Vergleich der Prüfstandards für Power-Lithiumbatterien im In- und Ausland

Vergleich der Prüfstandards für Power-Lithiumbatterien im In- und Ausland

1、 Ausländische Standards für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien

Tabelle 1 listet die im Ausland häufig verwendeten Prüfstandards für Lithium-Ionen-Batterien auf. Zu den Normungsgremien gehören hauptsächlich die International Electrotechnical Commission (IEC), die International Organization for Standardization (ISO), die Underwriters' Laboratories (UL) der Vereinigten Staaten, die Society of Automotive Engineers (SAE) der Vereinigten Staaten und andere Institutionen der Europäischen Union.

1） Internationale Standards

Zu den von der IEC veröffentlichten Normen für Lithium-Ionen-Batterien gehören hauptsächlich IEC 62660-1:2010 „Lithium-Ionen-Batterieeinheiten für elektrische Straßenfahrzeuge – Teil 1: Leistungsprüfung“ und IEC 62660-2:2010 „Lithium-Ionen-Batterieeinheiten für Elektrofahrzeuge“. Straßenfahrzeuge – Teil 2: Zuverlässigkeits- und Missbrauchstests“. UN 38, herausgegeben von der Transportkommission der Vereinten Nationen. Die Anforderungen an die Prüfung von Lithiumbatterien im „Empfehlungen, Standards und Testhandbuch der Vereinten Nationen für den Transport gefährlicher Güter“ zielen auf die Sicherheit von Batterien während des Transports ab.

Zu den von der ISO im Bereich Power-Lithium-Ionen-Batterien entwickelten Standards gehört ISO 12405-1:2011 „Fahrzeuge mit Elektroantrieb – Testverfahren für Lithium-Ionen-Power-Batteriepacks und -Systeme – Teil 1: Hochleistungsanwendungen“ ISO 12405-2: 2012 „Fahrzeuge mit Elektroantrieb – Prüfverfahren für Lithium-Ionen-Batteriepacks und Systeme – Teil 2: Hochenergieanwendungen“ und ISO 12405-3:2014 „Fahrzeuge mit Elektroantrieb – Lithium-Ionen“. Prüfverfahren für Leistungsbatterien und -systeme – Teil 3: Sicherheitsanforderungen“ zielen jeweils auf Hochleistungsbatterien, Hochenergiebatterien und Sicherheitsleistungsanforderungen ab, mit dem Ziel, Fahrzeugherstellern optionale Prüfgegenstände und -methoden zur Verfügung zu stellen.

2） Amerikanische Standards

UL 2580:2011 „Batterien für Elektrofahrzeuge“ bewertet hauptsächlich die Zuverlässigkeit des Batteriemissbrauchs und die Fähigkeit, Personal im Falle von durch Missbrauch verursachten Schäden zu schützen. Diese Norm wurde 2013 überarbeitet.

SAE verfügt über ein umfangreiches und umfassendes Standardsystem in der Automobilindustrie. Die 2009 herausgegebene SAE J2464: 2009 „Sicherheits- und Missbrauchsprüfung von wiederaufladbaren Energiespeichersystemen für Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeuge“ ist eine frühe Reihe von Handbüchern zur Missbrauchsprüfung von Fahrzeugbatterien, die in Nordamerika und der Welt angewendet werden. Es legt den Anwendungsbereich und die zu erhebenden Daten für jeden Prüfgegenstand klar fest und gibt Empfehlungen für die Anzahl der für den Prüfgegenstand erforderlichen Proben.

Der SAE J2929: 2011 „Sicherheitsstandards für Elektro- und Hybridbatteriesysteme“ ist ein von SAE vorgeschlagener Sicherheitsstandard, der verschiedene zuvor herausgegebene Standards für Leistungsbatterien zusammenfasst und zwei Teile umfasst: Routinetests und anormale Tests, die während des Betriebs von Elektrofahrzeugen auftreten können.

SAE J2380: 2013 „Vibration Testing of Electric Vehicle Batteries“ ist ein klassischer Standard für Vibrationstests von Elektrofahrzeugbatterien. Basierend auf den gesammelten statistischen Ergebnissen des Vibrationslastspektrums tatsächlicher Fahrzeugfahrten auf der Straße entspricht die Prüfmethode eher der Vibrationssituation tatsächlicher Fahrzeuge und hat einen wichtigen Referenzwert.

3 Sonstige Organisationsstandards

Das US-Energieministerium (DOE) ist in erster Linie für die Formulierung der Energiepolitik, das Management der Energiewirtschaft sowie die Forschung und Entwicklung energiebezogener Technologien verantwortlich. Im Jahr 2002 rief die US-Regierung das Projekt „Freedom CAR“ ins Leben und gab nacheinander das Batterieprüfhandbuch für kraftunterstützte Hybrid-Elektrofahrzeuge Freedom CAR und das Prüfhandbuch für Energiespeichersystem-Missbrauchsprüfungen für Elektro- und Hybridfahrzeuge heraus.

Der Verband der Automobilindustrie (VDA) ist ein in Deutschland gegründeter Verband zur Vereinheitlichung verschiedener Standards für die heimische Automobilindustrie. Bei den herausgegebenen Standards handelt es sich um die VDA 2007 „Batteriesystemprüfung für Hybrid-Elektrofahrzeuge“, die sich hauptsächlich auf die Leistungs- und Zuverlässigkeitsprüfung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen für Hybrid-Elektrofahrzeuge konzentriert.

2、 Inländischer Standard für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien

Im Jahr 2001 veröffentlichte das Automotive Standardization Committee das erste technische Leitdokument für die Prüfung von Lithium-Ionen-Batterien von Elektrofahrzeugen in China, GB/Z 18333 1: 2011 „Lithium-Ionen-Batterien für elektrische Straßenfahrzeuge“. Bei der Formulierung dieser Norm wurde auf die IEC 61960-2:2000 „Tragbare Lithiumbatterien und Batteriepacks – Teil 2: Lithiumbatteriepacks“ Bezug genommen, die für Lithium-Ionen-Batterien und Batteriepacks in tragbaren Geräten verwendet wird. Der Testinhalt umfasst Leistung und Sicherheit, gilt jedoch nur für Batterien mit 21,6 V und 14,4 V.

Im Jahr 2006 gab das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie QC/T 743 „Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge“ heraus, das in der Branche weit verbreitet war und 2012 überarbeitet wurde. GB/Z 18333 1: 2001 und QC/T 743: 2006 sind sowohl Standards für Einzel- als auch Modulebene, mit einem engen Anwendungsbereich und Prüfinhalten, die den Anforderungen der sich schnell entwickelnden Elektrofahrzeugindustrie nicht mehr gerecht werden.

Im Jahr 2015 hat die National Standardization Administration eine Reihe von Normen herausgegeben, darunter GB/T 31484-2015 „Anforderungen an die Lebensdauer und Prüfmethoden für Leistungsbatterien für Elektrofahrzeuge“ und GB/T 31485-2015 „Sicherheitsanforderungen und Prüfmethoden für Leistungsbatterien“. für Elektrofahrzeuge“, GB/T 31486-2015 „Elektrische Leistungsanforderungen und Testmethoden für Leistungsbatterien für Elektrofahrzeuge“ und GB/T 31467 1-2015 „Lithium-Ionen-Akkupacks und Systeme für Elektrofahrzeuge – Teil 1: Testverfahren für Hochleistungsanwendungen, GB/T 31467 2-2015 „Lithium-Ionen-Akkupacks und Systeme für Elektrofahrzeuge – Teil 2: Testverfahren für Hochenergieanwendungen, GB/T 31467 3 „Testverfahren für Lithium-Ionen-Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge – Teil 3: Sicherheitsanforderungen und Testmethoden.

GB/T 31485-2015 und GB/T 31486-2015 beziehen sich jeweils auf die Sicherheits- und elektrische Leistungsprüfung einzelner Einheiten/Module. Die GB/T 31467-2015-Reihe bezieht sich auf die ISO 12405-Reihe und eignet sich zum Testen von Batteriepacks oder Batteriesystemen. GB/T 31484-2015 ist ein Teststandard, der speziell für die Zyklenlebensdauer entwickelt wurde. Dabei wird die Standardzykluslebensdauer für einzelne Einheiten und Module und die Betriebszykluslebensdauer für Batteriepacks und -systeme verwendet.

Wirtschaftskommission für Europa (ECE) R100 Die „Einheitlichen Bestimmungen zur Genehmigung von Fahrzeugen hinsichtlich besonderer Anforderungen für Elektrofahrzeuge“ sind eine von der ECE formulierte spezifische Anforderung für Elektrofahrzeuge, die in zwei Teile gegliedert ist: Der erste Teil regelt den Motor Schutz, wiederaufladbare Energiespeichersysteme, funktionale Sicherheit und Wasserstoffemissionen des gesamten Fahrzeugs, und der zweite Teil fügt spezifische Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit wiederaufladbarer Energiespeichersysteme hinzu.

Im Jahr 2016 hat das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie die „Technischen Sicherheitsbedingungen für Elektrobusse“ herausgegeben, in denen elektrischer Schlag des Personals, Schutz vor Wasser, Staub, Brandschutz, Ladesicherheit, Kollisionssicherheit, Fernüberwachung und andere Aspekte umfassend berücksichtigt wurden. Es stützte sich vollständig auf bestehende traditionelle Standards für Busse und Elektrofahrzeuge sowie lokale Standards wie Shanghai und Peking und legte höhere technische Anforderungen für Leistungsbatterien fest, indem es zwei Testpunkte hinzufügte: thermisches Durchgehen und thermische Durchgehensausdehnung. Es wurde am 1. Januar offiziell umgesetzt , 2017.

3、 Analyse nationaler und internationaler Standards für Lithium-Ionen-Leistungsbatterien

Die meisten internationalen Standards für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien wurden um das Jahr 2010 herum herausgegeben, wobei viele Überarbeitungen und neue Standards nacheinander eingeführt wurden. GB/Z 18333 1:2001 wurde im Jahr 2001 herausgegeben und weist darauf hin, dass Chinas Standards für Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge zwar nicht spät in der Welt eingeführt wurden, ihre Entwicklung jedoch relativ langsam verlief. Seit der Veröffentlichung des QC/T 743-Standards im Jahr 2006 gab es in China lange Zeit kein Standard-Update und vor der Veröffentlichung des neuen nationalen Standards im Jahr 2015 gab es keine Standards für Batteriepacks oder -systeme. Die oben genannten in- und ausländischen Normen unterscheiden sich hinsichtlich Anwendungsbereich, Inhalt der Prüfgegenstände, Schweregrad der Prüfgegenstände und Beurteilungskriterien.

1） Anwendungsbereich

Die Serien IEC 62660, QC/T 743, GB/T 31486 und GB/T 31485 sind Prüfungen für Einzel- und Modulebenen von Batterien, während die Serien UL2580, SAE J2929, ISO12405 und GB/T 31467 für die Prüfung von Batterien geeignet sind Packs und Batteriesysteme. Zusätzlich zu IEC 62660 beinhalten andere Standards im Ausland im Allgemeinen Tests auf Batteriepack- oder Systemebene, wie z. B. SAE J2929 und ECE R100 2, die sogar Tests auf Fahrzeugebene erwähnen. Dies deutet darauf hin, dass die Formulierung ausländischer Normen den Einsatz von Batterien im gesamten Fahrzeug stärker berücksichtigt, was eher den Anforderungen praktischer Anwendungen entspricht.

2） Inhalt des Artikels testen

Insgesamt lassen sich alle Prüfgegenstände in zwei Kategorien einteilen: elektrische Leistung und Sicherheitszuverlässigkeit, während die Sicherheitszuverlässigkeit weiter in mechanische Zuverlässigkeit, Umweltzuverlässigkeit, Missbrauchszuverlässigkeit und elektrische Zuverlässigkeit unterteilt werden kann.

Die mechanische Zuverlässigkeit simuliert die mechanische Beanspruchung, der ein Fahrzeug während der Fahrt ausgesetzt ist, z. B. Vibrationen, die die Unebenheiten des Fahrzeugs auf der Straßenoberfläche simulieren. Die Umweltzuverlässigkeit simuliert die Ausdauer von Fahrzeugen in unterschiedlichen Klimazonen, z. B. Temperaturwechsel, indem die Situation von Fahrzeugen simuliert wird, die in kalten und heißen Gebieten mit großen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht hin und her fahren. Missbrauch der Zuverlässigkeit, wie z. B. Feuer, zur Beurteilung der Sicherheit von Batterien bei unsachgemäßer Verwendung; Bei der elektrischen Zuverlässigkeit, beispielsweise bei Schutztests, wird hauptsächlich untersucht, ob das Batteriemanagementsystem (BMS) in kritischen Zeiten eine schützende Rolle spielen kann.

In Bezug auf Batteriezellen ist IEC 62660 in zwei unabhängige Standards unterteilt, IEC 62660-1 und IEC 62660-2, die jeweils Leistungs- und Zuverlässigkeitstests entsprechen. GB/T 31485 und GB/T 31486 sind aus QC/T 743 hervorgegangen, und die Vibrationsfestigkeit wird in GB/T 31486 als Leistungstest klassifiziert, da dieser Testgegenstand den Einfluss von Batterievibrationen auf die Batterieleistung untersucht. Im Vergleich zu IEC 62660-2 sind die Prüfpunkte von GB/T 31485 strenger, wie z. B. das Hinzufügen von Akupunktur und Eintauchen in Meerwasser.

In Bezug auf die Prüfung von Batteriepaketen und Batteriesystemen, sowohl hinsichtlich der elektrischen Leistung als auch der Zuverlässigkeit, deckt die US-Norm die meisten Prüfpunkte ab. In Bezug auf Leistungstests verfügt DOE/ID-11069 über mehr Testelemente als andere Standards, wie z. B. Hybrid-Pulsleistungseigenschaften (HPPC), Stabilität der Betriebssollwerte, Kalenderlebensdauer, Referenzleistung, Impedanzspektrum, Inspektionstests der Modulsteuerung, Thermik Managementlast und Tests auf Systemebene kombiniert mit Lebensdauerverifizierung.

Die Analysemethoden für die Ergebnisse elektrischer Leistungstests sind im Anhang der Norm detailliert beschrieben. Unter anderem können HPPC-Tests verwendet werden, um die Spitzenleistung von Leistungsbatterien zu ermitteln, und die daraus abgeleitete Methode zur Prüfung des Gleichstrom-Innenwiderstands wird häufig bei der Untersuchung der Eigenschaften des Innenwiderstands von Batterien eingesetzt. In Bezug auf die Zuverlässigkeit verfügt UL2580 über mehr Prüfpunkte als andere Standards, wie z. B. unausgeglichenes Laden des Akkupacks, Spannungswiderstand, Isolierung, Durchgangsprüfung und Fehlerprüfung des Kühl-/Heizstabilitätssystems. Es umfasst außerdem grundlegende Sicherheitstests für Batteriepackkomponenten in der Produktionslinie und verschärft die Sicherheitsüberprüfungsanforderungen für BMS, Kühlsysteme und Schutzschaltungsdesign. SAE J2929 schlägt vor, Fehleranalysen an verschiedenen Teilen des Batteriesystems durchzuführen und relevante Dokumentationen zu speichern, einschließlich Verbesserungsmaßnahmen, die eine einfache Identifizierung von Fehlern ermöglichen.

Die Normenreihe ISO 12405 umfasst sowohl die Leistungs- als auch die Sicherheitsaspekte von Batterien. ISO 12405-1 ist ein Standard zum Testen der Batterieleistung für Hochleistungsanwendungen, während ISO 12405-2 ein Standard zum Testen der Batterieleistung für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch ist. Ersteres umfasst zwei weitere Inhalte: Kaltstart und Heißstart. Die GB/T 31467-Serie vereint den Entwicklungsstand von Leistungsbatterien in China und wird entsprechend dem Inhalt der ISO 12405-Seriennorm modifiziert.

Im Gegensatz zu anderen Normen sind SAE J 2929 und ECE R100. Beide beinhalten Anforderungen an den Hochspannungsschutz und gehören zur Sicherheitskategorie von Elektrofahrzeugen. Die relevanten Testgegenstände in China sind in GB/T 18384 und GB/T 31467 3 aufgeführt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Akku und das Batteriesystem die Anforderungen von GB/T 18384 erfüllen müssen, bevor Sicherheitstests 1 und GB/T 18384 3 durchgeführt werden. Relevant Anforderungen.

3） Schweregrad

Für denselben Prüfgegenstand sind auch die in verschiedenen Normen festgelegten Prüfmethoden und Beurteilungskriterien unterschiedlich. Beispielsweise verlangt GB/T 31467 3 für den Ladezustand (SOC) von Testproben, dass die Probe vollständig aufgeladen ist; ISO 12405 fordert einen SOC von 50 % für die Energietypbatterie und einen SOC von 100 % für die Energietypbatterie; ECE R100 2. Der Ladezustand der Batterie muss über 50 % liegen; UN38. 3 stellt unterschiedliche Anforderungen für verschiedene Testgegenstände, und einige Testgegenstände erfordern auch recycelte Batterien.

Darüber hinaus ist es auch erforderlich, dass hohe Simulationen, thermische Tests, Vibrationen, Stöße und externe Kurzschlüsse mit derselben Probe getestet werden müssen, was relativ strenger ist. Für Vibrationstests erfordert ISO 12405, dass Proben bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen vibrieren, wobei die empfohlenen hohen und niedrigen Temperaturen 75 °C bzw. -40 °C betragen. Andere Standards sehen diese Anforderung nicht vor.

Für den Brandtest, GB/T 31467. Die experimentelle Methode und die Parametereinstellungen in 3 stimmen mit ISO 12405 überein. Der Unterschied ist nicht signifikant, beide werden vorgewärmt, direkt verbrannt und indirekt durch Zünden von Kraftstoff verbrannt, aber GB/T 31467 3 . Wenn sich in der Probe eine Flamme befindet, muss diese innerhalb von 2 Minuten gelöscht werden. ISO 12405 verlangt keine Zeitspanne, bis die Flamme erlischt. Der Brandtest in SAE J2929 unterscheidet sich von den beiden vorherigen. Dabei muss die Probe in einen Wärmestrahlungsbehälter gegeben, innerhalb von 90 Sekunden schnell auf 890 °C erhitzt und 10 Minuten lang gehalten werden, und es dürfen keine Komponenten oder Substanzen durch die außerhalb der Testprobe angebrachte Metallgitterabdeckung gelangen.

4、 Mängel in den bestehenden nationalen Standards

Obwohl die Formulierung und Veröffentlichung relevanter nationaler Standards die Lücke in Chinas leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterie-Kombinationssystemen geschlossen und weithin übernommen wurde, gibt es immer noch Mängel.

Zu den Prüfobjekten: Alle Normen schreiben nur die Prüfung von Neubatterien vor, für Altbatterien gibt es keine entsprechenden Vorschriften oder Anforderungen. Die Batterien verlassen das Werk ohne Probleme, was jedoch nicht bedeutet, dass sie auch nach längerem Gebrauch noch sicher sind. Daher ist es notwendig, die gleichen Tests an Batterien durchzuführen, die über unterschiedliche Zeiträume verwendet wurden, was einer regelmäßigen körperlichen Untersuchung entspricht.

In Bezug auf die Ergebnisbeurteilung: Die derzeitige Beurteilungsgrundlage ist relativ breit und einheitlich und enthält lediglich Bestimmungen für kein Leck, keinen Granatenbruch, kein Feuer und keine Explosion, ohne dass ein quantifizierbares Bewertungssystem vorhanden ist. Die Europäische Kommission für Automobilforschung und Technologieentwicklung (EUCAR) hat den Schadensgrad von Batterien in 8 Stufen unterteilt, was eine gewisse Referenzbedeutung hat.

In Bezug auf Testgegenstände: GB/T31467 3. Es mangelt an Testinhalten für Batteriepacks und Batteriesysteme in Bezug auf Wärmemanagement und thermisches Durchgehen, und die thermische Sicherheitsleistung ist für Batterien von entscheidender Bedeutung. Es ist von großer Bedeutung, das thermische Durchgehen einzelner Batterien zu kontrollieren und die Ausbreitung des thermischen Durchgehens zu verhindern, wie die verbindliche Umsetzung der „Sicherheitstechnischen Bedingungen für Elektrobusse“ zeigt. Darüber hinaus ist es aus Sicht der Fahrzeuganwendung für zerstörungsfreie Zuverlässigkeitstests, wie z. B. die Umweltzuverlässigkeit, erforderlich, nach Abschluss des Tests elektrische Leistungstests hinzuzufügen, um die Auswirkungen der Fahrzeugleistung nach Umgebungsveränderungen zu simulieren.

Was die Testmethoden betrifft: Die Lebensdauerprüfung von Batteriepacks und Batteriesystemen dauert zu lange, was sich auf den Produktentwicklungszyklus auswirkt und schwierig durchzuführen ist. Es ist eine Herausforderung, eine vernünftige, beschleunigte Lebensdauerprüfung zu entwickeln.

5. Zusammenfassung

In den letzten Jahren hat China große Fortschritte bei der Formulierung und Anwendung von Standards für Lithium-Ionen-Leistungsbatterien gemacht, es besteht jedoch immer noch eine gewisse Lücke im Vergleich zu ausländischen Standards. Neben den Prüfstandards verbessert sich das Standardsystem für Lithium-Ionen-Batterien in China auch in anderen Aspekten sukzessive. Am 9. November 2016 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie das „Umfassende technische Standardisierungssystem für Lithium-Ionen-Batterien“, in dem darauf hingewiesen wurde, dass das zukünftige Standardsystem fünf Hauptteile umfasst: grundlegende allgemeine Verwendung, Materialien und Komponenten, Design und Herstellung Prozesse, Fertigungs- und Prüfgeräte sowie Batterieprodukte. Dabei sind Sicherheitsstandards von großer Bedeutung. Mit der Aktualisierung und Entwicklung von Leistungsbatterieprodukten müssen auch die Prüfstandards die entsprechenden Prüftechnologien verbessern. Darüber hinaus wird das Sicherheitsniveau von Leistungsbatterien erhöht.