中国动力电池单体电性能测试标准对比与分析①

郝维健,胡 建,牛萍健,柳邵辉,马天翼,郑天雷

(1.中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300;2.中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

2020年9月,我国明确提出“碳达峰”与“碳中和”目标。根据研究显示,交通运输行业二氧化碳排放量约占全国总碳排放量的10%,其中道路交通在交通全行业碳排放中的占比约为80%[1]。因此,电动化被视为我国交通运输行业实现“双碳”战略目标的必由之路。近年来,电动汽车、电动摩托车、电动船舶等电动交通工具进入了快速发展期。动力电池作为驱动电动交通工具的核心部件,在电动交通工具的动力性、安全性和续航里程方面起到至关重要的作用。据报道,截至2022年,我国动力电池的装机量已达到295.7 GWh,同比增长93%[2],连续多年位居世界第一,这为我国交通运输领域的电动化转型发挥了重要作用。

动力电池的最小储能单元是单体。通常情况下,一种动力电池单体产品可同时应用于电动汽车、电动船舶、电动摩托车等多种终端产品。动力电池的核心技术参数包括高低温容量、功率、内阻、无负载容量损失和循环性能等,这些参数是动力电池单体产品研发和验证的关键测试项目。研究不同电动交通工具的动力电池单体电性能测试标准对产品研发的便利性和减少重复测试具有重要意义。因此,本文总结了我国常用电动交通工具的动力电池单体电性能测试标准,并对比分析了容量、比能量、能量效率、功率、无负载容量损失等测试项目的异同点,为动力电池的研发和验证提供参考。

1 中国动力电池性能标准

目前,我国已经发布或正在起草与电动汽车、电动摩托车、电动自行车、电动船舶、电动轨道机车车辆、电动航空器等相关的动力电池标准或规范,见表1。

表1 动力电池单体性能标准/规范总结

1.1 电动汽车领域

在电动汽车领域,现行的单体性能标准包括GB/T 31486—2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》[3]和GB/T 31484—2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》[4]。这两项标准均由全国汽车标准化技术委员会(TC114)归口管理,分别规定了电动汽车用动力电池单体和模组的电性能、循环性能要求。这两项标准均被工业和信息化部《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》引用,成为电动汽车动力电池产品准入标准。目前,GB/T 31486《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》标准正在修订中,主要修订内容包括根据动力电池技术发展趋势,将全部模组测试的测试对象修改为单体,根据动力电池使用场景调整部分测试项目的方法,并提高了指标要求。该标准的修订已完成公开征求意见。此外,GB/T 31484《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》已于2022年下半年启动修订预研工作,预计2023年底或2024年初下达立项计划。基于以上标准的修订进度,本文在叙述电动汽车动力电池性能类标准时,主要参考了GB/T 31486修订征求意见稿和GB/T 31484—2015。

1.2 电动摩托车领域

在电动摩托车领域,现行的单体性能国家标准是GB/T 36672—2018《电动摩托车和电动轻便摩托车用锂离子电池》[5],由全国汽车标准化技术委员会(TC114)归口管理。该标准规定了电动摩托车和电动轻便摩托车电池的型号和安全性、电性能要求。在单体电性能方面,GB/T 36672—2018与电动汽车动力电池电性能标准保持一致。在安全性要求方面,该标准主要参考了欧盟摩托车安全法规ECE R136《关于L类电动车辆特定要求的批准与统一规定》。目前,相关的标准化组织已启动了GB/T 36672的修订预研工作。

1.3 电动自行车领域

在电动自行车领域,现行单体性能国家标准为GB/T 36972—2018《电动自行车用锂离子蓄电池》[6],由全国自行车标准化技术委员会(TC155)归口管理。该标准在原有的轻工行业标准QB/T 2947.3—2008《电动自行车用蓄电池及充电器 第3部分:锂离子蓄电池及充电器》[7]的基础上,进一步提升了电性能,增加了安全性测试项目,对阻燃性能、电磁兼容性能以及互换性、兼容性提出了要求[8]。

1.4 电动船舶

目前,在电动船舶领域尚未制定动力电池性能类的国家标准。然而,船级社规范《船舶应用电池动力规范(2023)》[9]是电动船舶用动力电池领域具有较高影响力的规范文件。该规范文件在《纯电池动力船舶检验指南(2019)》[10]基础上起草,对动力电池分别提出品质、安全要求。

1.5 电动轨道机车车辆

电动轨道机车车辆领域动力电池单体性能标准《轨道交通 机车车辆 动力蓄电池 第1部分:锂离子蓄电池》正在制定过程中。该标准修改采用IEC 62928:2017《Railway applications-Rolling stock-Onboard lithium-ion traction batteries》[11],在对应国际标准的基础上,修改了安全性能要求、电性能要求和对应测试方法。因该标准尚未发布,本文对比对象为该标准的公开征求意见稿。

1.6 电动航空器

在无人机等电动航空器领域,动力电池单体性能标准《无人驾驶航空器用锂离子电池和电池组规范》正在制定过程中。该标准适用于为民用轻小型多旋翼无人机(最大起飞重量约为150 kg)提供动力源的锂离子电池和电池组。因该标准尚未发布,本文对比对象为该标准的公开征求意见稿。

2 中国动力电池单体电性能标准对比

动力电池为电动交通工具提供驱动能量,需满足电动交通工具在各种使用工况下的电性能要求,包括高低温容量、倍率充电、荷电保持、能量效率、循环性能等。由于不同交通工具的使用场景不同,因此对应的单体电性能标准也有一定区别。表2对比了不同电动交通工具动力电池单体电性能测试项目,其中所有标准中都包括室温容量、低温容量和荷电保持,其中电动汽车和电动摩托车涵盖的单体电性能测试项目最多。

表2 动力电池单体电性能测试项目标准对比

2.1 室温放电容量

容量是动力电池的基础参数,用于衡量动力电池作为电能存储器件所存储的电荷量。室温放电容量是动力电池单体最基础的测试项目,其主要目的是验证电池单体是否能够达到申报的额定容量。各类标准之间的主要区别在于放电倍率的不同。例如,电动汽车动力电池标准倍率不小于1/3 C,电动摩托车为1 C,电动自行车标准为0.5 C,而电动航空器、电动船舶的标准则未限制倍率,电动轨道机车的标准根据单体最大充电倍率的不同规定了多个放电倍率档位。

在动力电池产业发展的早期阶段,为了提高测试效率,各个动力电池标准中的室温放电倍率均较高(如GB/T 31486—2015和GB/T 36672—2018中的放电倍率均为1 C)。一方面,随着电动汽车等行业发展日益成熟,新修订的电动汽车动力电池标准在设置室温放电倍率时充分考虑了电池的装载对象和使用场景。根据数据显示,电动汽车使用时的平均放电倍率在0.2～0.3 C,因此GB/T 31486修订征求意见稿中将现行2015版的室温放电倍率由1 C调整为1/3 C以上。另一方面,由于电动船舶、电动轨道机车、电动航空器等产业仍处于快速发展阶段,考虑到不同技术路线的动力电池规格参数和工作倍率的差异,因此并未限制室温容量测试倍率。动力电池单体室温放电容量测试方法总结见表3。

表3 动力电池单体室温放电容量测试方法总结

2.2 高低温容量

温度是影响动力电池容量的重要性能参数。动力电池通常在高低温环境下使用,尽管动力电池系统通常包括热管理系统,但动力电池单体的高低温容量性能对于方便热管理系统设计和提升动力电池系统的高低温性能意义较大,因此有必要考查动力电池单体在高温、低温下的放电容量。

在锂离子电池中,低温会导致离子传导速率减慢,从而降低容量[12-13]。动力电池单体高低温放电容量测试方法总结见表4,所有动力电池单体性能标准均考查了低温性能。电动汽车、电动摩托车和电动自行车的低温测试温度均为-20 ℃,且放电倍率与室温放电倍率保持一致。考虑到产品的实际应用环境不同,电动船舶、电动轨道机车和电动航空器的标准根据制造商规定的测试工况开展测试。在测试指标方面,由于目前锂离子电池的低温性能仍然受温度影响较大,各项标准对于低温容量的指标要求集中在70%～80%的额定容量范围内。

表4 动力电池单体高低温放电容量测试方法总结

高温对锂离子电池的容量影响相对较小,甚至在某些体系中,高温容量可能比常温容量更高。因此,各项动力电池标准中,对高温容量要求集中在90%～98%的额定容量范围内。

2.3 倍率特性

随着电动交通工具行业规模和技术水平的提升,对于电动交通工具快速放电和快速补能的需求日益增加[14],这对动力电池的倍率特性提出了更高要求。

倍率特性考查电池在高倍率充放电下的能力。在倍率放电方面,电动汽车、电动摩托车、电动自行车、电动轨道机车和电动航空器的标准均包括电池的高倍率放电测试。由于不同电动交通工具的使用工况不同,不同标准中的测试倍率也不同。例如,电动汽车中的高功率单体(通常用于混合动力电动汽车)的测试倍率为10 C,高能量单体(通常用于纯电动汽车)的测试倍率为1 C,电动自行车的电池单体的测试倍率统一为1 C,电动航空器测试倍率统一为3 C。在测试形式方面,大多数标准采用高倍率100%放电深度,并要求放电后的容量不低于95%的初始容量。电动轨道机车的动力电池标准根据单体的最大放电倍率的不同,采用6 C/20 C脉冲放电5 s后测量室温放电容量的形式进行测试。此外,只有电动汽车和电动摩托车的动力电池标准中包含倍率充电测试,考查电动汽车、电动摩托车在快充工况下的放电容量。这主要是因为电动汽车和电动摩托车对快速补能的需求较为突出。电动汽车的标准要求电池单体在30 min内充满后,测得的室温放电容量不低于80%的初始容量;电动摩托车标准要求的充电倍率为2 C(不大于400 A),技术要求与电动汽车的标准一致。动力电池单体倍率充放电容量测试方法总结见表5。

表5 动力电池单体倍率充放电容量测试方法总结

2.4 荷电保持

荷电保持主要考查动力电池单体在长期停放工况下的电量保持能力。目前,本文所列举的各项动力电池标准中均包括荷电保持项目。荷电保持项目主要分为四类:常温荷电保持、高温荷电保持、常温存储和高温存储。荷电保持是在100%荷电状态(state of charge,SOC)下静置一段时间后考查电池的保持容量和恢复容量,静置时间通常为常温28天左右、高温7天左右。要求保持容量为初始容量的80%～90%,恢复容量为初始容量的85%～95%。存储是在50% SOC下静置一段时间后考查电池的恢复容量,相较于荷电保持测试,存储测试的静置时间更长。动力电池单体倍率荷电保持测试方法总结见表6。

表6 动力电池单体倍率荷电保持测试方法总结

2.5 循环寿命

循环寿命显著影响新能源汽车长期使用后的续航里程。循环寿命较短、容量衰减较快的动力电池显著影响消费者的使用体验。因此,所有标准中均包含循环寿命测试。在测试方法方面,为便于开展测试,所有标准中均包含恒流充放电循环。根据不同的使用场景,不同类型的电动交通工具具有不同的放电倍率。例如,电动汽车、电动摩托车、电动航空器的放电倍率为1 C,电动自行车为0.5 C,电动轨道机车为0.2 C。在充电倍率方面,各标准均允许制造商规定充电倍率。在循环寿命方面,考虑产品价格和预期使用寿命的不同,不同类型的电动交通工具有不同的要求。例如,相较于电动摩托车,电动汽车的动力电池更换成本更高,预期使用寿命更长。因此,在循环寿命指标方面,电动汽车用动力电池标准要求高于电动摩托车用动力电池标准。电动汽车用动力电池的循环寿命要求为500次循环后容量保持率不低于90%或1 000次循环后容量保持率不低于80%,而电动摩托车用动力电池的循环寿命要求为300次循环后容量保持率不低于90%或600次循环后容量保持率不低于80%。动力电池单体循环寿命测试方法总结见表7。

表7 动力电池单体循环寿命测试方法总结

3 结论和展望

本文系统对比了电动汽车、电动摩托车、电动自行车、电动船舶、电动轨道机车等电动交通工具动力电池单体的电性能测试技术要求与试验方法。由于交通工具的使用环境条件相似,因此在低温放电温度、荷电保持条件、荷电保持要求等方面保持一致,但由于不同交通工具的行驶速度、使用年限等条件不同,各项标准在室温放电倍率、循环寿命测试工况、循环寿命指标要求方面各有不同。

随着各类电动交通工具以及对应动力电池技术的发展,基于本文研究,提出以下动力电池单体性能类标准的修订建议。

(1)建议在测试温度、荷电保持周期等测试方法上注重与同类产品电池系统标准和其他类型电池单体标准协调,减少企业重复测试,方便企业产品研发。

(2)建议在完善测试方法的基础上,结合行业技术水平适当改进技术指标,有利于进一步提升动力电池产品质量,助力产业健康可持续发展。

(3)建议积极推动标准国际化,基于我国动力电池技术积累和标准化经验,在国际标准化舞台上积极研提技术提案,贡献“中国智慧”。