電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了優(yōu)化電池在正常工作條件下的性能，并以保護(hù)電池為主要目的，但電池的工作條件總是超出其正常工作范圍。鋰離子電池測(cè)試一般分為三類(lèi)：①表征和性能測(cè)試；②濫用測(cè)試；③認(rèn)證測(cè)試。

表征和性能測(cè)試評(píng)估特定測(cè)試條件下電池性能的變化。特性測(cè)試通常使用電池測(cè)試來(lái)了解電池、模塊、電池或系統(tǒng)在特殊條件下的基本性能。

 

濫用測(cè)試通過(guò)將鋰離子電池置于濫用條件下的故障狀態(tài)來(lái)評(píng)估其安全性。濫用試驗(yàn)包括過(guò)充電試驗(yàn)、高壓試驗(yàn)、針刺試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)等。

濫用測(cè)試的主要目的是發(fā)現(xiàn)電池和電池組安全運(yùn)行的極限條件。認(rèn)證測(cè)試需要完成認(rèn)證機(jī)構(gòu)要求的一整套電池測(cè)試，重點(diǎn)有很多。例如，聯(lián)合國(guó)制定了危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)臏y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以確保貨物可以通過(guò)船運(yùn)、空運(yùn)或公路運(yùn)輸。

 

鋰離子電池測(cè)試一般分為三類(lèi)：①表征和性能測(cè)試；②濫用測(cè)試；③認(rèn)證試驗(yàn)

在電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電池工程師應(yīng)收集足夠的信息，以滿(mǎn)足客戶(hù)在制定設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、規(guī)劃和報(bào)告協(xié)議時(shí)的要求。設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、規(guī)劃和報(bào)告協(xié)議應(yīng)包括所有待執(zhí)行測(cè)試的具體細(xì)節(jié)，包括電池測(cè)試單元的數(shù)量、測(cè)試持續(xù)時(shí)間、測(cè)試地點(diǎn)以及電池測(cè)試失敗或成功的標(biāo)準(zhǔn)。

下表提供了一個(gè)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、規(guī)劃和報(bào)告解決方案的示例。除了上述需要完成的測(cè)試、電池測(cè)試相關(guān)要求、認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)外，該解決方案還包括一份有準(zhǔn)確記錄的電池測(cè)試報(bào)告。報(bào)告是最新的，設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程通常記錄在表格中，這既簡(jiǎn)單又易于管理。

 

電池測(cè)試和表征

電池性能測(cè)試通常分幾個(gè)階段進(jìn)行，從電池特性開(kāi)始。電池表征的目的是確定電池在某些操作標(biāo)準(zhǔn)下的性能。

這使得系統(tǒng)工程師能夠設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，確保電池不會(huì)在這個(gè)范圍之外運(yùn)行。表征通常是一系列充電/放電循環(huán)，在同一電池測(cè)試循環(huán)期間在多個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

表征電池測(cè)試通常使用“循環(huán)器”或“通道”，為電池、模塊或電池組提供電流和功率，電池組由提供可編程特性的獨(dú)立單元控制，最后在熱盒中進(jìn)行電池測(cè)試。

確保電池在測(cè)試過(guò)程中溫度相同。熱盒使電池、模塊或電池組能夠在特定溫度下進(jìn)行測(cè)試，通常為-40至60℃及以上。

除了性能測(cè)試外，在表征階段還必須進(jìn)行一定量的循環(huán)壽命測(cè)試。此電池測(cè)試的目的是確保電池在使用壽命結(jié)束時(shí)達(dá)到所需的功率和能量，并確保電池達(dá)到其保修目標(biāo)。

表征測(cè)試由許多測(cè)試組成，其中回路測(cè)試可能是表征測(cè)試中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的部分，根據(jù)電池尺寸的不同，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一年。

 

 

例如，常見(jiàn)的情況是，大型10~16kWh插電式混合動(dòng)力汽車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)的電池循環(huán)壽命測(cè)試需要400~420天才能完成，因?yàn)樵诔浞烹姕y(cè)試中，電能必須充滿(mǎn)或放電，并且在電池組的放電和充電過(guò)程中需要充電（循環(huán)）和休息時(shí)間。

在這個(gè)例子中，你可以很幸運(yùn)地每天完成一個(gè)循環(huán)。例如，如果你在120V和15A（約1℃）下用10.5kWh的可用能量測(cè)試雪佛蘭Volt的電池，你需要在3到4小時(shí)內(nèi)給電池充滿(mǎn)電，然后再次給電池放電。

如果電池每天充放電一次，持續(xù)10年，每年365次，10年3650次。因此，即使每天進(jìn)行三次循環(huán)，也需要1200多天（超過(guò)3年）才能完成此電池測(cè)試計(jì)劃！

如果測(cè)試單個(gè)細(xì)胞，特別是當(dāng)細(xì)胞相對(duì)較小時(shí)，它可以每天循環(huán)多次。在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、規(guī)劃和報(bào)告協(xié)議時(shí)，必須對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試。因此，為了節(jié)省時(shí)間，可以直接對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。

 

FreedomCAR電池測(cè)試手冊(cè)由先進(jìn)電池聯(lián)盟于2003年制定，電池測(cè)試包括：

▎靜態(tài)容量測(cè)試-此電池測(cè)試的目的是確定特定放電速率下的電池容量。

▎容量損失–測(cè)試特定速率下不可逆容量的損失。

▎混合電源脈沖特性（HPPC）測(cè)試–測(cè)試電池或電池是否能夠達(dá)到性能目標(biāo)。混合脈沖表征測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單，通常涉及非常短的放電時(shí)間，在充電前停滯一段時(shí)間，然后重復(fù)這些過(guò)程。

 

 

經(jīng)過(guò)這些測(cè)試，可以獲得大量數(shù)據(jù)，包括放電深度與阻抗之間的關(guān)系、脈沖功率容量、不同放電深度下的能量和功率可用性、循環(huán)過(guò)程中的功率和能量損失、電池的最大和最小放電值、運(yùn)行過(guò)程中釋放的熱量等。

剩余的特性測(cè)試也應(yīng)包括在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、規(guī)劃和報(bào)告協(xié)議中：

▎自放電測(cè)試–幫助電池設(shè)計(jì)確定電池存儲(chǔ)過(guò)程中的能量損失。

▎冷啟動(dòng)測(cè)試–測(cè)試電池在低溫下可以提供多少功率來(lái)啟動(dòng)或重新啟動(dòng)汽車(chē)。

▎熱性能測(cè)試——不同溫度下的功率和能量可用性。

▎能源效率測(cè)試——整體系統(tǒng)能源效率，運(yùn)行過(guò)程中的能源損失。

▎循環(huán)壽命測(cè)試–在預(yù)設(shè)的運(yùn)行環(huán)境中可以回收多少圖形。

▎時(shí)間壽命測(cè)試–確定電池可以運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。

這只是眾多表征測(cè)試中的一個(gè)例子。在工業(yè)和消費(fèi)者應(yīng)用中，有些特性測(cè)試是相似的，有些則完全不同。

基于鉛酸電池的評(píng)估測(cè)試已經(jīng)應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域。雖然本次電池測(cè)試主要針對(duì)電池和啟動(dòng)/停止電池，但對(duì)于啟動(dòng)/停止鋰離子電池也是一個(gè)很好的參考。

 

安全性和濫用測(cè)試

安全和濫用電池測(cè)試涵蓋了廣泛的主題，包括單個(gè)電池或整個(gè)電池的過(guò)度充電、電池和電池的針刺測(cè)試、模擬沖擊和振動(dòng)測(cè)試、在電池外殼上噴灑腐蝕性鹽溶液和礫石，以及高壓水沖擊。

并非所有應(yīng)用程序都需要測(cè)試上述項(xiàng)目。在選擇安全和濫用測(cè)試時(shí)，測(cè)試應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)、應(yīng)用和地理位置進(jìn)行選擇。

 

 

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2006年發(fā)布的《FreedomCAR電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)濫用測(cè)試手冊(cè)》提供了一個(gè)良好的動(dòng)力電池濫用測(cè)試框架、測(cè)試條件和需要記錄的數(shù)據(jù)。

 

FreedomCAR濫用電池測(cè)試主要分為三類(lèi)：

▎機(jī)械濫用測(cè)試——包括沖擊、銷(xiāo)、跌落、浸入、側(cè)翻、振動(dòng)。

▎熱濫用測(cè)試——包括耐熱性、模擬燃料火災(zāi)、高溫儲(chǔ)存、快速充電和快速放電、熱沖擊。

▎電氣濫用測(cè)試-過(guò)充電、高電壓、短路、過(guò)放電和電壓反轉(zhuǎn)、部分短路。

FreedomCAR電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)濫用測(cè)試基于先進(jìn)電池聯(lián)盟于1999年制定的第一個(gè)濫用測(cè)試指南。FreedomCAR的許多測(cè)試也包括在USCAR濫用測(cè)試中。

 

USCAR濫用測(cè)試包括：

▎機(jī)械濫用測(cè)試——沖擊、跌落、針刺、翻滾、滲透和擠壓。

▎熱濫用測(cè)試——熱輻射、耐熱性、中性隔熱、過(guò)熱/熱失控、熱沖擊、高溫儲(chǔ)存測(cè)試。

▎電源濫用測(cè)試——短路、部分短路、過(guò)充電、過(guò)放電、電壓反轉(zhuǎn)。

 

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)：

在美國(guó)和歐洲，濫用測(cè)試的結(jié)果幾乎都是使用FreedomCAR危險(xiǎn)等級(jí)或EUCAR危險(xiǎn)級(jí)別進(jìn)行評(píng)估的（見(jiàn)表1）。這兩個(gè)系統(tǒng)是相同的。FreedomCAR系統(tǒng)是在EUCAR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，因此本質(zhì)上，這兩個(gè)系統(tǒng)共享相同的濫用測(cè)試和評(píng)估系統(tǒng)。在實(shí)踐中，世界上大多數(shù)鋰離子電池制造商都認(rèn)可這兩種評(píng)估系統(tǒng)。

評(píng)估系統(tǒng)級(jí)別在0到7之間。0級(jí)意味著對(duì)電池或電池沒(méi)有影響，而7級(jí)則被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)爆炸或能量快速釋放。理想的結(jié)果是，在第0、1和2階段，被動(dòng)保護(hù)開(kāi)啟，造成輕微損壞，但沒(méi)有氣體、火災(zāi)、破裂和結(jié)構(gòu)松動(dòng)。

4至7級(jí)更難解決，通常需要額外的系統(tǒng)保護(hù)措施。當(dāng)電池氣體、電解液損失超過(guò)50%時(shí)，可以認(rèn)為是4級(jí)；當(dāng)測(cè)試到火焰或電池起火時(shí)，可以認(rèn)為是5級(jí)；細(xì)胞破裂，但沒(méi)有物質(zhì)濺出，可以認(rèn)為是6級(jí)；當(dāng)電池爆炸，電池部件向外飛，核心結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)，這被認(rèn)為是7級(jí)。

2014年，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）制定了與儲(chǔ)能系統(tǒng)安全相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，其中包括所有工業(yè)、電網(wǎng)、固定和家用儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、認(rèn)證和安裝的所有法律、法規(guī)、指南、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。

隨著鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用不斷增長(zhǎng)，法律法規(guī)需要與技術(shù)相適應(yīng)，本規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)起到了示范作用。

 

認(rèn)證電池測(cè)試

認(rèn)證測(cè)試主要有兩個(gè)目標(biāo)：

① 證明產(chǎn)品是否適用于某一領(lǐng)域，如DNV測(cè)試，主要是證明電池組是否適用于海洋領(lǐng)域；美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）進(jìn)行的電池測(cè)試，以確定電池組是否可用于機(jī)動(dòng)車(chē)；保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）電池測(cè)試驗(yàn)證電池是否適用于家用電器和家用生活。

② 確保運(yùn)輸過(guò)程中人員和設(shè)備的安全。這主要是由聯(lián)合國(guó)關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)奶岚笡Q定的，這些提案由不同國(guó)家結(jié)合本國(guó)的運(yùn)輸條例實(shí)施。

 

聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)：

鋰離子運(yùn)輸電池測(cè)試手冊(cè)是在幾起涉及鋰離子的重大空中事故后編寫(xiě)的。《聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸手冊(cè)》第38.3節(jié)明確規(guī)定，鋰金屬和鋰離子電池在運(yùn)輸前必須通過(guò)手冊(cè)中提及的測(cè)試。第38.3節(jié)描述了鋰離子電池的非常詳細(xì)的測(cè)試方法，以確保鋰離子電池運(yùn)輸過(guò)程中人員和其他設(shè)備的安全。

 

 

美國(guó)運(yùn)輸局（U.S.Dot）和許多其他國(guó)家只承認(rèn)聯(lián)合國(guó)認(rèn)證的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸電池測(cè)試。然而，一些國(guó)家要求電池在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)之前必須在國(guó)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

聯(lián)合國(guó)手冊(cè)在電池、模塊和電池組認(rèn)證測(cè)試方面各不相同，但通常包含八個(gè)項(xiàng)目。

并非所有八項(xiàng)測(cè)試都必須執(zhí)行，但必須進(jìn)行評(píng)估以確定是否需要完成。例如，如果手冊(cè)指示電池沒(méi)有過(guò)充電，則可能不會(huì)進(jìn)行T7過(guò)充電電池測(cè)試。

這在當(dāng)時(shí)必須進(jìn)行測(cè)試，后來(lái)被大多數(shù)電池公司放棄。主要原因是大多數(shù)電池和小型電池組都沒(méi)有安裝過(guò)充電保護(hù)，電池測(cè)試肯定會(huì)失敗，但后續(xù)的電池系統(tǒng)會(huì)設(shè)計(jì)和安裝適當(dāng)?shù)倪^(guò)充電保護(hù)措施，因此無(wú)需對(duì)電池進(jìn)行過(guò)充電測(cè)試。

同樣，對(duì)于大型電池測(cè)試，通過(guò)電池和模塊測(cè)試后不需要重新認(rèn)證。對(duì)于插電式混合動(dòng)力車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)和固定設(shè)計(jì)的電池組，電池測(cè)試費(fèi)用為1萬(wàn)至1.5萬(wàn)美元，而對(duì)于多個(gè)電池組來(lái)說(shuō)則極其昂貴。這就是為什么聯(lián)合國(guó)提議不需要限制通過(guò)電池和模塊測(cè)試后認(rèn)證的電池組數(shù)量。

聯(lián)合國(guó)手冊(cè)規(guī)定：當(dāng)電池通過(guò)所有測(cè)試并電連接，重量超過(guò)500克或能量超過(guò)6200Wh，并采取內(nèi)部短路、過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)熱的保護(hù)措施時(shí)，不應(yīng)進(jìn)行電連接電池組的認(rèn)證測(cè)試。

 

鋰離子電池保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

安德沃斯實(shí)驗(yàn)室（UL）在鋰離子電池認(rèn)證測(cè)試方面非?；钴S。大多數(shù)UL認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)工作都集中在非動(dòng)力鋰離子電池應(yīng)用上，特別是在移動(dòng)電源、家用電器以及工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中。

盡管UL和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在動(dòng)力電池認(rèn)證方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但電池制造商不愿進(jìn)行認(rèn)證測(cè)試。汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）等組織在電池生產(chǎn)后進(jìn)行廣泛的電池測(cè)試，他們不愿意花費(fèi)額外的錢(qián)來(lái)重復(fù)這種測(cè)試。

目前，UL仍與一些電動(dòng)汽車(chē)組織合作，如SAE和IEC，但他們的認(rèn)證測(cè)試代表專(zhuān)注于移動(dòng)和家用電源。UL于2014年制定了2580電動(dòng)汽車(chē)電池應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以模擬濫用條件下的電池性能。

本標(biāo)準(zhǔn)包含一些動(dòng)力汽車(chē)制造商和聯(lián)合國(guó)手冊(cè)要求的測(cè)試，包括一系列電氣、機(jī)械和環(huán)境測(cè)試。所以UL電池測(cè)試覆蓋范圍更廣，但尚未被制造商廣泛接受。

 

UL測(cè)試術(shù)語(yǔ)和適用的鋰離子電池的比較列表如下：

▎UL 1642鋰離子電池

▎UL 1973用于輕軌和固定設(shè)計(jì)應(yīng)用的鋰離子電池

▎UL 1989備用電池

▎UL 2054堿性電池或鋰離子電池組/堿性電池組

▎UL 2271輕型電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池

▎UL 2580動(dòng)力電池

▎ULCSA/EC 60950（通常與UL一起使用，2054）

▎UL/CSA/IEC 60065音頻和視頻設(shè)備用電池

 

海事證書(shū)

鋰離子電池必須通過(guò)DNV-GL、Lloyd’s和ABS認(rèn)證測(cè)試，才能用于船舶應(yīng)用。這些組織正處于認(rèn)證船用鋰離子電池的早期階段。這三個(gè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)布了一套新的鋰離子電池組和系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，但尚未發(fā)布電池級(jí)別的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

以上是所有重要的電池測(cè)試。我們還寫(xiě)了一系列關(guān)于電池的操作文章，比如如何處理膨脹的電池，希望你能在這里找到有用的信息。