詳細解讀電動汽車動力電池系統(tǒng)國標

國標針對動力電池系統(tǒng)，建立了常規(guī)性能和功能要求——容量、能量、功率、效率、標準循環(huán)壽命、工況循環(huán)壽命、存儲、荷電保持、容量恢復、倍率性能、高低溫性能等，建立了安全防護要求——操作安全、故障防護、人員觸電防護、濫用防護、環(huán)境適應性、事故防護、用戶手冊和特殊說明等，范圍覆蓋了電芯、模組、動力電池包、動力電池系統(tǒng)這4個層級，產品類型包括混合動力、插電式/增程式混合動力、純電動乘用車和商用車，已基本上了構成了一個完整的體系。 　　一、構建標準體系 　　電動汽車早期的發(fā)展過程中，GB或GB/T國家標準的缺失在一定程度上造成了行業(yè)的良莠不齊和魚龍混雜。僅依靠汽車行業(yè)的QC/T推薦標準作為一種參考，并不具有權威性和廣泛性，整車企業(yè)和電池企業(yè)要么茫無頭緒，要么各行其是、各執(zhí)一詞，缺乏一個統(tǒng)一的衡量標準。 　　隨著2015年新版GB/T國家推薦標準的陸續(xù)發(fā)布，我國電動汽車產業(yè)圍繞動力電池系統(tǒng)已基本上構建了完整的標準體系，形成了行業(yè)的準入門檻，有利于行業(yè)的規(guī)范發(fā)展和優(yōu)勝劣汰。 　　新國標在2015年5月頒布(部分標準將在10月份或年底頒布)，與舊標準之間有一年的過渡期，從2016年開始，相關企業(yè)都將遵循新的標準進行相關檢測。新國標與工信部2015年3月發(fā)布的《汽車動力蓄電池行業(yè)規(guī)范條件》一起，將加速動力電池行業(yè)的洗牌，提高行業(yè)集中度水平。   　　在本人的另外一篇文章中，曾論述過動力電池系統(tǒng)的安全防護主要在于如何防止電能和化學能的非正常釋放所造成的危險，相關內容詳見《動力電池系統(tǒng)安全分析和防護設計》一文。新版國標則完整的圍繞電能和化學能的防護做了嚴格的規(guī)定，并明確了測試規(guī)范，形成了較為完整的體系，從這方面來講，產品安全設計與國標的檢驗要求，殊途同歸。 　　本文將系統(tǒng)的論述各項標準所規(guī)定的內容，對比新標準與舊標準的差異等，希望能夠為動力電池企業(yè)或整車企業(yè)的同仁，在標準的理解和運用方面提供一些幫助。 　　二、GB/T 31484、GB/T 31485、GB/T 31486解讀 　　GB/T 31484、GB/T 31485、GB/T 31486是由QC/T 743標準演化而來，將QC/T 743標準的相關內容重新劃分，并在此基礎上進行升級，制訂了更符合電動汽車實際使用情況的三份獨立的標準規(guī)范。 　　首先是標準不再局限于鋰離子電池這一類型的動力電池，而是包括所有的動力電池類型。其次，針對模組的定義進行修改，不再強調5個或以上的電池單體進行串聯，而是根據實際產品中的串并聯組合形式。第三，增加了動力電池包和動力電池系統(tǒng)的定義，將部分測試覆蓋到系統(tǒng)這一層級，顯然更具有實際參考價值。第四，默認的充放電倍率由C/3(I3)提高到1C(I1)，要求更嚴格。 　　1. GB/T 31484-2015解讀 　　GB/T 31484-2015主要考核動力電池單體、模組和系統(tǒng)的循環(huán)壽命指標，涵蓋了乘用車和商用車兩個不同的市場，以及功率型和能量型兩種不同應用類型的動力電池。對于電池單體和模組而言，大多數電池廠家的產品均可達到規(guī)定的要求，對于動力電池系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設計和集成能力較弱的pack企業(yè)，將面臨較大的挑戰(zhàn)。相關檢測內容如下表所示： 　　因工況數據較多，本文不一一列出測試的圖表和曲線，有興趣的可直接閱讀相關的標準文件。 　　2. GB/T 31485-2015解讀 　　GB/T 31485-2015主要考核動力電池單體和模組的安全指標，圍繞化學能的防護，給出了一系列濫用情況以及極端情況下的安全要求和檢驗規(guī)范。 　　相比于QC/T 743-2006，GB/T 31485-2015增加了單體海水浸泡、單體溫度循環(huán)、單體低氣壓、模組跌落、模組海水浸泡、模組溫度循環(huán)、模組低氣壓等7項新的檢驗要求。針對大部分檢驗項目，GB/T 31485-2015均做了提高或強化，并要求測試結束后，必須觀察1小時，才能確定檢驗是否合格，而QC/T743標準并無此要求。相關測試項目的對比如下： 　　GB/T 31485-2015與GB/T 31467.3-2015配合，構成了電池單體、模組、系統(tǒng)層級的較為完整的安全檢驗標準。 　　3. GB/T 31486-2015解讀 　　GB/T 31486-2015主要針對電池單體的外觀、尺寸、重量和室溫放電容量，以及模組的外觀、尺寸、重量、常溫性能、高低溫性能、耐振動性能、存儲等方面做出相應的規(guī)定。與QC/T 743相比，GB/T 31486-2015取消了針對單體電池的高低溫性能、放電倍率性能、荷電保持與容量恢復能力、存儲等方面的要求，但是增加了針對模組的常溫充放電倍率性能、高低溫性能、荷電保持與能量恢復能力等相關要求，具體內容的對比如下： 　　從以上對比可以看出，GB/T 31486-2015重點強化模組級的電性能測試，弱化了電池單體級別的電性能測試，從整車級別來考慮，這是合理的。電池廠家給整車廠供貨的時候，一般是提供模組級產品或系統(tǒng)級產品，國標更多的集中在針對電動汽車“零部件級”的產品測試，而針對電池單體的電性能測試，應由整車廠與電池企業(yè)共同確定相關檢驗項目和測試要求，并在電池企業(yè)內部或委托外部機構完成相關測試驗證，不作為強制性的標準要求。 　　三、GB/T 31467-2015標準解讀 　　如果說GB/T 31484、GB/T 31485、GB/T 31486是側重于電池單體和模組層級的檢驗規(guī)范，那么GB/T 31467毫無疑問是側重于電池包或電池系統(tǒng)級的檢驗規(guī)范。通過標準的相互銜接和組合，可以覆蓋不同的零部件等級，達到更好的效果。 　　在本標準里面，引入了動力電池包和動力電池系統(tǒng)這兩個概念，兩者的主要差別在于是否包含電池控制單元BCU(等同于電池管理系統(tǒng)BMS的主控單元)。 　　針對動力電池包的測試，在測試過程中，所有的參數都依賴于外部測試平臺來檢測，動力電池包與測試平臺之間無通信和數據交換，產品相關的主動功能(包括加熱/冷卻功能)也由測試平臺來控制。測試平臺檢測動力電池系統(tǒng)的電壓、電流、容量、能量等參數，作為檢測結果和計算依據。 　　針對動力電池系統(tǒng)的測試，在測試過程中，系統(tǒng)內部的參數由BCU來檢測，BCU與測試平臺之間進行實時通信，傳輸測試必須的數據，產品相關的主動功能也由BCU來控制。測試平臺檢測動力電池系統(tǒng)的電壓、電流、容量、能量等參數，作為檢測結果和計算依據。 　　1. GB/T 31467.1-2015 　　GB/T 31467.1-2015標準針對功率型動力電池包/系統(tǒng)的容量、能量、功率、效率、荷電保持等基本性能的測試規(guī)程做了比較明確的規(guī)定，為檢驗檢測提供了標準依據。 　　功率型電池主要應用于混合動力汽車，起到能量回收和動力輔助輸出的作用，達到一定的節(jié)油和減排效果。因此要求倍率性能突出(比功率要大)，內阻小，發(fā)熱量低，循環(huán)壽命長。針對功率型電池包/電池系統(tǒng)，標準提供了較為詳細的測試規(guī)程，但是并沒有提供判定合格的依據，具體的判斷條件，取決于電池或整車企業(yè)提供的產品規(guī)格書所規(guī)定的數值。 　　具體的測試方法，詳見標準文件，不在本文列出。標準中沒有規(guī)定統(tǒng)一的判斷依據，主要是因為到了動力電池系統(tǒng)這個層級，不同產品的指標差異較大，而每家企業(yè)的技術實力也不一樣，所以量化的指標已經不取決于電池，而是取決于電池系統(tǒng)的綜合性能(如電池性能，能量管理性能，熱管理性能等)?；诖艘蛩?，檢驗項目的判斷標準，應來自于產品規(guī)格書所規(guī)定的參數，滿足產品的規(guī)格即為合格。 　　2. GB/T 31467.2-2015標準解讀 　　GB/T 31467.2-2015標準針對能量型動力電池包/系統(tǒng)的容量、能量、功率、效率、荷電保持等基本性能的測試規(guī)程做了比較明確的規(guī)定，為檢驗檢測提供了標準依據。 　　能量型電池主要應用于純電動汽車和插電式/增程式混合動力車，作為車輛的唯一動力來源或重要動力來源，具有良好的節(jié)能和減排效果。能量型動力電池系統(tǒng)要求存儲的能量多(比能量)，高低溫性能好，循環(huán)壽命好。針對能量型電池包/電池系統(tǒng)，標準提供了較為詳細的測試規(guī)程，但是并沒有提供判定合格的依據，具體的判斷條件，取決于電池或整車企業(yè)提供的產品規(guī)格書所規(guī)定的數值。 　　與GB/T 31467.1-2015相比，GB/T 31467.2-2015取消了高低溫啟動功率這一測試項，其他測試項相同，僅測試的要求有所區(qū)別(針對不同的應用需求)。 　　3. GB/T 31467.3-2015標準解讀 　　前兩個標準主要集中在電性能測試，本標準則主要針對安全要求和測試方法做了明確的規(guī)定。本標準結合GB/T 31485-2015，就構成了從電池單體、模組、到動力電池包和動力電池系統(tǒng)的完整的化學能防護規(guī)范。 　　從測試內容看，針對系統(tǒng)級的安全防護主要集中在以下幾個方面： 　　1) 機械載荷——振動、機械沖擊、跌落 　　2) 事故自保護——碰撞、擠壓、海水浸泡、外部火燒 　　3) 環(huán)境適應性——溫度沖擊、濕熱循環(huán)、鹽霧腐蝕、高海拔 　　4) 濫用——過溫、短路、過充、過放 　　針對系統(tǒng)級的安全防護要求，此前是缺失的，本次新國標的發(fā)布，基本上彌補了這方面的空白。當然，國標的內容僅僅涉及最基本的安全防護，企業(yè)在產品的研發(fā)、生產和使用過程中，需要根據車輛和動力電池系統(tǒng)的實際情況，制定更為嚴格更為完善的安全防護體系。 　　四、GB/T 18384-2015標準解讀 　　GB/T 18384在2001年發(fā)布第一版之后，在今年發(fā)布了修訂后的第二版。本標準可以看作從整車層面針對電動汽車動力系統(tǒng)所提出的安全通則，共分3個部分，更側重于針對電能和電磁能的安全規(guī)范和故障保護。 　　標準適用于3.5噸以下的電動乘用車或電動商用車。GB/T 18384主要對標ISO 6469標準，兩個標準的主要內容基本相同。 　　1. GB/T 18384.1-2015標準解讀 　　GB/T 18384.1-2015針對電動汽車的車載儲能裝置(動力電池系統(tǒng))提出了保護駕駛員、乘客、車輛外人員和外部環(huán)境的安全要求。 　　從2001版到2015版本，標準調整了適用電壓范圍，修改了絕緣電阻的要求，增加了針對產生熱量的要求，并刪除了針對碰撞防護的要求。 　　標準還對絕緣電阻的測試條件做了明確的規(guī)定，要求在露點階段進行多次測量，取絕緣電阻的最小值，比第一版本更為嚴格。此外，絕緣電阻的計算方法做了修訂，具體內容請參考標準文稿。 　　2. GB/T 18384.2-2015標準解讀 　　GB/T 18384.2-2015針對整車(包括動力電池系統(tǒng))提出了操作過程、故障防護、用戶手冊、緊急響應等方面的安全要求。 　　針對操作安全，2015版刪除了主開關和輔助功能的要求。 　　針對故障防護，刪除電氣連接，輔助電路和過流切斷的要求，增加了故障安全和單點失效的要求。顯然，修改之后的涵蓋面更為廣泛，只要是可能導致安全事故的單點失效/故障，都應該在設計時予以考慮。 　　另外，還增加了緊急響應的要求，這對于事故處理(如滅火，救災等)非常關鍵，如果處理不當，所造成的次生災害可能更為嚴重，所以廠家必須提供詳細的故障處理指南或手冊。 　　3. GB/T 18384.3-2015標準解讀 　　GB/T 18384.3主要是如何防護電動汽車車載電力驅動系統(tǒng)和傳導連接的輔助系統(tǒng)可能造成的人員觸電危害。 　　由于標準內容較多，此處不一一列出相關檢驗項目的具體內容，有興趣可直接參考標準文稿。 　　GB/T 18384.3-2015版本大大強化了針對人員觸電防護的要求，增加了對絕緣電阻、電容耦合、斷電、絕緣要求、絕緣配合等方面的內容，并對其他一些項目的內容做了必要的修改。修改后的版本，比2001版考慮的更為全面，雖然是針對整車級別的要求，但是動力電池系統(tǒng)可以直接參照其中的部分要求進行設計和檢驗。 　　五、總結 　　標準不是萬能的，但是沒有標準是萬萬不能的。隨著新版國標的陸續(xù)發(fā)布，國內在電動汽車的發(fā)展方面已經不再一味追求速度快和規(guī)模大，而是立足于產業(yè)的長遠發(fā)展，逐步建立一個基礎性的入圍門檻和通用化的檢驗標準，讓大家在一個相對公正和透明的環(huán)境里進行競爭與合作，有利于行業(yè)的良性發(fā)展。 　　我們應該看到，國標的制定，更多的參考了國外已有的標準體系，這是可取之處，吸收他人已有的經驗，可以少走很多彎路。但是，一味追隨別人的腳步，并不能使我們在全球競爭脫穎而出，掌握足夠的技術優(yōu)勢和話語權，我們更需要積累和探索中國自己的產業(yè)標準體系和法律法規(guī)，形成自己的獨到之處，并且要讓自己的標準走出國門，推動全球標準的完善。 　　行百里者半九十，雖然前路依然困難重重，但重要的是我們走在正確的道路上，并且正持續(xù)不斷的進步。希望國內的企業(yè)，少些浮躁，多些積累，少些沖動，多些審慎，為了維護產業(yè)的健康發(fā)展，為了千百萬消費者的人身和財產安全，嚴格遵守國標進行產品設計、開發(fā)、檢驗、生產、維護和回收，勇于承擔社會責任，具有最起碼的人性和良心。（專欄作者 夏軍）