生危險導(dǎo)致的嚴重后果吧。

1.2  短路保護

短路保護是指電池端強制發(fā)生短路時系統(tǒng)能夠及時做出的應(yīng)急保護。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)防電動汽車的火災(zāi)等系列安全事故。國標GB/T31467.3-2015對鋰離子蓄電池的短路保護系統(tǒng)作出明顯的闡釋。

標準中明確規(guī)定檢測對象蓄電池系統(tǒng)的所有控制系統(tǒng)應(yīng)該處于工作狀態(tài)，要求檢測系統(tǒng)的接線端短路10min；短路電阻的大小由檢測與生產(chǎn)兩方共同決定，限制其數(shù)值不能超過20mΩ，在這種條件下觀察蓄電池的狀態(tài)2小時。實驗結(jié)束蓄電池系統(tǒng)沒有發(fā)生泄露、著火或者爆炸的現(xiàn)象，且絕緣電阻數(shù)值超過100Ω/V,證實短路保護裝置能夠發(fā)揮其功能。ISO12405-1:2011標準規(guī)定高功率型電池的檢測標準，與國標電池的短路保護檢測方法相似。ISO12405-1:2011明確要求蓄電池包檢測前應(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)嶒灐?br />
檢測的蓄電池的SOC達到100%，短路電阻的范圍是60-100mΩ。檢測過程的蓄電池能夠按照預(yù)期的目標正常運轉(zhuǎn)。在蓄電池軟包水平，過電流保護設(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，過電流保護設(shè)備或主控器的自動切斷能夠影響短路電流的產(chǎn)生，這與國標限制實驗結(jié)束測定電路的絕緣電阻不謀而合。

電池系統(tǒng)的外電流達到短路電流水平，系統(tǒng)能夠切斷電流并發(fā)生自我保護作用，電池應(yīng)對緊急短路特殊情況做出自我保護，不會發(fā)生火災(zāi)等危險情況。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檢測方法相同，檢測的短路電阻為10-20mΩ，與高功率型電池不同。美國UL2580-2011標準規(guī)定的檢測方法與國標相同，它強調(diào)了短路保護的重復(fù)性檢測，重復(fù)性檢測的電流大小不低于短路保護電流的15%，旨在強調(diào)短路保護的可重復(fù)使用周期。



SAEJ2929:2013標準強調(diào)電池模塊可以單獨拆分開檢測，電池系統(tǒng)的整體檢測是必不可少的，檢測過程所有的電池系統(tǒng)電子設(shè)備連接起來且處于工作狀態(tài)。

整車的電池短路保護安全性能通過可燃性氣體的存在是否能夠引起燃燒開判定?；鸹ㄔ椿蛘邭怏w濃度檢測裝置需要在每個選擇的位置放置，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的地方。電池系統(tǒng)沒有明顯的火花、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，電池包的短路保護判定結(jié)果為絕緣電阻或者短路保護電流能否起作用，而整車系統(tǒng)的檢測要求可燃性氣體的濃度不能超標，說明不同級別的電池檢測標準還是有明顯的區(qū)別。

2  電池的機械以及環(huán)境安全性

電池的安全性檢測除電氣安全性檢測外，還包括機械安全性檢測以及環(huán)境安全性檢測。機械安全性檢測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)的機械應(yīng)力時的自我防御能力，包括振動、沖擊、碰撞、擠壓等；環(huán)境安全性檢測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、過熱等。表1中列出了不同規(guī)范標準中關(guān)于機械性能與環(huán)境安全性能的檢測項目。

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)問題，已經(jīng)成為鋰離子電池在電動汽車大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。機械濫用、電濫用以及熱濫用都可能導(dǎo)致電池的熱失控。歐陽明高院士指出電池內(nèi)部短路是最常見的熱失控原因。熱失控遵循鏈式反應(yīng)的原理，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)緊接著，此過程反應(yīng)的溫度急劇增加形成完整的鏈式反應(yīng)。詳細的說，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。

同時他提出了三級保護措施來有效的避免熱失控，降低熱失控的危害：熱失控前的被動防御與預(yù)警、增強固有熱穩(wěn)定性以及減少熱失控擴散等二次危害。

鋰離子電池的熱失控給人民的生命與財產(chǎn)安全帶來了隱患，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，實時監(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（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)化檢測熱失控，取得不錯的熱失控預(yù)警效果。

秦小英設(shè)計采用DSP為核心的計算方式完成電池運行狀態(tài)的檢測，并利用Java程序完成電池運行的顯示、計算以及控制命令的下達等功能，實現(xiàn)了電池安全性能的強實用性與強靈活性。