佟 蕾， 田崔鈞， 高 申， 陳 芬， 靳 聰， 高洪波， 佟玉琦，溫旭輝， 王子冬

(1. 中國(guó)北方車輛研究所， 北京 100072； 2. 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)， 北京 100823)

電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池對(duì)比測(cè)試分析

佟 蕾1， 田崔鈞1， 高 申1， 陳 芬1， 靳 聰1， 高洪波1， 佟玉琦1，溫旭輝2， 王子冬1

(1. 中國(guó)北方車輛研究所， 北京 100072； 2. 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)， 北京 100823)

2014年我國(guó)新能源汽車出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)，年產(chǎn)銷量均接近8萬輛，作為新能源汽車核心技術(shù)之一的動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步對(duì)此起到了十分重要的作用。在動(dòng)力電池快速發(fā)展的進(jìn)程中，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)起到了不可替代的作用。本論文對(duì)我國(guó)動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)進(jìn)行了分析，按照目前我國(guó)現(xiàn)行動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)GB/T31384、GB/T31485、GB/T31486，選取10種國(guó)內(nèi)外典型動(dòng)力電池詳細(xì)對(duì)比了不同材質(zhì)、工藝的動(dòng)力電池的電性能、安全性能及存儲(chǔ)性能等。

動(dòng)力電池； 標(biāo)準(zhǔn)； 對(duì)標(biāo)測(cè)試

1 引言

鋰離子電池具有比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、工作范圍寬等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域中。國(guó)內(nèi)外各大電池公司也先后開發(fā)并推出了多種規(guī)格的基于磷酸鐵鋰和錳酸鋰正極材料的動(dòng)力電池，并在多個(gè)電動(dòng)汽車項(xiàng)目中得到示范應(yīng)用[1]。目前商用鋰離子動(dòng)力電池主要分為磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料三類。不同材質(zhì)和尺寸動(dòng)力電池的電壓平臺(tái)、電性能和安全性能差異很大。為了明確不同電池的適用范圍和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外相繼推出了鋰離子動(dòng)力電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：IEC62660系列、ISO12405系列、SAEJ2929系列、VDA系列、UL2580系列及GB/T系列，不同標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)側(cè)重點(diǎn)不同。本文詳細(xì)介紹了我國(guó)動(dòng)力電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程，并對(duì)國(guó)內(nèi)外有代表性動(dòng)力電池的能量密度、高低溫性能、倍率性能、存儲(chǔ)性能和安全性能等進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。

2 我國(guó)動(dòng)力電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)

2001年，中國(guó)第一屆電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了4項(xiàng)電動(dòng)汽車用蓄電池標(biāo)準(zhǔn)。其中涉及鋰離子動(dòng)力電池的標(biāo)準(zhǔn)為：GB/Z18333.1電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池。為使鋰離子動(dòng)力電池更加適應(yīng)電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在參考了美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)際上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，于2006年頒布了標(biāo)準(zhǔn)QC/T743-2006電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池，適用范圍僅限于單體電池及電池模塊。測(cè)試內(nèi)容如下：在電池單體電性能方面，標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試單體的常溫容量、高低溫容量、常溫倍率、常溫和高溫荷電保持與恢復(fù)、儲(chǔ)存、循環(huán)壽命；在模塊電性能方面，要求測(cè)試模塊的常溫容量、模擬工況；在單體和模塊安全性能方面，測(cè)試過充電、過放電、短路、針刺、擠壓、跌落、加熱性能。

從測(cè)試項(xiàng)目可以看出，2006年頒布的QC/T743標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重于動(dòng)力電池單體性能的評(píng)價(jià)，不能較好地評(píng)估單體電池及電池模塊最終組成電池包及電池系統(tǒng)裝車后的性能。

為使我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)更適用于行業(yè)發(fā)展及與國(guó)外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)接軌，順應(yīng)國(guó)際新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，在參考國(guó)際上相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)IEC62660系列、ISO12405系列、SAEJ2929系列、VDA系列及UL2580系列的基礎(chǔ)上，我國(guó)于2015年頒布了GB/T31484、GB/T31485、GB/T31486和GB/T31467.1/2/3標(biāo)準(zhǔn)。GB/T31484、GB/T31485、GB/T31486標(biāo)準(zhǔn)的制定延續(xù)了QC/T743-2006關(guān)于單體電池和電池模塊的檢測(cè)，僅保留了單體的容量檢測(cè)，增加了電池模塊的電性能檢測(cè)項(xiàng)目，如充放電倍率、高低溫容量等。安全性檢測(cè)方面，增加了海水浸泡、低氣壓、溫度循環(huán)的檢測(cè)。

GB/T31467.1/2/3標(biāo)準(zhǔn)還增加了電池包和電池系統(tǒng)的檢測(cè)內(nèi)容，彌補(bǔ)了我國(guó)電池包和電池系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目的空白，使我國(guó)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更符合實(shí)際使用情況，能夠更加科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。

3 對(duì)標(biāo)測(cè)試研究

3.1 試驗(yàn)對(duì)象選型

本文對(duì)標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)依據(jù)GB/T31484、GB/T31485、GB/T31486檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，分別選取國(guó)內(nèi)外不同材料、不同封裝形式(軟包、方形硬殼和圓柱形卷繞)的電池樣品進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，其中包括比較成熟的國(guó)內(nèi)4款磷酸鐵鋰蓄電池、3款三元材料電池和1款錳酸鋰材料電池， 以及2款日韓系三元材料電池，如表1所示。試驗(yàn)對(duì)象均為電池模塊。

表1 國(guó)內(nèi)外典型動(dòng)力電池選型Tab.1 Selection of typical power battery at home and abroad

3.2 電性能比較

3.2.1 能量密度對(duì)比

電池樣品的能量密度對(duì)比如表2所示。可以看出，對(duì)標(biāo)測(cè)試的磷酸鐵鋰電池單體能量密度在109～143(W·h)/kg之間。三元及錳酸鋰電池能量密度在130～195(W·h)/kg之間，F(xiàn)型36A·h軟包裝三元電池能量密度最高達(dá)到194.93(W·h)/kg,J型35A·h錳酸鋰電池接近130 (W·h)/kg。 總的來說，三元材料電池能量密度高于磷酸鐵鋰電池，國(guó)內(nèi)最好的磷酸鐵鋰能量密度可以達(dá)到143(W·h)/kg。

表2 能量密度對(duì)比Tab.2 Energy density contrast

組成模組后，由于連接件及固定支架的原因，能量密度均有所下降，比能量損失率見表2。其中F型36A·h軟包裝三元電池模組能量密度損失最大，主要原因是含有散熱裝置和外殼，且出于模組安全性考量設(shè)計(jì)的金屬外殼材質(zhì)較厚；A型42A·h方形硬殼磷酸鐵鋰電池和E型33A·h方形硬殼三元電池組成模塊后能量密度損失最小，主要是未包含模塊外殼，無固定裝置，僅增加了連接片的重量。動(dòng)力電池模塊和系統(tǒng)能量密度，是電動(dòng)車能否在未來市場(chǎng)媲美傳統(tǒng)燃油汽車的關(guān)鍵。未來動(dòng)力電池模塊及電池系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)，是提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.2 低溫性能對(duì)比

汽車用動(dòng)力電池的低溫性能是制約冬季電動(dòng)車使用效率的瓶頸。動(dòng)力電池的低溫性能主要受電解液、正負(fù)極材料等因素的影響。在低溫環(huán)境下，電解液部分溶劑凝固，造成電子遷移困難，電導(dǎo)率降低；離子在電解液中受阻很大，離子遷移緩慢，導(dǎo)致動(dòng)力電池充放電效率降低[2,3]。電池樣品的-20℃低溫放電性能比較如圖1所示。

圖1 低溫放電性能比較Fig.1 Low temperature discharge performance comparison

可以看出，磷酸鐵鋰電池在-20℃放電曲線差異較大，可以表征為低溫下磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻不同。D型270A·h方形硬殼磷酸鐵鋰電池放電初始?jí)航底钚?，低溫性能最好。三元材料電池的低溫放電曲線趨勢(shì)一致，低溫放電性能總體要好于磷酸鐵鋰材料電池。由于不同的低溫放電深度各有不同，故H型28A·h軟包裝三元電池的放電曲線稍短。三元材料電池中I型6.3A·h圓柱形卷繞三元電池低溫下內(nèi)阻最大，電壓平臺(tái)低，低溫性能最差。

3.2.3 高溫性能對(duì)比

高溫情況下，電池內(nèi)部離子移動(dòng)速度增大，濃差極化和電化學(xué)極化減輕，極化內(nèi)阻減小，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)熱增大，過分高溫會(huì)使隔膜發(fā)生收縮，電解液發(fā)生副反應(yīng)，造成電池壽命、穩(wěn)定性降低。GB/T31486要求電池在室溫下充滿電，55℃高溫下儲(chǔ)存5h后評(píng)價(jià)動(dòng)力電池的放電容量。電池樣品的高溫放電性能比較如圖2所示。

圖2 高溫放電性能比較Fig.2 High temperature discharge performance comparison

可以看出，磷酸鐵鋰和三元材料電池在高溫下放電容量均是初始容量的100%以上。在溫度高于室溫情況下，電池內(nèi)部熱傳導(dǎo)率增大，電解液活性增強(qiáng)，內(nèi)部極化內(nèi)阻減小，55℃放電容量?jī)?yōu)于室溫放電容量。

3.2.4 充、放電倍率特性對(duì)比

GB/T31486以動(dòng)力電池在3C電流強(qiáng)度放電來考核其放電倍率；以2C電流強(qiáng)度充電，且充電時(shí)長(zhǎng)控制在30min內(nèi)，來考核電池的充電倍率特性。放電倍率特性對(duì)比如圖3所示。充電倍率特性對(duì)比如圖4所示。

圖3 放電倍率性能對(duì)比Fig.3 Discharge ratio performance contrast

圖4 充電倍率特性對(duì)比Fig.4 Charging contrast ratio characteristics

由圖3可以看出，磷酸鐵鋰和三元材料電池的倍率放電容量均在96.7%以上，其中B型50A·h方形硬殼磷酸鐵鋰電池以8C放電電流放電，放電容量是初始容量的99.6%。按照GB/T31486的要求，動(dòng)力電池充放電倍率檢測(cè)只進(jìn)行一次倍率評(píng)價(jià)，而高倍率循環(huán)對(duì)電池壽命的影響還需進(jìn)一步測(cè)試。目前，GB/T標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)倍率循環(huán)后的能量衰減做出要求，無法量化考核大電流沖擊對(duì)電池循環(huán)壽命的影響，這一點(diǎn)還有待完善。

圖4中磷酸鐵鋰和三元材料電池的充電倍率性能均高于國(guó)標(biāo)要求的初始能量的80%以上。在選型的10個(gè)樣品中，磷酸鐵鋰電池的充電倍率特性要優(yōu)于三元材料電池。

鋰離子電池的充放電倍率特性決定了可以以多大的速度將能量存儲(chǔ)在電池里；或者以多大的速度將能量從電池中釋放出來。倍率指標(biāo)是電池能否作為車用能源系統(tǒng)的關(guān)鍵。鋰離子電池的充放電倍率性能，與鋰離子在正負(fù)極、電解液以及它們?cè)诮缑娴倪w移能力和電池內(nèi)部散熱速率有關(guān)。因此，想要提高和改善充放電倍率特性，要從鋰離子遷移速率和散熱速率兩方面著手，主要方法有：①提高正負(fù)極鋰離子擴(kuò)散能力；②提高電解質(zhì)離子電導(dǎo)率；③降低電池內(nèi)阻；④電池內(nèi)部熱場(chǎng)均衡。

3.2.5 儲(chǔ)存性能對(duì)比

GB/T31486要求動(dòng)力電池模塊充滿電，室溫下以1C放電30min后，在45±2℃下儲(chǔ)存28天，評(píng)價(jià)電池的容量恢復(fù)能力。電池樣品儲(chǔ)存性能對(duì)比如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)存性能對(duì)比Fig.5 Storage performance contrast

可以看出，經(jīng)過28天的儲(chǔ)存后，大部分電池容量恢復(fù)率在97%以上，部分磷酸鐵鋰電池和三元電池的恢復(fù)率高于電池初始容量。

3.3 安全性能比較

從2013年開始，我國(guó)大力推廣新能源政策，目前，電動(dòng)汽車的保有量已高達(dá)30萬輛[4]。然而，近年來電動(dòng)汽車安全事故頻發(fā)，造成了用戶和企業(yè)的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也成為制約鋰離子電池向大型化、高能量化方向發(fā)展的瓶頸，也是影響電動(dòng)汽車市場(chǎng)化的障礙。發(fā)展具有高安全性兼具高能量密度的車用鋰離子電池，成為電動(dòng)汽車市場(chǎng)化的關(guān)鍵。

GB/T31485標(biāo)準(zhǔn)中涉及到動(dòng)力電池模組和單體安全性能評(píng)價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)中保留了QC/T743-2006中擠壓試驗(yàn)、針刺試驗(yàn)、過充試驗(yàn)、過放試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、加熱試驗(yàn)等；增加了海水浸泡試驗(yàn)、低氣壓試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)，更全面地評(píng)價(jià)車用動(dòng)力電池在有可能遭遇的濫用條件下的安全性問題。經(jīng)試驗(yàn)比較，磷酸鐵鋰材料的電池安全性好于三元材料和錳酸鋰材料電池，但是個(gè)別廠家的磷酸鐵鋰電池受工藝水平限制，安全性略差。

4 結(jié)論

(1) GB/T31484、GB/T 31485、GB/T 31486及GB/T31467.1/2/3在原有QC/T743-2006的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了動(dòng)力電池模塊級(jí)別電池電性能及安全性能評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了我國(guó)電池包和電池系統(tǒng)的評(píng)價(jià)與測(cè)試方面的不足。

(2)目前國(guó)外以三元材料動(dòng)力電池為主，國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰和三元材料動(dòng)力電池均有成熟產(chǎn)品。對(duì)標(biāo)測(cè)試研究表明，雖然三元材料能量密度優(yōu)于磷酸鐵鋰材料，但國(guó)內(nèi)較好的磷酸鐵鋰電池的能量密度也能達(dá)到143(W·h)/kg；在低溫特性方面，磷酸鐵鋰材料電池的低溫性能要劣于三元材料電池，充電倍率特性要優(yōu)于三元材料電池；但是，動(dòng)力電池由單體組成模塊后，能量密度損失較大；GB/T標(biāo)準(zhǔn)缺少高倍率循環(huán)對(duì)電池容量衰減的考核，這一點(diǎn)還需要進(jìn)一步完善。

(3)三元材料電池能量密度較高但材料不穩(wěn)定，使得其安全性能較磷酸鐵鋰電池差，易在濫用試驗(yàn)中發(fā)生濃煙及起火現(xiàn)象。

(4)通過對(duì)比國(guó)內(nèi)現(xiàn)行鋰離子動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)內(nèi)外不同電池樣品測(cè)試結(jié)果，表明目前鋰離子動(dòng)力電池基本滿足國(guó)標(biāo)要求的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。但是如何在國(guó)標(biāo)基礎(chǔ)上，提高動(dòng)力電池單體及電池模塊的能量密度、均勻一致性、安全性、壽命以滿足未來整車性能的提升需要，還需要整個(gè)行業(yè)的進(jìn)一步努力。

[1] 胡棋威，彭元亭，李文斌(Hu Qiwei，Peng Yuanting，Li Wenbin).鋰離子電池成組安全技術(shù)研究進(jìn)展(Review on safety technologies for Li-ion battery pack)[J].船電技術(shù)(Marine Electric & Electronic Technology)，2015，35(5)：35-38.

[2] 孔令麗，高俊奎(Kong Lingli，Gao Junkui).鋰離子電池用低溫電解液的研究(Research on low temperature electrolyte for Li-ion batteries)[J].電源技術(shù)(Chinese Journal of Power Sources)，2007，31(9)：747-750.

[3] 肖麗芬，艾新平，楊漢西，等(Xiao Lifen，Ai Xinping，Yang Hanxi，et al.).鋰離子電池多元電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)行為研究(Study on the conductive behaviors of EC-based multi-component electrolytes for Li-ion batteries)[J].電池(Battery Bimonthly)，2007，34(4)：270-272.

[4] 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)(Electric Vehicle Committee, China Electrotechnical Society).我國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)化進(jìn)程中相關(guān)問題綜述(Annual report on technical and industrial development of electric vehicle power supply and drive in China)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2015，34(7)：1-10.

Standard comparison test and analysis of electric vehicle power battery

TONG Lei1， TIAN Cui-jun1， GAO Shen1， CHEN Fen1， JIN Cong1，GAO Hong-bo1， TONG Yu-qi1， WEN Xu-hui2， WANG Zi-dong1

(1. China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072， China；2. Electric Vehicles Committee， China Electrotechnical Society， Beijing 100823， China)

Rapid growth of new energy vehicles in China appeared in 2014，and the annual sales are close to 80000. As one of new energy vehicles the core technology of power battery technology has played a very important role. This report analyses the evolution of the National standards of power battery. According to the power battery standard GB/T31384，31485，31486，10 kinds of domestic and foreign typical power battery have been tested and compared in aspects of power battery’s performance and safety performance and storage performance，etc.

power battery； standard； standard contrast test

2016-09-27

佟 蕾(1984-)， 女， 河北籍， 工程師， 研究方向?yàn)閯?dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)與技術(shù)； 田崔鈞(1988-)， 男， 陜西籍， 工程師， 研究方向?yàn)閯?dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)與技術(shù)。

TM9

A

1003-3076(2017)04-0071-05