王佳琪，陳立鐸，尚慶波

(1.愛馳汽車(上海)有限公司，上海200082；2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津300300；3.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；4.TüV 南德意志大中華集團，上海200070)

在一系列國家政策支持下，國內(nèi)電動汽車保有量日益增長。電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的汽車“新四化”發(fā)展趨勢在影響人們?nèi)粘３鲂泻蛙囕v使用的同時，正加速對傳統(tǒng)汽車行業(yè)產(chǎn)生沖擊。隨著消費者和業(yè)界對續(xù)駛里程的要求不斷提高，動力電池能量密度持續(xù)攀升，高鎳材料的使用使得電池熱穩(wěn)定性降低，在外界環(huán)境影響下發(fā)熱、失控、起火等安全問題日漸突出[1-3]。電動汽車成為了汽車行業(yè)發(fā)展趨勢，不僅在技術(shù)上帶來了更高的要求，更是對安全提出了考驗[4]。我國新能源汽車新車型申報中，對車載能源動力電池系統(tǒng)的安全性進行了強制要求，只有滿足了基本環(huán)境安全、機械安全、電安全性要求后方可量產(chǎn)面向市場和消費者。

新能源車企在積極提升自身技術(shù)實力及產(chǎn)品品質(zhì)、拓展國內(nèi)市場的同時，還希望布局海外市場，將產(chǎn)品推向更廣闊的世界舞臺。而邁向海外市場，產(chǎn)品獲得相關(guān)出口國家標準法規(guī)是企業(yè)需要面臨的首要問題。

聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(the United Nations Economic Commission for Europe，以下簡稱ECE)于1947 年成立，旨在促進56 個成員國經(jīng)濟整合與合作的多邊平臺。ECE 認證(也稱E-mark 認證)是歐洲經(jīng)濟委員會成員國市場內(nèi)，對汽車及其零配件產(chǎn)品按照ECE 法規(guī)(Regulation)開展的一種通用認證，產(chǎn)品符合認證要求，即授予型式認證證書，表示其通過了行車安全法規(guī)。E-mark 證書是由各成員國交通部頒發(fā)，它表示產(chǎn)品已經(jīng)符合相應(yīng)的法令與法規(guī)的要求，可以合法地進口和銷售，發(fā)證機關(guān)是各成員國交通部。

ECE Regulation No.100(ECE R100)是由ECE 制定的市場準入公告法規(guī)，要求申請歐盟的整車型式認證(WVTA)時必須通過第二版ECE R100.02 的要求。從2016 年7 月起，電動汽車及其所裝配的車載可充電儲能系統(tǒng)(如動力電池、超級電容等)必須通過ECE R100 才能在歐洲及其他一些ECE 協(xié)議國家注冊并上市銷售，性質(zhì)類似于我國的強制性認證測試。由此可見，準確理解并把握ECE R100 測試標準對于國內(nèi)傳統(tǒng)車企、造車新勢力均具有重要意義。

作為電動汽車的核心部件，也是車輛的能量攜帶載體，電池系統(tǒng)的安全在整車認證測試領(lǐng)域?qū)儆谥刂兄?。本文從電池系統(tǒng)安全角度出發(fā)，對出口歐盟電動車用電池系統(tǒng)的測試標準ECE R100 與國內(nèi)現(xiàn)行動力電池系統(tǒng)安全性認證標準GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3 部分：安全性要求與測試方法》和2020 版GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，以及國際安全認證法規(guī)ISO 12405-3：2014《Electrically propelled road vehicles Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems Part 3: Safety performance requirements》進行對比分析。通過聚焦測試項目、測試方法與性能評價指標差異性，有針對性地給出ECE R100 標準下的電池系統(tǒng)測試關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 歐盟新能源車用電池系統(tǒng)法規(guī)與測試標準

從2016 年7 月起，歐盟理事會要求申請歐盟的整車型式認證時必須滿足ECE R100 要求，法規(guī)采用的是2013 年第二版修訂內(nèi)容，包含兩個部分：第一部分是對整車車輛電氣安全的要求；第二部分是針對零部件級別車載可充電儲能系統(tǒng)(REESS)的安全要求。

ECE R100 Part II 對電動車搭載的REESS 安全性提出了明確要求，測試項目主要包括電安全性、環(huán)境安全性及機械安全性等3 部分測試內(nèi)容，其分類依據(jù)如表1 所示。

表1 電池系統(tǒng)安全性的測試項目分類、評價指標及驗證規(guī)程

動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的核心系統(tǒng)，ECE R100 標準從系統(tǒng)層級統(tǒng)籌考慮安全要求，對于可能導致動力電池故障發(fā)生事故的風險進行驗證分析，測試方法核心部分概要如表2所示。

2 國內(nèi)新能源車用電池系統(tǒng)法規(guī)與測試標準

國內(nèi)標準版圖下，由全國汽車標準化技術(shù)委員會歸口、中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合中國國家標準化管理委員會，于2015 年重磅發(fā)布了GB/T 31467.1-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第1 部分高功率應(yīng)用測試規(guī)程》、GB/T 31467.2-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2 部分高能量應(yīng)用測試規(guī)程》、GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)安全性要求與測試方法》，GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》、GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》、GB/T 31486-2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》。這些電池國家標準的發(fā)布，促使電池生產(chǎn)企業(yè)朝著高安全、高性能、長壽命方向發(fā)展，對促進動力電池發(fā)展起到有據(jù)可依的重要作用。

表2 ECE R100 Part II 測試方法

2017 年7 月，GB/T 31467.3-2015 第1 號 修 改 單 開 始 實施[5]，對原標準修訂內(nèi)容主要體現(xiàn)在振動、擠壓部分內(nèi)容，修訂后執(zhí)行的電池系統(tǒng)擠壓力由原200 kN 到100 kN，振動由原21 h 3 個方向共63 h 隨機振動到3 h 正弦振動，對振動和擠壓試驗條件的嚴苛性、必要性進行重新考量。

2020 年5 月，作為我國第一個電動汽車用動力蓄電池強制性國標，GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》正式發(fā)布。在考慮到正常使用場景、可預(yù)見的故障條件、可能出現(xiàn)的安全隱患的基礎(chǔ)上，充分理解電動汽車安全失效模式與提前防范措施。強標取消了翻轉(zhuǎn)和跌落項目，同時也新增或調(diào)整了關(guān)鍵測試項目。對于M1、N1 及以外的車輛電池包振動分三個軸進行，每個軸向均進行12 h 隨機及1 h 定頻振動，并規(guī)定了振動試驗后的電池包需進行浸水實驗，該項新要求對機械結(jié)構(gòu)試驗后電池包的氣密提出了要求，不僅考慮到測試中樣品的安全，更綜合考慮了機械安全后的密封情況。強標擠壓項目擴充了三個半圓柱體的擠壓版形式許可。同時，新增了熱擴散測試項目，將行業(yè)內(nèi)關(guān)注度較高的安全測試項目納入強制性檢驗，企業(yè)必須確保在由于單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發(fā)生危險之前5 min，應(yīng)提供一個熱事件報警信號，用以保障成員安全。電安全類項目中充分考慮應(yīng)用場景，新增過流保護項，在高于企業(yè)規(guī)定的電流時，電池管理系統(tǒng)應(yīng)具備相關(guān)響應(yīng)機制。

3 中歐電動車用動力蓄電池系統(tǒng)測試方法與評價

ECE R100.02 與ISO 12405-3、GB/T 31467.3 及其第1 號修改單和GB 38031-2020 同為鋰離子電池系統(tǒng)安全性標準，通過對這些標準的測試項目、測試方法、性能評價指標加以分析，得出ECE R100.02 與ISO 12405-3、GB/T 31467.3 及其第1號修改單、GB 38031-2020 存在以下區(qū)別。

3.1 測試項目的差異

ECE R100 共9 項安全性測 試，GB/T31467.3 共16 項測試，GB 38031-2020 共16 項，ISO 12405-3 共12 項測試?？梢钥闯?，三項標準在測試項目要求上相近，但歐洲相對于中國更集中關(guān)注機械可靠性和保護功能類驗證，考慮到試驗周期、試驗成本、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度等因素，對環(huán)境安全類驗證比重偏小(以高海拔、海水浸泡、鹽霧、濕熱循環(huán)為代表)。條件滿足情況下試驗周期可縮短至1～2 周，需要提供的試驗樣件數(shù)相對較低，從這兩個角度可為企業(yè)減輕認證所需經(jīng)濟負擔。但同時減少環(huán)境安全類驗證也給產(chǎn)品質(zhì)量保證帶來了一定風險，具體表現(xiàn)如：高海拔下電池系統(tǒng)散熱性能降低，充放電過程中溫升、溫差增大，熱穩(wěn)定性受到影響[6]；自然界的雨水、井水、河水等均是混有雜質(zhì)的非純凈水，溶解有電解質(zhì)，一旦蓄電池包或系統(tǒng)的氣密存在缺陷，將可能造成線束密集區(qū)或金屬接插件內(nèi)部短路，甚至發(fā)生冒煙起火爆炸[7]，浸水防水等級關(guān)乎電池安全。此外，GB 38031-2020 中新增了熱擴散測試項目，ECE R100 中并無此安全法規(guī)測試項。ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號修改單、GB 38031-2020在測試項目上的對比如表3 所示。

表3 ECE R100與ISO 12405-3、31467.3-2015及其第1號修改單、GB 38031-2020測試項目對比

3.2 關(guān)鍵測試項目方法差異

關(guān)鍵測試項目之擠壓，ECE R100 中規(guī)定使用半徑為75 mm 的3 個半圓柱體組成的擠壓板，擠壓力為100～105 kN，在擠壓板和擠壓力上與ISO 12405-3：2014 保持一致。GB/T 31467.3 及其第1 號修改單在擠壓板上存在不同，其規(guī)定使用半徑75 mm 的單半圓柱體，擠壓截止條件也稍有不同，規(guī)定為擠壓力達到100 kN 或整體尺寸的30%。而2020 版GB 38031 在擠壓板上則兼容了單半圓柱體擠壓板和3 個半圓柱體組成的擠壓板，擠壓截止條件與GB/T 31467.3 及修改單保持一致。實際測試中值得關(guān)注的是，單半圓柱體擠壓板布置方式不同，電池系統(tǒng)接觸點位受力情況也不一樣，縱向擠壓時接觸面積更窄，局部受力更大，通過這種擠壓方式電池系統(tǒng)的最大擠壓變形量將會高于橫向擠壓變形。相較于國內(nèi)標準，ECE R100 更傾向于綜合考慮受力情況，要求橫向擠壓最大程度覆蓋受力面積。

關(guān)鍵測試項目之振動，ECE R100 中規(guī)定在垂直方向進行3 h 正弦振動，振動頻率范圍在7～50 Hz，這一方法與GB/T 31467.3 及其第1 號修改單一致。但相比三軸向、每個軸向進行21 h 隨機振動，三軸向共63 h 的ISO 12405-3：2014 和三軸向、每個軸向進行12 h 隨機及1 h 定頻振動，三軸向共39 h 的GB 38031-2020，無論在振動方向還是振動頻率范圍，亦或是振動時間上，ECE R100 的執(zhí)行標準均明顯低于其他標準。

關(guān)鍵測試項目之火燒，ECE R100 和ISO 12405-3 中火燒試驗規(guī)定燃油溫度小于20 ℃時需進入60 s 的預(yù)熱，若燃油溫度不低于20 ℃，可直接進入測試階段，省去前期準備工作，測試階段的直接暴露和間接暴露于火焰時間各個標準規(guī)定一致。GB/T 31467.3 及修改單和GB 38031-2020 兩份國內(nèi)標準保持一致，在直接暴露和間接暴露于火焰之前，均要預(yù)先對燃油預(yù)熱60 s。

關(guān)鍵測試項目之熱擴散，ECE R100、ISO 12405-3 及GB/T 31467.3 均未對整車中動力電池熱擴散提出要求。為保障事故發(fā)生時的乘員人身安全，提升產(chǎn)品品質(zhì)，GB 38031-2020提出并明確了熱擴散詳細測試規(guī)程，推薦使用加熱或針刺作為熱擴散試驗觸發(fā)方法。同時也允許制造商提供實驗程序，包括試驗方法、試驗對象、觸發(fā)對象、監(jiān)控點布置方案、熱失控觸發(fā)判定條件、改動清單。

ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號修改單、GB 38031-2020 關(guān)鍵測試項目方法對比如表4 所示。

3.3 關(guān)鍵測試項目性能評價指標差異

擠壓項目中，ECE R100 合格判定要求為不起火、不爆炸，同時無漏液現(xiàn)象，GB/T 31467.3 及修改單和GB 38031-2020 擠壓合格要求為不起火、不爆炸即可，允許擠壓后電池包內(nèi)部電芯漏液存在電解液質(zhì)量損失，ISO 12405-3 除了要求試驗后樣品不起火、不爆炸，還要求外殼不出現(xiàn)破裂及其他機械破壞，對擠壓殼體提出了更高的要求。

振動項目中，ECE R100 和GB/T 31467.3 對比ISO 12405-3：2014 和GB 38031-2020，除了規(guī)定振動后不起火、不爆炸、無漏液等通用要求外，比較明顯的特征在于對振動后的樣品提出能夠進行一次充放電循環(huán)，即在振動項目中，不僅要求振動過程本身不發(fā)生危險，同時考察振動后電池的電功能，實現(xiàn)全面考慮與驗證，相對來說要求更高更嚴謹。

火 燒 項 目 中，ECE R100 和ISO 12405-3：2014 及GB 38031-2020 判定要求均為不爆炸即可，GB/T 31467.3 試驗評價指標為不爆炸，若有火苗，應(yīng)在火源移開2 min 內(nèi)熄滅。兩者最大區(qū)別是對火源移除后現(xiàn)象的判定，ECE R100 關(guān)注試驗過程中測試樣件本身狀態(tài)，GB/T 31467.3 則考慮更加全面，不僅考慮到測試中的樣品安全，更考慮了非金屬件阻燃等級水平。分析電動汽車火災(zāi)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在外部火源下，材料過熱、超過耐溫引起局部燃燒起火事故頻發(fā)，火苗超過2 min 未熄滅就很有可能造成車輛行駛過程中自燃，使用高阻燃等級的材料可以降低起火失效的風險[8]。

熱擴散項目中，ECE R100、ISO 12405-3 及GB/T 31467.3均未對整車中動力電池熱擴散提出要求。GB 38031-2020 要求單個電池在熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發(fā)生危險之前5 min，提供一個熱事件報警信號。

ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號修改單、GB 38031-2020 關(guān)鍵測試項目性能評價指標對比如表5 所示。

表4 ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號修改單、GB 38031-2020 關(guān)鍵測試項目方法對比

表5 ECE R100與ISO 12405-3、31467.3-2015及其第1號修改單、GB 38031-2020關(guān)鍵測試項目性能評價指標對比

4 結(jié)語

ECE R100.02 作為歐盟市場準入公告法規(guī)，測試內(nèi)容、方法、評價指標也是目前行業(yè)內(nèi)許多企業(yè)困惑之處。本文對出口歐盟電動車用電池系統(tǒng)的測試標準ECE 100 進行研究討論，將其與國內(nèi)現(xiàn)行動力電池系統(tǒng)安全性認證標準GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》和2020 版GB 38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，以及國際安全認證法規(guī)ISO 12405-3：2014《Electrically propelled road vehicles Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems Part 3:Safety performance requirements》進行對比分析。通過聚焦測試項目、測試方法與性能評價指標差異性，有針對性地給出ECE R100 標準下的電池系統(tǒng)測試關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通過對比發(fā)現(xiàn)，在測試項目上ECE R100 共9 項安全性測試，GB/T31467.3 共16 項測試，GB 38031-2020 共16 項，ISO 12405-3共12項測試。ECE R100集中關(guān)注機械可靠性和保護功能類驗證，可降低試驗成本、縮短試驗周期，但以高海拔、海水浸泡、鹽霧、濕熱循環(huán)項目為代表，ECE R100對環(huán)境安全類驗證比重偏小，且無熱擴散乘員保護項；在關(guān)鍵測試項目方法和評價指標上，ECE R100 中擠壓允許使用3 個半圓柱體組成的擠壓板，振動方向僅考察垂直軸向、掃頻范圍限定在7～50 Hz、振動時間3 h 相比之下最短，其他項目也無更加嚴苛的規(guī)定，方法和用于判定的評價指標相對寬松。

5 展望

歐洲對于動力電池市場準入要求相對于中國是寬進嚴出，更多測試安全要求交給整車廠把控，歐洲車企自我約束，且歐盟整車型式認證及市場監(jiān)管嚴格。中國各廠家在標準的落實和生產(chǎn)一致性上需要更加嚴謹，擔負起安全責任。出口歐盟電動車用電池系統(tǒng)的認證，應(yīng)加強以下方面的建設(shè)：

(1)對生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)加強動力電池系統(tǒng)開發(fā)能力體系建設(shè)，以安全為核心，提升電池系統(tǒng)安全性能，拿出更好的產(chǎn)品走出中國、走向世界；

(2)對第三方實驗室，應(yīng)提升實驗室檢測水平，積極參與到標準制定、修定環(huán)節(jié)，嚴格把關(guān)受檢產(chǎn)品質(zhì)量，站好產(chǎn)品流入市場前的第一道崗；

(3)審查檢測報告內(nèi)容，對測試數(shù)據(jù)、照片存疑處積極溝通，保質(zhì)保量完成證書發(fā)放工作；

(4)按照《1958 年協(xié)議書》內(nèi)容，各締約國交通部簽發(fā)的E-mark 證書具有同等效力，但從市場認可和認證制度成熟度來看，建議整車或電池制造商選擇知名交通部。