电动两轮车用锂离子电池组标准对比分析

龚明光

摘 要：随着2019年新国标的实施，轻量化成为电动两轮车新国标时代的大势，在相同的体积下，锂离子的容量和能量均远高于传统的铅酸电池，并且随着锂离子产业的规模化，瓦时单价也在不断降低，质量更轻的锂离子电池成为两轮电动车的更优选择。在锂离子电池快速发展的同时，因电池生产厂家质量良莠不齐、电池组未执行强制检验、用户使用不当等原因导致的电池起火、爆炸安全事故频发。本文旨在对现有两轮车用锂离子电池相关标准进行对比分析，研究标准中锂离子电池组检验项目的异同点，以及标准在实际应用中的问题。

关键词：两轮车 锂离子电池 标准

1 引言

目前国内有关电动两轮用锂离子电池标准主要为QB/T2947.3-2008[1]、GB/T 36972-2018[2]以及GB/T 36672-2018[3]，国际上主要是ISO 18243-2017[4]的标准。其中QB/T2947.3-2008、GB/T 36972-2018的测试对象电动自行车电池组，GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017试验对象为电轻摩和电动摩托车电池系统。试验项目主要分为电性能、机械安全、环境安全以及电安全四个维度，表1列出了这四部标准关于电池及电池组检测的主要检测项目。

1.1 电性能

1.1.1 室温放电容量

四个标准在室温放电性能的环境温度要求和放电倍率不完全相同，QB/T2947.3-2008常温放电的环境温度为15～35℃，放电倍率为0.1C，试验可以重复5次，放电容量不低于额定容量的100%。此外还有0.5C放电测试，容量要求不低于额定值的90%。GB/T 36972-2018常温放电的环境温度要求试23±2℃，放电倍率为0.5C，重复3次，3次测试结果的平均值为室温放电初始容量，电池组放电容量应在第三次或之前达到额定容量，此外还增加1C放电倍率的测试要求，要求不低于初始容量的95%。GB/T 366772-2018室温放电的环境温度为25±2℃，放电倍率为1C，可以重复5次，当连续3次试验结果的极差小于额定容量的3%，可提前结束试验，取最后3次试验结果平均值。放电容量不低于额定容量且不超过额定容量的110%，与GB/T 31486-2015中的要求保持一致[5]。ISO 18243-2017常温放电容量的环境温度同样为25±2℃，放电倍率为C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商规定）。

1.1.2 低温放电容量

四个标准在低温放电性能的环境温度要求和放电倍率不完全相同QB/T2947.3-2008低温放电温度为-10℃，放电倍率仅为0.1C，要求放电不低于额定值的75%。GB/T 36972-2018低温放电的环境温度为-20℃，放电倍率提高到1C，要求放电容量不低于初始容量的70%。GB/T 36672-2018电池组对低温放电没有规定，但其规定了模组的低温放电要求，且和GB/T 31486-2015保持一致，放电温度同样为-20℃，放电为1C，放电容量不低于初始容量的70%. ISO 18243-2017对低温放电的温度点则最高提高至2个，即0℃和Tmin（≤-10℃），而放电倍率为C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商规定）。ISO 18243-2017不仅考虑了温度，还考虑了放电倍率，是四个标准中对低温性能规定最为全面的。

1.1.3 高温放电容量

和低温放电容量类似，四个标准在低温放电性能的环境温度要求和放电倍率不完全相同QB/T2947.3-2008高温放电温度为40℃，放电倍率仅为0.1C，要求放电不低于额定值的95%。GB/T 36972-2018高温放电的环境温度为55℃，放电倍率为1C，要求放电容量不低于初始容量的90%。GB/T 36672-2018對模组的高温放电容量温度以及放电倍率和GB/T 36972-2018保持一致，放电容量要求不低于初始容量的90%. ISO 18243-2017对高温放电的温度定义和QB/T2947.3-2008一致，都是40℃，所不同的是放电倍率有C/3、1C、2C以及Idmax（由制造商规定）四种。

1.1.4 荷电容量保持与恢复能力

储存性能测试一般包含室温和高温储存两种模式，SOC一般为满电态和半电态。其中QB/T2947.3-2008仅规定了常温荷电保持能力，无荷电恢复能力及满电态的电池组搁置30天后以0.1C放电获得的容量，其与额定值的百分比记为荷电保持能力，要求不低于80%。GB/T 36972-2018有两种储存模式，一种是20±5℃储存28天，另外一种是50%SOC储存90天，其中28天储存后容量不低于80%，荷电恢复能力不低于初始容量的90%;90天储存后荷电恢复能力不低于85%。GB/T 36672-2018中的荷电保持与容量恢复能力试验对象为电池模组，要求与GBT31486-2015一致。ISO 18243-2017中储存分为室温满电储存37天、40℃（或更高温度）满电储存37天以及45℃50%SOC（或更高）三种储存条件，但对试验结果仅要求记录，并无明确的数值符合性判定。

1.1.5 循环寿命

四个标准对循环寿命测试的环境温度均是在常温或室温，其中QB/T2947.3-2008要求循环500次后，放电容量不低于额定容量的60%（100次后不低于85%），放电倍率0.1C。GB/T 36972-2018对循环寿命的要求试23±2℃条件下，循环600次后容量不低于初始容量的60%，放电倍率为0.5C，高于QB/T2947.3-2008的要求。GB/T 36672-2018标准中循环寿命的测试温度与前两部标准略有不同，为25±2℃，循环容量要求也高于前面两部标准，要求300次后放电容量不低于90% 或者600次后放电容量不低于80%，并且放电条件也更加严苛，放电倍率提升至1C水平。

1.1.6 功率内阻

内阻是评估锂离子电池性能的重要指标。目前，锂离子电池内阻测试的方法很多，主要有交流内阻[6]、直流内阻[7]和电化学阻抗谱（EIS）测试[8]等方法。四部标准中仅GB/T 36972-2018和ISO 18243-2017两部标准局对内阻有要求，其中GB/T 36972-2018采用1kHz的交流法测的，其反应的主要是电池本身的欧姆电阻，而ISO 18243-2017则规定了4个温度点（40℃、RT、0℃、-10℃），3种SOC（90%、50%、20%）几种测试个工况，采用直流法测试0.1～120s放电功率内阻以及0.1～20s充电功率内阻，其不仅反应了电池组本身的欧姆电阻，也考虑了充放电过程中的瞬时极化内阻。有鉴于此，建议GB/T 36672-2018修订时应考虑加入功率内阻测试。

1.2 机械可靠性

1.2.1 振动测试

四部标准对振动的方向、振动时间、振幅和频率有较大差别，其中QB/T2947.3-2008振动方式为定频振动，规定试验对象大面方向固定在振动台，施加振幅2mm，频率16.7Hz，振动时间1h，要求试验后外壳不变形，不超过规定的外形尺寸范围;试验前后开路电压不超过±0.2n*V，单不要求试验后进行充放电。且电池组不泄漏、不起火和不爆炸。GB/T 36972-2018振动方式为扫频循环，频率10Hz～55Hz，单次循环时间90min，振动方向为X、Y、Z三个方向，振动后电池组应不泄漏、不起火、不爆炸，放电容量应不低于初始容量的95%。GB/T 36672-2018和ISO 18243-2017两部标准中振动测试方法基本一致，均参照了《联合国危险物品运输试验和标准手册》的第3部分38. 3款的振动测试方法，X、Y、Z三个方向，每个方向180min，单次扫频循环15min，共12个循环。振动条件按照样品质量进行划分，12kg以下峰值加速度1g从7Hz到18Hz，保持振幅0.8mm，频率增加至最大加速度达到8g，并保持8g扫频到200Hz，12kg以上以峰值加速度1g从7Hz扫频至18Hz，然后保持振幅0.8mm，频率增加直到最大加速达到2g，保持2g加速度扫频到200Hz，要求振动后无泄漏、外壳破裂、起火、爆炸等现象，并且绝缘电阻不低于100Ω/V。建议开展符合两轮车应用的振动路谱研究工作，研究符合两轮车的振动测试工况。

1.2.2 机械冲击

四部标准中除QB/T2947.3-2008外，其余三部标准均包含机械冲击测试项目，GB/T 36672-2018以及ISO 18243-2017两部标准机械冲击测试条件基本一致，和振动一样，同样是参照UN38.3机械冲击方式，机械冲击方向为6个方向，分别为±X、±Y和±Z，每个方向冲击3次，共18次。冲击波形均为半正弦波，分为150g/6ms和50g/11ms两种加速度脉宽，要求试验后系统保持连接可靠、结构完好，系统的最小监控单元无电压锐变，系统无泄漏、外壳破裂、着火、爆炸等现象，试验后绝缘电阻值不小于100Ω/V。GB/T 36972-2018规定在电池组三个互相垂直的方向上各承受三次等值的冲击，至少要保证一个方向与水平面垂直，要求试验后不起火、不爆炸、不泄漏。

1.3 环境可靠性

1.3.1 温度冲击

四部标准中均对温度冲击有相应的测试规定，对样品的要求均为满电态，在温度、温度转换时间以及时间有所不同，QB/T2947.3-2008温度冲击试验温度范围-40℃～85℃，试验从低温开始，每个温度下保持1h，循环32次。GB/T 36972-2018温度冲击高低温以及温度速率均低于QB/T2947.3-2008，为72℃～20℃～-20℃～20℃，且试验从高温开始，其中72℃和-20℃每个温度点保持4h，20℃保持2h，试验结束后还需要在20℃±5℃的环境中观察7天。GB/T 36672-2018温度冲击则是引用了GBT31467.3-2015[9]的标准，温度范围-40～85℃，每个温度保持8h，共5次循环，ISO 18243-2017温度循环的测试方法和要求与GB/T 36672-2018类似，不同的是初始SOC降至80%，最高温度为85℃或企业规定的最高温度（不低于60℃），高低温转换温度需要在30min内，每个温度点最小保持1h，共进行5次循环。

1.3.2 湿热循环

湿热循环测试主要分为恒温恒湿和交变温度湿热两种。GB/T 36972-2018没有该项测试，其余三部标准测试项目中均包含该测试项目，其中QB/T2947.3-2008采用恒温恒湿的测试方法，要求温度40℃，湿度90%～95%条件下保持48h。其余兩部标准均采用交变湿热的测试方法，温度范围25～80℃，湿度范围55%～95%，每个循环5h，共5个循环。

1.3.3 低气压

GB/T 36972-2018对低气压要求最为严苛，气压为11.6kPa（模拟海拔15420m高度），而GB/T 36672-2018规定的气压值为61.2kPa，对应的是4000m的海拔高度，显然前者侧重于是运输中的要求，而GB/T36672-2018更偏向于实际应用的海拔要求。而另外两部标准未涉及到低气压的测试项目。结合试验对象、运输条件、应用场景，11.6kPa比较符合两轮车电池组实际运输的要求。

1.3.4 防护测试

防护测试包含防尘防水等级测试，一般参照GB4208-2017[10]中的相关测试方法和要求。QB/T2947.3-2008要求浸水深度为浸没，且持续24h，要求不泄漏、不冒烟、不起火或不爆炸，GB/T 36972-2018除水温要求为20±5℃，其余测试条件和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 安全测试

安全测试包含机械滥用、电滥用等几个方面。其中机械滥用安全主要包含挤压、针刺、跌落等试验项目，电滥用主要考察电池组BMS的保护功能，如过充保护、过放保护、过流保护、短路保护以及过流保护等。

1.4.1 挤压

挤压主要目的是考察电池组在收到外部机械力作用下，电池组外壳以及内部电芯以及连接部件的状态。QB/T2947.3-2008未对电池组挤压有要求，只规定了组成电池组的单体电池应进行横向和纵向挤压，挤压程度为单体电池变形1mm～3mm，GB/T 36972-2018则个则规定电池组应收到30kN或者形变量达到30%，并保持5min。要求挤压方向是单体电池排列方向和挤压头垂直。另外两部标准液未对电池组有挤压的要求，不同的是GBT36672-2018中有对模组挤压的要求，满足GBT31485-2015中对模组挤压的要求，从实际应用的角度，两轮车的行驶速度远低于电动汽车，且新发布的标准GB38031-2020已取消模组的安全测试要求，并且对电池包的挤压力要求由之前的200kN降低至100kN。纵观这四部标准，GB/T36972-2018对挤压的要求更加符合实际的应用要求。

1.4.2 机械冲击

除QB/T2947.3-2008外，其余三部标准对电池组均有机械冲击测试项目，其中GB/T36972-2018要求电池组在三个互相垂直的方向各承受三次冲击，并且至少要保证一个冲击方向与水平面垂直，冲击加速度150g，脉宽6ms。GBT36672-2018和ISO 18243-2017的机械冲击测试参数基本一致，机械冲击方向均为±X、±Y、±Z六个方向，每个方向冲击次数3次。按照电池组质量划分成两组，不超过12kg的电池组冲击参数为150g、6ms，超过12kg的电池组冲击参数为50g、11ms。

1.4.3 跌落

跌落测试模拟了电池在运输过程及用户异常使用遭遇跌落后电池组的安全性能。四部标准都规定了跌落的测试要求，均为自由跌落，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，每个方向1次，跌落地面要求试20mm厚的硬木板台面。而GB/T 36972-2018对跌落的高度提高至1000mm，跌落方向X、Y、Z，每个方向1次。GB/T 36672-2018则参考了GB/T31467.3-2015[9]的要求，跌落高度为1000mm，方向仅为Z方向，跌落次数仅为1次，跌落台面要求为水泥地面。ISO 18243-2017对跌落的情况分为两种情况，其中一种是1000mm自由跌落至水泥地面，每个方向一次，另外一种测试条件是最可能出现跌落的方向，需要跌落3次。

1.4.4 海水浸泡

海水浸泡项目的测试目的是评价电池组浸泡在海水中总正负极端子短路或者壳体密封失效，电芯正负极端子短路引起的电安全。仅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含该项测试，测试方法基本相同，均是5%NaCl浸泡2h，要求不起火，不爆炸。

1.4.5 外部火烧

GBT36972-2018针对非金属壳体要求其阻燃性滿足GB/T5169. 16—2017要求，但对电池组有外部火烧的要求。仅有GB/T36672-2018和ISO 18243-2017包含该项测试，两部标准中对外部火烧的测试方法基本一致，但要求略有不同，前者要求电池组无爆炸现象，若有火苗应在火源移后2min内熄灭，ISO 18243-2017则仅要求无爆炸现象，两轮车电池组一般使用金属和非金属两种材料，阻燃材料经过能够起到一定的阻燃作用，但是一旦着火在也很难满足2min熄灭的要求，就应用来说，除无爆炸的要求外，应增加着火报警的功能。

1.4.6 电滥用安全

电滥用安全包含不带保护的电滥用以及电气保护测试，GB/T36972-2018包含了不带保护的电滥用完全测试，但是随着目前锂离子电池比能量密度的不断提升，其中有些测试项目需要商榷再评估，如过充电的条件要求5V*n持续24h，就系统而言应该更加注重系统的电气保护测试，其主要评价电池组BMS的保护功能，主要包含过充保护、过放保护、过流保护、短路保护及过温保护等。这些测试项目的目的都是评价在电池组电滥用条件下，BMS能够起到保护作用。在具体测试条件上，主要有充放电电流、时间的差异等，此外在短路保护测试时，外部电阻主要有80±20mΩ以及5mΩ以下两种条件。除了BMS这些保护功能外，还应增加低温保护、反极保护能一些贴近实际应用场景的评价项目。

2 结论

四部标准尽管都是两轮车用锂离子标准，但是QB/T2947.3-2008和GB/T36972-2018主要面向电动自行车，而GBT36672-2018和ISO 18243-2017主要面向电轻摩和电动摩托车，四部标准在测试项目设置上总体比较一致，但是在具体的测试条件仍存，在不少差异性。其中GBT36972-2018覆盖的测试项目最广，但是其中不带BMS保护测试的一些评价项目可能过于严苛，两轮车用锂离子标准应该更加符合电池使用场景的实际情况，如应该更加关注机械可靠性测试后的浸水安全以及BMS电气保护功能的可靠性等一些评价项目。

参考文献：

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