郝維健,胡 建,牛萍健,柳邵輝,馬天翼,鄭天雷

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300;2.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

2020年9月,我國明確提出“碳達峰”與“碳中和”目標。根據(jù)研究顯示,交通運輸行業(yè)二氧化碳排放量約占全國總碳排放量的10%,其中道路交通在交通全行業(yè)碳排放中的占比約為80%[1]。因此,電動化被視為我國交通運輸行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標的必由之路。近年來,電動汽車、電動摩托車、電動船舶等電動交通工具進入了快速發(fā)展期。動力電池作為驅(qū)動電動交通工具的核心部件,在電動交通工具的動力性、安全性和續(xù)航里程方面起到至關(guān)重要的作用。據(jù)報道,截至2022年,我國動力電池的裝機量已達到295.7 GWh,同比增長93%[2],連續(xù)多年位居世界第一,這為我國交通運輸領(lǐng)域的電動化轉(zhuǎn)型發(fā)揮了重要作用。

動力電池的最小儲能單元是單體。通常情況下,一種動力電池單體產(chǎn)品可同時應(yīng)用于電動汽車、電動船舶、電動摩托車等多種終端產(chǎn)品。動力電池的核心技術(shù)參數(shù)包括高低溫容量、功率、內(nèi)阻、無負載容量損失和循環(huán)性能等,這些參數(shù)是動力電池單體產(chǎn)品研發(fā)和驗證的關(guān)鍵測試項目。研究不同電動交通工具的動力電池單體電性能測試標準對產(chǎn)品研發(fā)的便利性和減少重復(fù)測試具有重要意義。因此,本文總結(jié)了我國常用電動交通工具的動力電池單體電性能測試標準,并對比分析了容量、比能量、能量效率、功率、無負載容量損失等測試項目的異同點,為動力電池的研發(fā)和驗證提供參考。

1 中國動力電池性能標準

目前,我國已經(jīng)發(fā)布或正在起草與電動汽車、電動摩托車、電動自行車、電動船舶、電動軌道機車車輛、電動航空器等相關(guān)的動力電池標準或規(guī)范,見表1。

表1 動力電池單體性能標準/規(guī)范總結(jié)

1.1 電動汽車領(lǐng)域

在電動汽車領(lǐng)域,現(xiàn)行的單體性能標準包括GB/T 31486—2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》[3]和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》[4]。這兩項標準均由全國汽車標準化技術(shù)委員會(TC114)歸口管理,分別規(guī)定了電動汽車用動力電池單體和模組的電性能、循環(huán)性能要求。這兩項標準均被工業(yè)和信息化部《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)定》引用,成為電動汽車動力電池產(chǎn)品準入標準。目前,GB/T 31486《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》標準正在修訂中,主要修訂內(nèi)容包括根據(jù)動力電池技術(shù)發(fā)展趨勢,將全部模組測試的測試對象修改為單體,根據(jù)動力電池使用場景調(diào)整部分測試項目的方法,并提高了指標要求。該標準的修訂已完成公開征求意見。此外,GB/T 31484《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》已于2022年下半年啟動修訂預(yù)研工作,預(yù)計2023年底或2024年初下達立項計劃?；谝陨蠘藴实男抻嗊M度,本文在敘述電動汽車動力電池性能類標準時,主要參考了GB/T 31486修訂征求意見稿和GB/T 31484—2015。

1.2 電動摩托車領(lǐng)域

在電動摩托車領(lǐng)域,現(xiàn)行的單體性能國家標準是GB/T 36672—2018《電動摩托車和電動輕便摩托車用鋰離子電池》[5],由全國汽車標準化技術(shù)委員會(TC114)歸口管理。該標準規(guī)定了電動摩托車和電動輕便摩托車電池的型號和安全性、電性能要求。在單體電性能方面,GB/T 36672—2018與電動汽車動力電池電性能標準保持一致。在安全性要求方面,該標準主要參考了歐盟摩托車安全法規(guī)ECE R136《關(guān)于L類電動車輛特定要求的批準與統(tǒng)一規(guī)定》。目前,相關(guān)的標準化組織已啟動了GB/T 36672的修訂預(yù)研工作。

1.3 電動自行車領(lǐng)域

在電動自行車領(lǐng)域,現(xiàn)行單體性能國家標準為GB/T 36972—2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》[6],由全國自行車標準化技術(shù)委員會(TC155)歸口管理。該標準在原有的輕工行業(yè)標準QB/T 2947.3—2008《電動自行車用蓄電池及充電器 第3部分:鋰離子蓄電池及充電器》[7]的基礎(chǔ)上,進一步提升了電性能,增加了安全性測試項目,對阻燃性能、電磁兼容性能以及互換性、兼容性提出了要求[8]。

1.4 電動船舶

目前,在電動船舶領(lǐng)域尚未制定動力電池性能類的國家標準。然而,船級社規(guī)范《船舶應(yīng)用電池動力規(guī)范(2023)》[9]是電動船舶用動力電池領(lǐng)域具有較高影響力的規(guī)范文件。該規(guī)范文件在《純電池動力船舶檢驗指南(2019)》[10]基礎(chǔ)上起草,對動力電池分別提出品質(zhì)、安全要求。

1.5 電動軌道機車車輛

電動軌道機車車輛領(lǐng)域動力電池單體性能標準《軌道交通 機車車輛 動力蓄電池 第1部分:鋰離子蓄電池》正在制定過程中。該標準修改采用IEC 62928:2017《Railway applications-Rolling stock-Onboard lithium-ion traction batteries》[11],在對應(yīng)國際標準的基礎(chǔ)上,修改了安全性能要求、電性能要求和對應(yīng)測試方法。因該標準尚未發(fā)布,本文對比對象為該標準的公開征求意見稿。

1.6 電動航空器

在無人機等電動航空器領(lǐng)域,動力電池單體性能標準《無人駕駛航空器用鋰離子電池和電池組規(guī)范》正在制定過程中。該標準適用于為民用輕小型多旋翼無人機(最大起飛重量約為150 kg)提供動力源的鋰離子電池和電池組。因該標準尚未發(fā)布,本文對比對象為該標準的公開征求意見稿。

2 中國動力電池單體電性能標準對比

動力電池為電動交通工具提供驅(qū)動能量,需滿足電動交通工具在各種使用工況下的電性能要求,包括高低溫容量、倍率充電、荷電保持、能量效率、循環(huán)性能等。由于不同交通工具的使用場景不同,因此對應(yīng)的單體電性能標準也有一定區(qū)別。表2對比了不同電動交通工具動力電池單體電性能測試項目,其中所有標準中都包括室溫容量、低溫容量和荷電保持,其中電動汽車和電動摩托車涵蓋的單體電性能測試項目最多。

表2 動力電池單體電性能測試項目標準對比

2.1 室溫放電容量

容量是動力電池的基礎(chǔ)參數(shù),用于衡量動力電池作為電能存儲器件所存儲的電荷量。室溫放電容量是動力電池單體最基礎(chǔ)的測試項目,其主要目的是驗證電池單體是否能夠達到申報的額定容量。各類標準之間的主要區(qū)別在于放電倍率的不同。例如,電動汽車動力電池標準倍率不小于1/3 C,電動摩托車為1 C,電動自行車標準為0.5 C,而電動航空器、電動船舶的標準則未限制倍率,電動軌道機車的標準根據(jù)單體最大充電倍率的不同規(guī)定了多個放電倍率檔位。

在動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的早期階段,為了提高測試效率,各個動力電池標準中的室溫放電倍率均較高(如GB/T 31486—2015和GB/T 36672—2018中的放電倍率均為1 C)。一方面,隨著電動汽車等行業(yè)發(fā)展日益成熟,新修訂的電動汽車動力電池標準在設(shè)置室溫放電倍率時充分考慮了電池的裝載對象和使用場景。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,電動汽車使用時的平均放電倍率在0.2～0.3 C,因此GB/T 31486修訂征求意見稿中將現(xiàn)行2015版的室溫放電倍率由1 C調(diào)整為1/3 C以上。另一方面,由于電動船舶、電動軌道機車、電動航空器等產(chǎn)業(yè)仍處于快速發(fā)展階段,考慮到不同技術(shù)路線的動力電池規(guī)格參數(shù)和工作倍率的差異,因此并未限制室溫容量測試倍率。動力電池單體室溫放電容量測試方法總結(jié)見表3。

表3 動力電池單體室溫放電容量測試方法總結(jié)

2.2 高低溫容量

溫度是影響動力電池容量的重要性能參數(shù)。動力電池通常在高低溫環(huán)境下使用,盡管動力電池系統(tǒng)通常包括熱管理系統(tǒng),但動力電池單體的高低溫容量性能對于方便熱管理系統(tǒng)設(shè)計和提升動力電池系統(tǒng)的高低溫性能意義較大,因此有必要考查動力電池單體在高溫、低溫下的放電容量。

在鋰離子電池中,低溫會導(dǎo)致離子傳導(dǎo)速率減慢,從而降低容量[12-13]。動力電池單體高低溫放電容量測試方法總結(jié)見表4,所有動力電池單體性能標準均考查了低溫性能。電動汽車、電動摩托車和電動自行車的低溫測試溫度均為-20 ℃,且放電倍率與室溫放電倍率保持一致?？紤]到產(chǎn)品的實際應(yīng)用環(huán)境不同,電動船舶、電動軌道機車和電動航空器的標準根據(jù)制造商規(guī)定的測試工況開展測試。在測試指標方面,由于目前鋰離子電池的低溫性能仍然受溫度影響較大,各項標準對于低溫容量的指標要求集中在70%～80%的額定容量范圍內(nèi)。

表4 動力電池單體高低溫放電容量測試方法總結(jié)

高溫對鋰離子電池的容量影響相對較小,甚至在某些體系中,高溫容量可能比常溫容量更高。因此,各項動力電池標準中,對高溫容量要求集中在90%～98%的額定容量范圍內(nèi)。

2.3 倍率特性

隨著電動交通工具行業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平的提升,對于電動交通工具快速放電和快速補能的需求日益增加[14],這對動力電池的倍率特性提出了更高要求。

倍率特性考查電池在高倍率充放電下的能力。在倍率放電方面,電動汽車、電動摩托車、電動自行車、電動軌道機車和電動航空器的標準均包括電池的高倍率放電測試。由于不同電動交通工具的使用工況不同,不同標準中的測試倍率也不同。例如,電動汽車中的高功率單體(通常用于混合動力電動汽車)的測試倍率為10 C,高能量單體(通常用于純電動汽車)的測試倍率為1 C,電動自行車的電池單體的測試倍率統(tǒng)一為1 C,電動航空器測試倍率統(tǒng)一為3 C。在測試形式方面,大多數(shù)標準采用高倍率100%放電深度,并要求放電后的容量不低于95%的初始容量。電動軌道機車的動力電池標準根據(jù)單體的最大放電倍率的不同,采用6 C/20 C脈沖放電5 s后測量室溫放電容量的形式進行測試。此外,只有電動汽車和電動摩托車的動力電池標準中包含倍率充電測試,考查電動汽車、電動摩托車在快充工況下的放電容量。這主要是因為電動汽車和電動摩托車對快速補能的需求較為突出。電動汽車的標準要求電池單體在30 min內(nèi)充滿后,測得的室溫放電容量不低于80%的初始容量;電動摩托車標準要求的充電倍率為2 C(不大于400 A),技術(shù)要求與電動汽車的標準一致。動力電池單體倍率充放電容量測試方法總結(jié)見表5。

表5 動力電池單體倍率充放電容量測試方法總結(jié)

2.4 荷電保持

荷電保持主要考查動力電池單體在長期停放工況下的電量保持能力。目前,本文所列舉的各項動力電池標準中均包括荷電保持項目。荷電保持項目主要分為四類:常溫荷電保持、高溫荷電保持、常溫存儲和高溫存儲。荷電保持是在100%荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)下靜置一段時間后考查電池的保持容量和恢復(fù)容量,靜置時間通常為常溫28天左右、高溫7天左右。要求保持容量為初始容量的80%～90%,恢復(fù)容量為初始容量的85%～95%。存儲是在50% SOC下靜置一段時間后考查電池的恢復(fù)容量,相較于荷電保持測試,存儲測試的靜置時間更長。動力電池單體倍率荷電保持測試方法總結(jié)見表6。

表6 動力電池單體倍率荷電保持測試方法總結(jié)

2.5 循環(huán)壽命

循環(huán)壽命顯著影響新能源汽車長期使用后的續(xù)航里程。循環(huán)壽命較短、容量衰減較快的動力電池顯著影響消費者的使用體驗。因此,所有標準中均包含循環(huán)壽命測試。在測試方法方面,為便于開展測試,所有標準中均包含恒流充放電循環(huán)。根據(jù)不同的使用場景,不同類型的電動交通工具具有不同的放電倍率。例如,電動汽車、電動摩托車、電動航空器的放電倍率為1 C,電動自行車為0.5 C,電動軌道機車為0.2 C。在充電倍率方面,各標準均允許制造商規(guī)定充電倍率。在循環(huán)壽命方面,考慮產(chǎn)品價格和預(yù)期使用壽命的不同,不同類型的電動交通工具有不同的要求。例如,相較于電動摩托車,電動汽車的動力電池更換成本更高,預(yù)期使用壽命更長。因此,在循環(huán)壽命指標方面,電動汽車用動力電池標準要求高于電動摩托車用動力電池標準。電動汽車用動力電池的循環(huán)壽命要求為500次循環(huán)后容量保持率不低于90%或1 000次循環(huán)后容量保持率不低于80%,而電動摩托車用動力電池的循環(huán)壽命要求為300次循環(huán)后容量保持率不低于90%或600次循環(huán)后容量保持率不低于80%。動力電池單體循環(huán)壽命測試方法總結(jié)見表7。

表7 動力電池單體循環(huán)壽命測試方法總結(jié)

3 結(jié)論和展望

本文系統(tǒng)對比了電動汽車、電動摩托車、電動自行車、電動船舶、電動軌道機車等電動交通工具動力電池單體的電性能測試技術(shù)要求與試驗方法。由于交通工具的使用環(huán)境條件相似,因此在低溫放電溫度、荷電保持條件、荷電保持要求等方面保持一致,但由于不同交通工具的行駛速度、使用年限等條件不同,各項標準在室溫放電倍率、循環(huán)壽命測試工況、循環(huán)壽命指標要求方面各有不同。

隨著各類電動交通工具以及對應(yīng)動力電池技術(shù)的發(fā)展,基于本文研究,提出以下動力電池單體性能類標準的修訂建議。

(1)建議在測試溫度、荷電保持周期等測試方法上注重與同類產(chǎn)品電池系統(tǒng)標準和其他類型電池單體標準協(xié)調(diào),減少企業(yè)重復(fù)測試,方便企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)。

(2)建議在完善測試方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合行業(yè)技術(shù)水平適當改進技術(shù)指標,有利于進一步提升動力電池產(chǎn)品質(zhì)量,助力產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

(3)建議積極推動標準國際化,基于我國動力電池技術(shù)積累和標準化經(jīng)驗,在國際標準化舞臺上積極研提技術(shù)提案,貢獻“中國智慧”。