電動兩輪車用鋰離子電池組標準對比分析

龔明光

摘 要：隨著2019年新國標的實施，輕量化成為電動兩輪車新國標時代的大勢，在相同的體積下，鋰離子的容量和能量均遠高于傳統的鉛酸電池，并且隨著鋰離子產業的規?；?，瓦時單價也在不斷降低，質量更輕的鋰離子電池成為兩輪電動車的更優選擇。在鋰離子電池快速發展的同時，因電池生產廠家質量良莠不齊、電池組未執行強制檢驗、用戶使用不當等原因導致的電池起火、爆炸安全事故頻發。本文旨在對現有兩輪車用鋰離子電池相關標準進行對比分析，研究標準中鋰離子電池組檢驗項目的異同點，以及標準在實際應用中的問題。

關鍵詞：兩輪車 鋰離子電池 標準

1 引言

目前國內有關電動兩輪用鋰離子電池標準主要為QB/T2947.3-2008[1]、GB/T 36972-2018[2]以及GB/T 36672-2018[3]，國際上主要是ISO 18243-2017[4]的標準。其中QB/T2947.3-2008、GB/T 36972-2018的測試對象電動自行車電池組，GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017試驗對象為電輕摩和電動摩托車電池系統。試驗項目主要分為電性能、機械安全、環境安全以及電安全四個維度，表1列出了這四部標準關于電池及電池組檢測的主要檢測項目。

1.1 電性能

1.1.1 室溫放電容量

四個標準在室溫放電性能的環境溫度要求和放電倍率不完全相同，QB/T2947.3-2008常溫放電的環境溫度為15～35℃，放電倍率為0.1C，試驗可以重復5次，放電容量不低于額定容量的100%。此外還有0.5C放電測試，容量要求不低于額定值的90%。GB/T 36972-2018常溫放電的環境溫度要求試23±2℃，放電倍率為0.5C，重復3次，3次測試結果的平均值為室溫放電初始容量，電池組放電容量應在第三次或之前達到額定容量，此外還增加1C放電倍率的測試要求，要求不低于初始容量的95%。GB/T 366772-2018室溫放電的環境溫度為25±2℃，放電倍率為1C，可以重復5次，當連續3次試驗結果的極差小于額定容量的3%，可提前結束試驗，取最后3次試驗結果平均值。放電容量不低于額定容量且不超過額定容量的110%，與GB/T 31486-2015中的要求保持一致[5]。ISO 18243-2017常溫放電容量的環境溫度同樣為25±2℃，放電倍率為C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規定）。

1.1.2 低溫放電容量

四個標準在低溫放電性能的環境溫度要求和放電倍率不完全相同QB/T2947.3-2008低溫放電溫度為-10℃，放電倍率僅為0.1C，要求放電不低于額定值的75%。GB/T 36972-2018低溫放電的環境溫度為-20℃，放電倍率提高到1C，要求放電容量不低于初始容量的70%。GB/T 36672-2018電池組對低溫放電沒有規定，但其規定了模組的低溫放電要求，且和GB/T 31486-2015保持一致，放電溫度同樣為-20℃，放電為1C，放電容量不低于初始容量的70%. ISO 18243-2017對低溫放電的溫度點則最高提高至2個，即0℃和Tmin（≤-10℃），而放電倍率為C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規定）。ISO 18243-2017不僅考慮了溫度，還考慮了放電倍率，是四個標準中對低溫性能規定最為全面的。

1.1.3 高溫放電容量

和低溫放電容量類似，四個標準在低溫放電性能的環境溫度要求和放電倍率不完全相同QB/T2947.3-2008高溫放電溫度為40℃，放電倍率僅為0.1C，要求放電不低于額定值的95%。GB/T 36972-2018高溫放電的環境溫度為55℃，放電倍率為1C，要求放電容量不低于初始容量的90%。GB/T 36672-2018對模組的高溫放電容量溫度以及放電倍率和GB/T 36972-2018保持一致，放電容量要求不低于初始容量的90%. ISO 18243-2017對高溫放電的溫度定義和QB/T2947.3-2008一致，都是40℃，所不同的是放電倍率有C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商規定）四種。

1.1.4 荷電容量保持與恢復能力

儲存性能測試一般包含室溫和高溫儲存兩種模式，SOC一般為滿電態和半電態。其中QB/T2947.3-2008僅規定了常溫荷電保持能力，無荷電恢復能力及滿電態的電池組擱置30天后以0.1C放電獲得的容量，其與額定值的百分比記為荷電保持能力，要求不低于80%。GB/T 36972-2018有兩種儲存模式，一種是20±5℃儲存28天，另外一種是50%SOC儲存90天，其中28天儲存后容量不低于80%，荷電恢復能力不低于初始容量的90%;90天儲存后荷電恢復能力不低于85%。GB/T 36672-2018中的荷電保持與容量恢復能力試驗對象為電池模組，要求與GBT31486-2015一致。ISO 18243-2017中儲存分為室溫滿電儲存37天、40℃（或更高溫度）滿電儲存37天以及45℃50%SOC（或更高）三種儲存條件，但對試驗結果僅要求記錄，并無明確的數值符合性判定。

1.1.5 循環壽命

四個標準對循環壽命測試的環境溫度均是在常溫或室溫，其中QB/T2947.3-2008要求循環500次后，放電容量不低于額定容量的60%（100次后不低于85%），放電倍率0.1C。GB/T 36972-2018對循環壽命的要求試23±2℃條件下，循環600次后容量不低于初始容量的60%，放電倍率為0.5C，高于QB/T2947.3-2008的要求。GB/T 36672-2018標準中循環壽命的測試溫度與前兩部標準略有不同，為25±2℃，循環容量要求也高于前面兩部標準，要求300次后放電容量不低于90% 或者600次后放電容量不低于80%，并且放電條件也更加嚴苛，放電倍率提升至1C水平。

1.1.6 功率內阻

內阻是評估鋰離子電池性能的重要指標。目前，鋰離子電池內阻測試的方法很多，主要有交流內阻[6]、直流內阻[7]和電化學阻抗譜（EIS）測試[8]等方法。四部標準中僅GB/T 36972-2018和ISO 18243-2017兩部標準局對內阻有要求，其中GB/T 36972-2018采用1kHz的交流法測的，其反應的主要是電池本身的歐姆電阻，而ISO 18243-2017則規定了4個溫度點（40℃、RT、0℃、-10℃），3種SOC（90%、50%、20%）幾種測試個工況，采用直流法測試0.1～120s放電功率內阻以及0.1～20s充電功率內阻，其不僅反應了電池組本身的歐姆電阻，也考慮了充放電過程中的瞬時極化內阻。有鑒于此，建議GB/T 36672-2018修訂時應考慮加入功率內阻測試。

1.2 機械可靠性

1.2.1 振動測試

四部標準對振動的方向、振動時間、振幅和頻率有較大差別，其中QB/T2947.3-2008振動方式為定頻振動，規定試驗對象大面方向固定在振動臺，施加振幅2mm，頻率16.7Hz，振動時間1h，要求試驗后外殼不變形，不超過規定的外形尺寸范圍;試驗前后開路電壓不超過±0.2n*V，單不要求試驗后進行充放電。且電池組不泄漏、不起火和不爆炸。GB/T 36972-2018振動方式為掃頻循環，頻率10Hz～55Hz，單次循環時間90min，振動方向為X、Y、Z三個方向，振動后電池組應不泄漏、不起火、不爆炸，放電容量應不低于初始容量的95%。GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017兩部標準中振動測試方法基本一致，均參照了《聯合國危險物品運輸試驗和標準手冊》的第3部分38. 3款的振動測試方法，X、Y、Z三個方向，每個方向180min，單次掃頻循環15min，共12個循環。振動條件按照樣品質量進行劃分，12kg以下峰值加速度1g從7Hz到18Hz，保持振幅0.8mm，頻率增加至最大加速度達到8g，并保持8g掃頻到200Hz，12kg以上以峰值加速度1g從7Hz掃頻至18Hz，然后保持振幅0.8mm，頻率增加直到最大加速達到2g，保持2g加速度掃頻到200Hz，要求振動后無泄漏、外殼破裂、起火、爆炸等現象，并且絕緣電阻不低于100Ω/V。建議開展符合兩輪車應用的振動路譜研究工作，研究符合兩輪車的振動測試工況。

1.2.2 機械沖擊

四部標準中除QB/T2947.3-2008外，其余三部標準均包含機械沖擊測試項目，GB/T 36672-2018以及ISO 18243-2017兩部標準機械沖擊測試條件基本一致，和振動一樣，同樣是參照UN38.3機械沖擊方式，機械沖擊方向為6個方向，分別為±X、±Y和±Z，每個方向沖擊3次，共18次。沖擊波形均為半正弦波，分為150g/6ms和50g/11ms兩種加速度脈寬，要求試驗后系統保持連接可靠、結構完好，系統的最小監控單元無電壓銳變，系統無泄漏、外殼破裂、著火、爆炸等現象，試驗后絕緣電阻值不小于100Ω/V。GB/T 36972-2018規定在電池組三個互相垂直的方向上各承受三次等值的沖擊，至少要保證一個方向與水平面垂直，要求試驗后不起火、不爆炸、不泄漏。

1.3 環境可靠性

1.3.1 溫度沖擊

四部標準中均對溫度沖擊有相應的測試規定，對樣品的要求均為滿電態，在溫度、溫度轉換時間以及時間有所不同，QB/T2947.3-2008溫度沖擊試驗溫度范圍-40℃～85℃，試驗從低溫開始，每個溫度下保持1h，循環32次。GB/T 36972-2018溫度沖擊高低溫以及溫度速率均低于QB/T2947.3-2008，為72℃～20℃～-20℃～20℃，且試驗從高溫開始，其中72℃和-20℃每個溫度點保持4h，20℃保持2h，試驗結束后還需要在20℃±5℃的環境中觀察7天。GB/T 36672-2018溫度沖擊則是引用了GBT31467.3-2015[9]的標準，溫度范圍-40～85℃，每個溫度保持8h，共5次循環，ISO 18243-2017溫度循環的測試方法和要求與GB/T 36672-2018類似，不同的是初始SOC降至80%，最高溫度為85℃或企業規定的最高溫度（不低于60℃），高低溫轉換溫度需要在30min內，每個溫度點最小保持1h，共進行5次循環。

1.3.2 濕熱循環

濕熱循環測試主要分為恒溫恒濕和交變溫度濕熱兩種。GB/T 36972-2018沒有該項測試，其余三部標準測試項目中均包含該測試項目，其中QB/T2947.3-2008采用恒溫恒濕的測試方法，要求溫度40℃，濕度90%～95%條件下保持48h。其余兩部標準均采用交變濕熱的測試方法，溫度范圍25～80℃，濕度范圍55%～95%，每個循環5h，共5個循環。

1.3.3 低氣壓

GB/T 36972-2018對低氣壓要求最為嚴苛，氣壓為11.6kPa（模擬海拔15420m高度），而GB/T 36672-2018規定的氣壓值為61.2kPa，對應的是4000m的海拔高度，顯然前者側重于是運輸中的要求，而GB/T36672-2018更偏向于實際應用的海拔要求。而另外兩部標準未涉及到低氣壓的測試項目。結合試驗對象、運輸條件、應用場景，11.6kPa比較符合兩輪車電池組實際運輸的要求。

1.3.4 防護測試

防護測試包含防塵防水等級測試，一般參照GB4208-2017[10]中的相關測試方法和要求。QB/T2947.3-2008要求浸水深度為浸沒，且持續24h，要求不泄漏、不冒煙、不起火或不爆炸，GB/T 36972-2018除水溫要求為20±5℃，其余測試條件和QB/T2947.3-2008保持一致。要求不泄漏、不破裂、不起火或不爆炸。

1.4 安全測試

安全測試包含機械濫用、電濫用等幾個方面。其中機械濫用安全主要包含擠壓、針刺、跌落等試驗項目，電濫用主要考察電池組BMS的保護功能，如過充保護、過放保護、過流保護、短路保護以及過流保護等。

1.4.1 擠壓

擠壓主要目的是考察電池組在收到外部機械力作用下，電池組外殼以及內部電芯以及連接部件的狀態。QB/T2947.3-2008未對電池組擠壓有要求，只規定了組成電池組的單體電池應進行橫向和縱向擠壓，擠壓程度為單體電池變形1mm～3mm，GB/T 36972-2018則個則規定電池組應收到30kN或者形變量達到30%，并保持5min。要求擠壓方向是單體電池排列方向和擠壓頭垂直。另外兩部標準液未對電池組有擠壓的要求，不同的是GBT36672-2018中有對模組擠壓的要求，滿足GBT31485-2015中對模組擠壓的要求，從實際應用的角度，兩輪車的行駛速度遠低于電動汽車，且新發布的標準GB38031-2020已取消模組的安全測試要求，并且對電池包的擠壓力要求由之前的200kN降低至100kN?？v觀這四部標準，GB/T36972-2018對擠壓的要求更加符合實際的應用要求。

1.4.2 機械沖擊

除QB/T2947.3-2008外，其余三部標準對電池組均有機械沖擊測試項目，其中GB/T36972-2018要求電池組在三個互相垂直的方向各承受三次沖擊，并且至少要保證一個沖擊方向與水平面垂直，沖擊加速度150g，脈寬6ms。GBT36672-2018和ISO 18243-2017的機械沖擊測試參數基本一致，機械沖擊方向均為±X、±Y、±Z六個方向，每個方向沖擊次數3次。按照電池組質量劃分成兩組，不超過12kg的電池組沖擊參數為150g、6ms，超過12kg的電池組沖擊參數為50g、11ms。

1.4.3 跌落

跌落測試模擬了電池在運輸過程及用戶異常使用遭遇跌落后電池組的安全性能。四部標準都規定了跌落的測試要求，均為自由跌落，但是跌落的方向、高度、地面的要求有所不同。QB/T2947.3-2008跌落高度700mm，跌落方向±X、±Y、±Z，每個方向1次，跌落地面要求試20mm厚的硬木板臺面。而GB/T 36972-2018對跌落的高度提高至1000mm，跌落方向X、Y、Z，每個方向1次。GB/T 36672-2018則參考了GB/T31467.3-2015[9]的要求，跌落高度為1000mm，方向僅為Z方向，跌落次數僅為1次，跌落臺面要求為水泥地面。ISO 18243-2017對跌落的情況分為兩種情況，其中一種是1000mm自由跌落至水泥地面，每個方向一次，另外一種測試條件是最可能出現跌落的方向，需要跌落3次。

1.4.4 海水浸泡

海水浸泡項目的測試目的是評價電池組浸泡在海水中總正負極端子短路或者殼體密封失效，電芯正負極端子短路引起的電安全。僅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含該項測試，測試方法基本相同，均是5%NaCl浸泡2h，要求不起火，不爆炸。

1.4.5 外部火燒

GBT36972-2018針對非金屬殼體要求其阻燃性滿足GB/T5169. 16—2017要求，但對電池組有外部火燒的要求。僅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含該項測試，兩部標準中對外部火燒的測試方法基本一致，但要求略有不同，前者要求電池組無爆炸現象，若有火苗應在火源移后2min內熄滅，ISO 18243-2017則僅要求無爆炸現象，兩輪車電池組一般使用金屬和非金屬兩種材料，阻燃材料經過能夠起到一定的阻燃作用，但是一旦著火在也很難滿足2min熄滅的要求，就應用來說，除無爆炸的要求外，應增加著火報警的功能。

1.4.6 電濫用安全

電濫用安全包含不帶保護的電濫用以及電氣保護測試，GB/T36972-2018包含了不帶保護的電濫用完全測試，但是隨著目前鋰離子電池比能量密度的不斷提升，其中有些測試項目需要商榷再評估，如過充電的條件要求5V*n持續24h，就系統而言應該更加注重系統的電氣保護測試，其主要評價電池組BMS的保護功能，主要包含過充保護、過放保護、過流保護、短路保護及過溫保護等。這些測試項目的目的都是評價在電池組電濫用條件下，BMS能夠起到保護作用。在具體測試條件上，主要有充放電電流、時間的差異等，此外在短路保護測試時，外部電阻主要有80±20mΩ以及5mΩ以下兩種條件。除了BMS這些保護功能外，還應增加低溫保護、反極保護能一些貼近實際應用場景的評價項目。

2 結論

四部標準盡管都是兩輪車用鋰離子標準，但是QB/T2947.3-2008和GB/T36972-2018主要面向電動自行車，而GBT36672-2018和ISO 18243-2017主要面向電輕摩和電動摩托車，四部標準在測試項目設置上總體比較一致，但是在具體的測試條件仍存，在不少差異性。其中GBT36972-2018覆蓋的測試項目最廣，但是其中不帶BMS保護測試的一些評價項目可能過于嚴苛，兩輪車用鋰離子標準應該更加符合電池使用場景的實際情況，如應該更加關注機械可靠性測試后的浸水安全以及BMS電氣保護功能的可靠性等一些評價項目。

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