中國動力電池單體電性能測試標準對比與分析①

郝維健,胡 建,牛萍健,柳邵輝,馬天翼,鄭天雷

(1.中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300;2.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

2020年9月,我國明確提出“碳達峰”與“碳中和”目標。根據研究顯示,交通運輸行業二氧化碳排放量約占全國總碳排放量的10%,其中道路交通在交通全行業碳排放中的占比約為80%[1]。因此,電動化被視為我國交通運輸行業實現“雙碳”戰略目標的必由之路。近年來,電動汽車、電動摩托車、電動船舶等電動交通工具進入了快速發展期。動力電池作為驅動電動交通工具的核心部件,在電動交通工具的動力性、安全性和續航里程方面起到至關重要的作用。據報道,截至2022年,我國動力電池的裝機量已達到295.7 GWh,同比增長93%[2],連續多年位居世界第一,這為我國交通運輸領域的電動化轉型發揮了重要作用。

動力電池的最小儲能單元是單體。通常情況下,一種動力電池單體產品可同時應用于電動汽車、電動船舶、電動摩托車等多種終端產品。動力電池的核心技術參數包括高低溫容量、功率、內阻、無負載容量損失和循環性能等,這些參數是動力電池單體產品研發和驗證的關鍵測試項目。研究不同電動交通工具的動力電池單體電性能測試標準對產品研發的便利性和減少重復測試具有重要意義。因此,本文總結了我國常用電動交通工具的動力電池單體電性能測試標準,并對比分析了容量、比能量、能量效率、功率、無負載容量損失等測試項目的異同點,為動力電池的研發和驗證提供參考。

1 中國動力電池性能標準

目前,我國已經發布或正在起草與電動汽車、電動摩托車、電動自行車、電動船舶、電動軌道機車車輛、電動航空器等相關的動力電池標準或規范,見表1。

表1 動力電池單體性能標準/規范總結

1.1 電動汽車領域

在電動汽車領域,現行的單體性能標準包括GB/T 31486—2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》[3]和GB/T 31484—2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》[4]。這兩項標準均由全國汽車標準化技術委員會(TC114)歸口管理,分別規定了電動汽車用動力電池單體和模組的電性能、循環性能要求。這兩項標準均被工業和信息化部《新能源汽車生產企業及產品準入管理規定》引用,成為電動汽車動力電池產品準入標準。目前,GB/T 31486《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》標準正在修訂中,主要修訂內容包括根據動力電池技術發展趨勢,將全部模組測試的測試對象修改為單體,根據動力電池使用場景調整部分測試項目的方法,并提高了指標要求。該標準的修訂已完成公開征求意見。此外,GB/T 31484《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》已于2022年下半年啟動修訂預研工作,預計2023年底或2024年初下達立項計劃?；谝陨蠘藴实男抻嗊M度,本文在敘述電動汽車動力電池性能類標準時,主要參考了GB/T 31486修訂征求意見稿和GB/T 31484—2015。

1.2 電動摩托車領域

在電動摩托車領域,現行的單體性能國家標準是GB/T 36672—2018《電動摩托車和電動輕便摩托車用鋰離子電池》[5],由全國汽車標準化技術委員會(TC114)歸口管理。該標準規定了電動摩托車和電動輕便摩托車電池的型號和安全性、電性能要求。在單體電性能方面,GB/T 36672—2018與電動汽車動力電池電性能標準保持一致。在安全性要求方面,該標準主要參考了歐盟摩托車安全法規ECE R136《關于L類電動車輛特定要求的批準與統一規定》。目前,相關的標準化組織已啟動了GB/T 36672的修訂預研工作。

1.3 電動自行車領域

在電動自行車領域,現行單體性能國家標準為GB/T 36972—2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》[6],由全國自行車標準化技術委員會(TC155)歸口管理。該標準在原有的輕工行業標準QB/T 2947.3—2008《電動自行車用蓄電池及充電器 第3部分:鋰離子蓄電池及充電器》[7]的基礎上,進一步提升了電性能,增加了安全性測試項目,對阻燃性能、電磁兼容性能以及互換性、兼容性提出了要求[8]。

1.4 電動船舶

目前,在電動船舶領域尚未制定動力電池性能類的國家標準。然而,船級社規范《船舶應用電池動力規范(2023)》[9]是電動船舶用動力電池領域具有較高影響力的規范文件。該規范文件在《純電池動力船舶檢驗指南(2019)》[10]基礎上起草,對動力電池分別提出品質、安全要求。

1.5 電動軌道機車車輛

電動軌道機車車輛領域動力電池單體性能標準《軌道交通 機車車輛 動力蓄電池 第1部分:鋰離子蓄電池》正在制定過程中。該標準修改采用IEC 62928:2017《Railway applications-Rolling stock-Onboard lithium-ion traction batteries》[11],在對應國際標準的基礎上,修改了安全性能要求、電性能要求和對應測試方法。因該標準尚未發布,本文對比對象為該標準的公開征求意見稿。

1.6 電動航空器

在無人機等電動航空器領域,動力電池單體性能標準《無人駕駛航空器用鋰離子電池和電池組規范》正在制定過程中。該標準適用于為民用輕小型多旋翼無人機(最大起飛重量約為150 kg)提供動力源的鋰離子電池和電池組。因該標準尚未發布,本文對比對象為該標準的公開征求意見稿。

2 中國動力電池單體電性能標準對比

動力電池為電動交通工具提供驅動能量,需滿足電動交通工具在各種使用工況下的電性能要求,包括高低溫容量、倍率充電、荷電保持、能量效率、循環性能等。由于不同交通工具的使用場景不同,因此對應的單體電性能標準也有一定區別。表2對比了不同電動交通工具動力電池單體電性能測試項目,其中所有標準中都包括室溫容量、低溫容量和荷電保持,其中電動汽車和電動摩托車涵蓋的單體電性能測試項目最多。

表2 動力電池單體電性能測試項目標準對比

2.1 室溫放電容量

容量是動力電池的基礎參數,用于衡量動力電池作為電能存儲器件所存儲的電荷量。室溫放電容量是動力電池單體最基礎的測試項目,其主要目的是驗證電池單體是否能夠達到申報的額定容量。各類標準之間的主要區別在于放電倍率的不同。例如,電動汽車動力電池標準倍率不小于1/3 C,電動摩托車為1 C,電動自行車標準為0.5 C,而電動航空器、電動船舶的標準則未限制倍率,電動軌道機車的標準根據單體最大充電倍率的不同規定了多個放電倍率檔位。

在動力電池產業發展的早期階段,為了提高測試效率,各個動力電池標準中的室溫放電倍率均較高(如GB/T 31486—2015和GB/T 36672—2018中的放電倍率均為1 C)。一方面,隨著電動汽車等行業發展日益成熟,新修訂的電動汽車動力電池標準在設置室溫放電倍率時充分考慮了電池的裝載對象和使用場景。根據數據顯示,電動汽車使用時的平均放電倍率在0.2～0.3 C,因此GB/T 31486修訂征求意見稿中將現行2015版的室溫放電倍率由1 C調整為1/3 C以上。另一方面,由于電動船舶、電動軌道機車、電動航空器等產業仍處于快速發展階段,考慮到不同技術路線的動力電池規格參數和工作倍率的差異,因此并未限制室溫容量測試倍率。動力電池單體室溫放電容量測試方法總結見表3。

表3 動力電池單體室溫放電容量測試方法總結

2.2 高低溫容量

溫度是影響動力電池容量的重要性能參數。動力電池通常在高低溫環境下使用,盡管動力電池系統通常包括熱管理系統,但動力電池單體的高低溫容量性能對于方便熱管理系統設計和提升動力電池系統的高低溫性能意義較大,因此有必要考查動力電池單體在高溫、低溫下的放電容量。

在鋰離子電池中,低溫會導致離子傳導速率減慢,從而降低容量[12-13]。動力電池單體高低溫放電容量測試方法總結見表4,所有動力電池單體性能標準均考查了低溫性能。電動汽車、電動摩托車和電動自行車的低溫測試溫度均為-20 ℃,且放電倍率與室溫放電倍率保持一致?？紤]到產品的實際應用環境不同,電動船舶、電動軌道機車和電動航空器的標準根據制造商規定的測試工況開展測試。在測試指標方面,由于目前鋰離子電池的低溫性能仍然受溫度影響較大,各項標準對于低溫容量的指標要求集中在70%～80%的額定容量范圍內。

表4 動力電池單體高低溫放電容量測試方法總結

高溫對鋰離子電池的容量影響相對較小,甚至在某些體系中,高溫容量可能比常溫容量更高。因此,各項動力電池標準中,對高溫容量要求集中在90%～98%的額定容量范圍內。

2.3 倍率特性

隨著電動交通工具行業規模和技術水平的提升,對于電動交通工具快速放電和快速補能的需求日益增加[14],這對動力電池的倍率特性提出了更高要求。

倍率特性考查電池在高倍率充放電下的能力。在倍率放電方面,電動汽車、電動摩托車、電動自行車、電動軌道機車和電動航空器的標準均包括電池的高倍率放電測試。由于不同電動交通工具的使用工況不同,不同標準中的測試倍率也不同。例如,電動汽車中的高功率單體(通常用于混合動力電動汽車)的測試倍率為10 C,高能量單體(通常用于純電動汽車)的測試倍率為1 C,電動自行車的電池單體的測試倍率統一為1 C,電動航空器測試倍率統一為3 C。在測試形式方面,大多數標準采用高倍率100%放電深度,并要求放電后的容量不低于95%的初始容量。電動軌道機車的動力電池標準根據單體的最大放電倍率的不同,采用6 C/20 C脈沖放電5 s后測量室溫放電容量的形式進行測試。此外,只有電動汽車和電動摩托車的動力電池標準中包含倍率充電測試,考查電動汽車、電動摩托車在快充工況下的放電容量。這主要是因為電動汽車和電動摩托車對快速補能的需求較為突出。電動汽車的標準要求電池單體在30 min內充滿后,測得的室溫放電容量不低于80%的初始容量;電動摩托車標準要求的充電倍率為2 C(不大于400 A),技術要求與電動汽車的標準一致。動力電池單體倍率充放電容量測試方法總結見表5。

表5 動力電池單體倍率充放電容量測試方法總結

2.4 荷電保持

荷電保持主要考查動力電池單體在長期停放工況下的電量保持能力。目前,本文所列舉的各項動力電池標準中均包括荷電保持項目。荷電保持項目主要分為四類:常溫荷電保持、高溫荷電保持、常溫存儲和高溫存儲。荷電保持是在100%荷電狀態(state of charge,SOC)下靜置一段時間后考查電池的保持容量和恢復容量,靜置時間通常為常溫28天左右、高溫7天左右。要求保持容量為初始容量的80%～90%,恢復容量為初始容量的85%～95%。存儲是在50% SOC下靜置一段時間后考查電池的恢復容量,相較于荷電保持測試,存儲測試的靜置時間更長。動力電池單體倍率荷電保持測試方法總結見表6。

表6 動力電池單體倍率荷電保持測試方法總結

2.5 循環壽命

循環壽命顯著影響新能源汽車長期使用后的續航里程。循環壽命較短、容量衰減較快的動力電池顯著影響消費者的使用體驗。因此,所有標準中均包含循環壽命測試。在測試方法方面,為便于開展測試,所有標準中均包含恒流充放電循環。根據不同的使用場景,不同類型的電動交通工具具有不同的放電倍率。例如,電動汽車、電動摩托車、電動航空器的放電倍率為1 C,電動自行車為0.5 C,電動軌道機車為0.2 C。在充電倍率方面,各標準均允許制造商規定充電倍率。在循環壽命方面,考慮產品價格和預期使用壽命的不同,不同類型的電動交通工具有不同的要求。例如,相較于電動摩托車,電動汽車的動力電池更換成本更高,預期使用壽命更長。因此,在循環壽命指標方面,電動汽車用動力電池標準要求高于電動摩托車用動力電池標準。電動汽車用動力電池的循環壽命要求為500次循環后容量保持率不低于90%或1 000次循環后容量保持率不低于80%,而電動摩托車用動力電池的循環壽命要求為300次循環后容量保持率不低于90%或600次循環后容量保持率不低于80%。動力電池單體循環壽命測試方法總結見表7。

表7 動力電池單體循環壽命測試方法總結

3 結論和展望

本文系統對比了電動汽車、電動摩托車、電動自行車、電動船舶、電動軌道機車等電動交通工具動力電池單體的電性能測試技術要求與試驗方法。由于交通工具的使用環境條件相似,因此在低溫放電溫度、荷電保持條件、荷電保持要求等方面保持一致,但由于不同交通工具的行駛速度、使用年限等條件不同,各項標準在室溫放電倍率、循環壽命測試工況、循環壽命指標要求方面各有不同。

隨著各類電動交通工具以及對應動力電池技術的發展,基于本文研究,提出以下動力電池單體性能類標準的修訂建議。

(1)建議在測試溫度、荷電保持周期等測試方法上注重與同類產品電池系統標準和其他類型電池單體標準協調,減少企業重復測試,方便企業產品研發。

(2)建議在完善測試方法的基礎上,結合行業技術水平適當改進技術指標,有利于進一步提升動力電池產品質量,助力產業健康可持續發展。

(3)建議積極推動標準國際化,基于我國動力電池技術積累和標準化經驗,在國際標準化舞臺上積極研提技術提案,貢獻“中國智慧”。