儲能科學與技術 - 《儲能科學與技術》|黃彧等：軌道交通動力鋰離子電池安全性測試標準分析－鑽石舞台

Aug 28 Sun 2022 03:30
儲能科學與技術 - 《儲能科學與技術》|黃彧等：軌道交通動力鋰離子電池安全性測試標準分析

作者：趙亞文1,2黃彧1,2張言茹1,2

單位：1. 北京交通大學電氣工程學院；2. 國家能源主動配電網技術研發中心

引用：趙亞文,黃彧,張言茹.軌道交通動力鋰離子電池安全性測試標準分析[J].儲能科學與技術,2022,11(08):2505-2518.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0043

摘要隨着鋰離子電池在動車組、地鐵、有軌電車等軌道交通車輛的不斷應用，其在使用過程中的安全性及安全性能評測越來越受到廣泛關注，國內外各大標準化組織和應用企業都制定了相應的安全評價標準。本工作詳細介紹了國內外軌道交通領域中具有引導性和規範性的現行標準，包括TJ/JW 126—2020、Q/CRRC J39—2019、TJ/JW 127—2020、Q/CRRC J37.1—2019、IEC 62928:2017和IEC 62619:2017，重點在電池單體、電池模塊、電池包、電池系統4個層面，從電氣安全、機械安全、環境安全3個角度對IEC標準和國內標準的電池安全性能評測方法進行詳盡對比分析，辨析國內外在使用範圍、測試對象、測試方法以及測試要求等方面的差異性。通過全面分析可以看出，國內標準對於動力鋰離子電池在機械、環境、電氣3個方面設置的試驗項目都較為全面，基本都高於國外標準的要求；而國外標準的試驗更側重於電氣安全要求。最後，基於機車車輛和電動汽車使用條件和使用工況的不同，對軌道交通用鋰離子電池安全標準的進一步完善提出了改進意見，以提高軌道交通電池系統評測的科學性和針對性，為新型儲能系統在軌道交通的應用發展奠定重要的基礎。

關鍵詞軌道交通；鋰離子電池；安全性；標準

由於在能量密度、循環壽命、節能環保等方面具有優良的性能，新型鋰離子電池儲能系統已經逐漸在動車組、機車、地鐵、城軌、有軌電車等軌道交通車輛中得到應用。目前國外應用主要集中在混合動力機車，而國內在各種類型機車車輛上開展了新型儲能系統的應用技術探索與研究，包括「復興號」動車組、京張高鐵智能動車組、HXN6型混合動力內燃機車、3000馬力調車機車(1馬力=735 W)、天津地鐵3號線、廣州黃埔有軌電車1號線、德令哈新能源有軌電車等。動力鋰離子電池發生熱失控造成火災、爆炸等嚴重安全事故的引發因素來源於兩方面：一方面是內因，即電池本體的材料以及生產工藝出現問題；另一方面是外因，即電池應用過程中出現多種濫用問題，比如電池內外部短路、過充放電、高溫環境、高倍率充放電、老化、擠壓變形、電解液泄漏等。當電池組中某一電池單體發生熱失控產生大量熱量，電池溫度急劇升高，通過各種傳熱方式或者噴濺給相鄰單體電池，將會引發熱擴散(熱蔓延)，即熱失控在電池模組或電池包中不斷擴展，動力鋰離子電池在機械損傷、電濫用、熱濫用等極端條件下的事故均以熱失控的形式最終體現。2020年4月3日，聖彼得堡發生地鐵爆炸事件；2020年9月15日，英國倫敦帕森格林地鐵站發生爆炸；2020年，11月24日，印度發生4起火車事故；2020年12月22日，西班牙馬德里發生火車碰撞事故；2021年7月21日，鄭州地鐵發生暴雨滲水停運事故。2021年，國家發布的「十四五」規劃中明確提出「加快發展方式綠色轉型，推動能源清潔低碳安全高效利用」，並且隨着新型儲能系統應用規模的不斷擴大，鋰離子電池的安全評測已經成為軌道交通領域推廣過程中亟待解決的關鍵問題之一。

文獻[1]從機械安全、環境安全、電氣安全等方面對比分析了國內外具有代表性的動力鋰離子電池安全性測試標準；文獻[2]從單體、模組、單元與安裝等層級對比分析國內外常用儲能鋰離子電池的熱失控測試方法；文獻[3]對比分析了國內外常用標準中單體電池的安全性能；文獻[4]的研究對象為儲能電站，從儲能系統的結構安全要求、電池本體安全要求、環境影響要求和系統安全要求等方面對比分析了國內外的儲能標準。本工作的研究對象為軌道交通用鋰離子電池，從電池單體、電池模塊、電池包、電池系統4個層面，電氣安全、機械安全、環境安全3個角度對IEC標準和國內標準的電池安全性能評測方法進行詳盡對比分析，旨在辨析國內外在使用範圍、測試對象、測試方法以及測試要求等方面的差異性，以提高軌道交通電池系統評測的針對性，進一步提升我國軌道交通的競爭力，促進軌道交通行業國際化發展。

1 國內外相關標準

為了實現鋰離子電池的安全性能科學評估，國內外、各行業標準化組織一致致力於電池安全評測方法的研究和標準制定工作。國外針對軌道交通牽引用和輔助用鋰離子電池分別編制了IEC 62928和IEC 62973-5標準。如圖1所示，IEC 62928作為國際首個專門針對軌道交通領域動力鋰離子電池的標準規範，於2017年發布，其主要基於IEC 62864-1軌道車輛車載儲能系統標準，從部件層面和系統層面提出了更高的性能要求。而電池的安全評測直接引用工業用大容量鋰離子系列標準IEC 62619，主要分為產品安全試驗和功能安全試驗。

圖1國外軌道交通鋰離子電池標準

國內軌道交通領域電池標準尚處於初期探索階段，未發布軌道交通鋰離子電池的國家標準和行業標準。由於應用模式類似的電動汽車領域已經建立起來較為完善的動力鋰離子電池的標準評測體系，因此在充分借鑑電動汽車領域的成熟經驗的基礎上，中國中車股份有限公司(以下簡稱中車)和中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱中鐵)聯合各大主機廠、研究機構、電池製造商，結合軌道交通實際運用環境和工況開展了標準化研究工作，如圖2所示。2019年中車發布了Q/CRRC J37.1—2019《軌道交通車載儲能系統測試方法第1部分：動力電池系統》和Q/CRRC J39—2019《軌道交通用動力電池單體和模塊》兩項企標；在此基礎之上，2020年中鐵發布了TJ/JW 124—2020《機車、動車組牽引用動力電池系統安全設計暫行技術規範》、TJ/JW 125—2020《機車、動車組用動力鋰離子電池綜合性能評估暫行技術規範》、TJ/JW 126—2020《機車、動車組用鋰離子動力電池試驗暫行技術規範第1部分：電池單體和模塊》、TJ/JW 127—2020《機車、動車組用鋰離子動力電池試驗暫行技術規範第2部分：電池包和系統》、TJ/JW 129—2020《機車、動車組用動力電池管理系統暫行技術規範》和TJ/JW 128—2020《機車、動車組動力電池熱保障系統暫行技術規範》6項企標，分別對機車、動車組用電池系統的安全設計、管理系統、熱保障系統以及電池系統的試驗和評估工作提出標準性要求，形成初步的標準體系框架。

圖2國內軌道交通鋰離子電池標準

2 安全評測指標

國內中車企標Q/CRRC J39、Q/CRRC J37.1和中鐵企標TJ/JW 126、TJ/JW 127以及國外IEC 62928、IEC 62619各標準中的測試項目對比見表1，通過對比分析，TJ/JW 126和Q/CRRC J39標準的安全試驗項目完全相同，TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1標準的安全試驗項目完全相同。安全評測主要針對鋰離子電池的熱濫用、機械濫用、電氣濫用的應用情況，評估電池系統的環境適應性能和功能安全性能。

表1各標準安全性測試項目

註：C表示電池單體和模塊；B表示電池包和電池系統，下同。

由表1對比可知，國內外標準中安全性能評測對象為電池單體/電池模塊或者電池包/電池系統。國內企標根據評測對象層次進行劃分，單體標準為TJ/JW 126和Q/CRRC J39，系統級標準為TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1；而國外IEC在一個統一的標準下分別對部件級單體電池和系統級儲能系統的安全要求作出規定，僅在試驗項目測試對象要求中明確試驗級別。TJ/JW 126和Q/CRRC J39標準中規定了10項單體和模塊試驗項目，TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1標準中規定了17項電池包和電池系統試驗項目；IEC 62928標準規定了4項單體安全試驗項目、8項系統安全試驗項目、3項單體和系統安全試驗項目。

從試驗項目來看，國內外標準都較注重電池系統的安全性，且着重體現在電氣安全方面，在實際應用中，動力鋰離子電池通過不同的串並聯方式成組封裝使用，對電池系統的安全性能提出了較高的要求。另外，作為電池系統的組成部分，電池單體的本體安全性將影響電池系統的安全性，所以，國內外標準在考慮電池單體和電池系統安全性能的基礎上，進一步加強了電池系統的安全性測試。國內標準中對於電池系統的安全性能要求更加全面，包括機械安全、環境安全和電氣安全3個方面，而IEC 62928主要考慮電池系統的電氣安全性能。

在機械安全方面，國內外都規定的試驗項目有跌落、衝擊和振動，TJ/JW 126和Q/CRRC J39單獨規定的試驗項目有擠壓和針刺，TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1單獨規定的試驗項目有碰撞和擠壓。國內標準考慮的試驗項目更多，IEC 62928試驗項目的適用範圍更廣。

在環境安全方面，國內外都規定的試驗項目有外部火燒和加熱，TJ/JW 126和Q/CRRC J39單獨規定的試驗項目有海水浸泡、低氣壓和溫度循環，TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1單獨規定的試驗項目有鹽霧、高海拔、濕熱循環和溫度衝擊，國內標準考慮的試驗項目更多，IEC 62928電池單體考慮的只有加熱，電池系統考慮的只有外部火燒，且屬於同類型的試驗項目。另外，國內標準中對電池單體和電池系統的環境安全要求完全不一樣，在試驗項目上沒有交叉項，但是將兩者結合起來，便構成了較為完整且全面的環境安全試驗項目。

在電氣安全方面，國內外標準考慮的項目基本一致，在電池單體方面都考慮了過充電、過放電和外短路，在電池系統方面，都考慮了短路、過充電保護等6項。在電池的實際應用過程中，過充、過放和短路是引發熱失控的主要誘因，因此國內外標準在對電池單體進行過充、過放和短路試驗的同時，都對電池系統的過充電保護、過流保護和短路保護性能進行了二次試驗。

3 機械安全性

機械濫用主要指通過擠壓、碰撞和針刺等形式造成電池內短路及溫度異常的安全問題。鋰離子電池在遭受機械濫用後隔膜破裂，正負極接觸發生內短路，瞬時釋放出大量的熱誘發熱失控，進而發生噴射火。本節對比分析了國內外都規定的跌落、衝擊和振動試驗，並對國內標準單獨規定的碰撞、擠壓、針刺試驗和國外標準單獨規定的重物撞擊試驗逐項進行說明。

3.1　振動和機械衝擊

車輛在運輸和行駛過程中總會伴隨着振動和機械衝擊的發生。振動(vibration)和機械衝擊(mechanical shock)分別用於模擬車輛長時間顛簸和車輛加減速以及可能發生撞擊的情況下電池系統的機械損傷及安全性。所以，國內外標準將隨機振動和機械衝擊納入評測電池機械環境安全性的試驗項目中，試驗對象一般為系統級的電池包和電池系統。

IEC 62928在電池系統基本安全試驗方法的基礎上，針對軌道交通應用增加了有關機械環境適應性的性能要求，但是試驗方法主要採用軌道交通通用標準IEC 61373，TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1也規定了衝擊和振動安全試驗項目，試驗方法直接引用國內通用標準GB/T 21563。由於GB/T 21563基本等同於IEC 61373，因此國內外針對電池系統機械衝擊和振動的試驗方法基本相同，即首先進行模擬長壽命振動試驗，其次進行衝擊試驗，最後進行功能振動試驗。功能振動試驗主要用於驗證電池系統在軌道機車車輛上可能面臨的環境條件下功能是否正常，模擬長壽命振動試驗旨在驗證加速運行振動量級下電池系統機械結構的完好性，其中TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1規定的測試溫度範圍大於IEC 62928，並且明確要求測試時電池SOC狀態必須大於50%。電池系統的振動試驗和機械衝擊嚴酷等級一般選擇車體安裝的1類A級或者1類B級，正弦掃頻、隨機振動試驗參數和機械衝擊試驗參數見表2和表3。

表2振動試驗方法

表3機械衝擊試驗方法

3.2　跌落

跌落(drop)試驗是模擬電池從車輛中意外滑落或從一定高度掉落的情況。該試驗對電池的跌落方式、高度、次數等有特定的要求，具體試驗方法對比分析見表4。TJ/JW 126和Q/CRRC J39僅對單體電池進行自由落體整體跌落試驗，而IEC 62928跌落試驗的試驗對象分為單體電池和電池系統兩個層次，並且根據電池系統的質量大小區分跌落方式，當電池質量大於20 kg時採用邊角跌落方式，質量越大跌落高度要求越低，而電池質量≤20 kg時採用整體跌落方式。此外，TJ/JW 126和Q/CRRC J39規定的跌落高度為1.5 m，高於IEC 62928的最高要求1 m，但IEC 62928中規定的跌落次數更多。TJ/JW 126和Q/CRRC J39對電池跌落的性能要求較高，在不起火、不爆炸的基礎上，對不漏液提出了要求。

表4跌落試驗對比分析

3.3　碰撞

碰撞(crash)試驗主要用於模擬在實際運輸條件下和工作環境中所受到的碰撞效應，驗證由於重複衝擊所引起的累積損傷或所規定的性能是否下降。TJ/JW 127標準對電池系統的碰撞安全性能提出要求，要求測試對象無起火或爆炸現象，IEC 62928未設置此試驗項目。該試驗項目與機械衝擊有一定的相似性，均通過半正弦波掃頻多次碰撞模擬不同方向高加速度下的機械損傷和安全性。TJ/JW 127中電池系統碰撞試驗方法直接引用GB/T 2423.5—2019，但未確定峰值加速度、持續時間、碰撞次數等參數的試驗嚴酷等級；另外，標準還規定如果無法滿足試驗條件，可以根據機車車輛質量、設計運行速度、車體結構、電池系統安裝結構、材料剛性和強度等對鋰離子電池系統進行模擬碰撞仿真計算，進行仿真分析時，要求證明電池系統不會因碰撞而發生重大位移或結構鬆動。

3.4　擠壓

擠壓(crush)試驗用於模擬單體靜態或准穩態下擠壓形變後的安全狀態，評估車輛遭遇事故或其他外力擠壓時電池的安全性能。試驗方法為通過一個特定形狀和尺寸的擠壓板對電池以特定的速度和方向進行擠壓，直到達到截止條件為止。國外標準IEC 62928未設置此試驗項目，而國內標準在單體層次(TJ/JW 126、Q/CRRC J39)和系統層次(TJ/JW 127、Q/CRRC J37.1)均規定了擠壓試驗項目。單體電池和電池系統的試驗方法基本相同，僅在擠壓板形狀、擠壓截止條件上存在差異，TJ/JW 126和Q/CRRC J39隻規定了一種擠壓板的形式，且截止條件更為嚴苛，TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1中有兩種擠壓板的形式可供選擇，具體試驗方法見表5，兩種擠壓板形狀見圖3，擠壓力數值見表6。

表5擠壓試驗方法

註：M表示電池模塊。

圖3擠壓板形狀

表6擠壓力數值表

3.5　針刺

針刺試驗(penetration)用於評估電池受到刺穿時的安全性。試驗方法為採用耐高溫鋼針以一定的速度和角度貫穿樣品，破壞電極和隔膜的完整性，造成內短路，從而釋放熱量，該試驗要求測試後電池不起火不爆炸。針刺試驗是嚴酷等級較高的安全性試驗，也是單體電池熱失控的主要觸發方式之一。IEC 62928未單獨規定此試驗項目，但是單獨設置了單體電池的內短路試驗。TJ/JW 126和Q/CRRC J39將樣品細分為電池單體和電池模塊，試驗方法基本相同，僅在鋼針直徑、針刺深度上存在差異，具體試驗方法比對見表7。

表7針刺試驗方法

3.6　重物撞擊

IEC 62928標準規定了重物撞擊(impact)試驗以評估電池的機械安全性，而國內標準在各個層級均未設置重物撞擊試驗。重物撞擊試驗也是模擬電池內短路的試驗，但是試驗方法與跌落不同，一般通過設定某一高度的具有特定質量的重物錘或球體，通過自由落體的形式，對鋰離子電池進行重物撞擊。具體試驗過程為：先將電池放在水泥或金屬平面上，用直徑為(15.8±0.1) mm、長度不短於60 mm且大於電池長軸的不鏽鋼棒放在電芯或電池塊的中心，然後將9.1 kg的重物從(610±25) mm的高度砸落到樣品上，不同性質電池的具體撞擊方式參見圖4。

圖4電池撞擊方式

4 環境安全性

本節通過將電池置於特定的環境中進行試驗，要求電池不發生起火爆炸或者漏液來評估電池的環境安全性。對比分析了國內外都規定的外部火燒、加熱試驗，並對國內標準單獨規定的海水浸泡、低氣壓、鹽霧、高海拔、濕熱循環、溫度循環和溫度衝擊試驗逐項進行說明。

4.1　外部火燒

外部火燒(external fire exposure)試驗是將樣品直接暴露在火焰下或者模擬電池起火狀態以評估起火時的安全性能。IEC 62619中未規定外部火燒試驗項目，而IEC 62928標準針對軌道交通應用增加了系統防火的試驗要求，但未規定具體試驗方法和性能要求。國內外的外部火燒試驗的評測對象均為電池系統，國內標準對外部火燒試驗項目的規定較為詳盡具體，測試可操作性更強。如圖5所示，具體試驗方法為：將燃料放入平盤容器中，點燃預熱60 s後再將平盤放至電池系統下方，使其直接暴露在火焰下方70 s，隨後將蓋板蓋住平盤，保持60 s，將油盤移走，觀察2 h或待電池系統溫度降至45 ℃以下。試驗過程中電池系統不應爆炸，若有火苗，應在火源離開2 min內熄滅。

圖5外部火燒示意圖

4.2　加熱

加熱試驗用於評估動力電池在高溫環境下的熱穩定性，將測試對象置於溫度箱內，按規定的溫升速率和溫度要求進行試驗。IEC 62619中規定的電池單體熱濫用試驗對應着TJ/JW 126和Q/CRRC J39標準中的加熱試驗，國內外標準對於溫升速率和試驗電池SOC狀態的要求相同，但TJ/JW 126和Q/CRRC J39標準最終加熱溫度要求更高，需要達到130 ℃，同時溫度保持時間和觀察時間較短，綜合而言兩種試驗嚴酷度基本相當，具體試驗方法對比見表8。

表8加熱試驗比對分析

4.3　海水浸泡

海水浸泡(immersion)試驗用於評估電池被水淹沒時的安全性，重點考察電池系統的密封性。該試驗要求被測電池被一定濃度的3.5%NaCl溶液完全淹沒並保持2 h，試驗過程中電池不應起火爆炸。此試驗項目僅在TJ/JW 126和Q/CRRC J39標準中對電池單體的性能提出要求，引用了電動汽車試驗標準GB 38031—2020，IEC 62928標準未做要求。

當電動汽車被水淹沒時，可能導致電池發生短路、起火甚至爆炸。與電動汽車相比，軌道交通電池系統容量大，電壓高，一旦發生熱失控，風險將帶來極大的能量釋放和危害。根據電動汽車及消費類電子產品鋰離子電池消防經驗，一旦電池發生熱失控並燃燒，最有效的滅火方式為用水浸沒。當前部分軌道交通車輛電池系統在設計初期設置了與消防車滅火對接的滅火噴淋系統，目的是在緊急情況時方便消防人員對熱失控的電池進行噴水降溫，以確保在電池燃燒等極端情況下能有效控制火勢。然而，對於高壓電池系統，一旦浸水後是否會發生電解反應產生易燃易爆氣體或者對所在水域形成較高電場影響人員安全並未得到有效驗證。

4.4　低氣壓/高海拔

低氣壓(low pressure)試驗用於評估電池在低氣壓/高海拔環境中運輸、使用的安全性，在某些標準中又稱高海拔(high altitude)試驗。TJ/JW 126和Q/CRRC J39標準對電池單體的低氣壓安全性能提出要求，TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1標準對電池系統的高海拔安全性能提出要求，而IEC 62928標準在電池單體和電池系統均未設置此試驗項目。電池系統高海拔試驗方法：在室溫和根據整車技術條件確定的氣壓條件下保存5 h，然後採用1C恆流放電至截止條件，觀察2 h。在試驗過程中要求電池系統無放電電流蛻變、電壓異常、泄漏、外殼破裂、起火或爆炸，並且試驗後系統絕緣性能符合要求。單體電池低氣壓試驗方法：將電池置於特定溫度和氣壓的低氣壓箱內靜置6 h，並觀察1 h，試驗過程中電池不應起火爆炸漏液。

4.5　鹽霧

鹽霧(salt spray)試驗主要用於考察電池系統的耐鹽霧腐蝕性，驗證評估電池系統的失效模式及安全性[7]。TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1標準中對電池系統的耐鹽霧性能提出要求，按照GB/T 25119中12.2.10規定的ST4級進行試驗，將電池系統置於密閉的試驗箱內，試驗箱內溫度保持在35 ℃，以pH值為6.5～7.2的鹽溶液不斷噴灑96 h，試驗結束後用自來水沖洗5 min，再在蒸餾水或飲水中漂洗，乾燥後放於標準大氣條件下1～2 h，試驗過程中要求電池系統不出現鏽蝕、無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸。IEC 62928標準未設置鹽霧試驗項目，而採用IP防護等級項目進行系統密閉性評估。

4.6　濕熱循環

濕熱循環試驗用於評估電池系統在不同溫濕度疊加下受到的損傷及安全性。TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1標準對電池系統的安全性能提出要求，IEC 62928標準雖然規定了電池系統工作環境條件，但並未設置相關試驗項目。根據軌道交通應用特點，國內標準中的濕熱循環試驗方法直接引用GB/T 25119中12.2.5的交變濕熱試驗方法，試驗過程主要分為穩定階段、循環階段、降溫階段、降溫後靜置和恢復5個階段，不同階段的溫度和濕度有不同的要求。具體試驗方法見表9，其中，從循環開始算起24 h為一周期。

表9濕熱循環試驗方法

4.7　溫度循環/溫度衝擊

溫度循環(temperature cycling)/溫度衝擊(thermal shock)試驗用於評估電池系統在高溫下或者在環境溫度突然快速變化下受到的損傷及安全性。TJ/JW 126、Q/CRRC J39中規定的單體電池溫度循環試驗和TJ/JW 127、Q/CRRC J37.1中規定的電池系統溫度衝擊試驗都是電池熱穩定性試驗，只是對電池單體和電池系統的安全性要求和試驗方法略有不同，IEC 62928標準在電池單體和電池系統方面均未設置此試驗項目。在電池單體試驗中，設置有中間過渡溫度25 ℃，從25 ℃降到-40 ℃和從-40 ℃回到25 ℃的轉換時間都為60 min，從25 ℃升到85 ℃和從85 ℃回到25 ℃的轉換時間分別為90 min、70 min。在電池系統試驗中，沒有中間過渡溫度，要求以30 min的轉換時間在-40～85 ℃之間轉換。總的來說，對電池系統的安全性要求更為嚴格，無中間過渡溫度，轉換時間短，並且在極端溫度下的保持時間長達8 h。具體試驗方法對比見表10。

表10溫度循環/衝擊試驗方法

5 電氣安全性

5.1　過充電

過充電被認為是最常見和最危險的濫用方式之一。電池過充電是指在充電過程中向電池內部注入了多餘的能量，使得電池電壓高於充電截止電壓，當電池發生過充時，持續流過的充電電流就會通過電化學反應產生大量的熱量。過充電壓的變化趨勢：高於截止電壓後達到最大值，然後降低，進而發生熱失控。在充電過程中，過充會導致鋰金屬大量移動到負極並發生鋰沉積，正極由於鋰離子的過度脫出而發生晶格塌陷並放出氧氣。其次，在過充的過程中，電池內部各個組分材料發生一系列失穩反應並釋放熱量，正極的相變釋氧又會進一步加劇放熱反應，導致熱失控發生。過充電試驗用於評估電池在充電器或相關控制電路故障時可能發生的充電超出製造商限制時的安全性。試驗方法一般為在要求的溫度下以一定的充電倍率對滿電的動力電池繼續進行充電，直至達到規定的截止條件，TJ/JW 126和Q/CRRC J39標準規定的最大充電電壓高於IEC 62928，具體試驗方法對比見表11。

表11過充電試驗對比分析

5.2　過放電

過放電試驗用於評估電池在SOC為0%的狀態下仍繼續放電的安全性，主要考察電池承受強制放電的能力。IEC 62619中規定的電池單體強制放電試驗對應TJ/JW 126和Q/CRRC J39中的過放電試驗，兩者試驗方法基本相同，即以1 C電流對100%SOC單體電池持續放電90 min，TJ/JW 126和Q/CRRC J39增加了試驗後觀察1 h的要求。TJ/JW 126和Q/CRRC J39在對電池單體進行過放電試驗的同時，在功能安全中還對電池系統的過放電保護性能提出了更高的要求，包括無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現象，試驗後絕緣電阻不小於100 Ω/V或整車技術條件規定數值。

5.3　外短路

外短路是指電池正負兩個端子直接相連所引起的快速放電現象，外短路試驗用於評估電池在外部短路情況下的安全性。由於連接電阻很小，電池放電電流很大，導致電池端子溫升嚴重，甚至熔斷。連接件的鬆動、電池受外部碰撞、電池內部浸水、電解液泄漏、電池正負極被導線連接等情況都會造成電池的外短路。該試驗要求用電阻很小的導線將電池正負極連接，使電池短路一定時間，國內外標準外短路試驗方法對比見表12。在IEC 62619要求(30±10) mΩ的基礎上，IEC 62928提高了對短路電阻的要求，將短路電阻值修改為5 mΩ及以下。除了IEC 62619規定的單體層級的外短路試驗外，IEC 62928還進行了系統級的組合試驗和部件試驗，但是沒有對測試方法進行詳細規定，在組合試驗中規定環境溫度為(25±5) ℃，且更側重於保護功能或裝置能否正常運行，驗收標準為保護功能或裝置能正常工作，除保險絲外，ESU沒有損壞。如果不進行組合測試，可以對電池單元單獨進行試驗，包括單體試驗和系統功能試驗，單體試驗的目的是檢查電池是否能承受短路條件，系統功能試驗的目的是確保各部件按照設計的保護配合工作，需要注意的是，保護功能的輸入信號為短路檢測信號，而不是實際的短路，這種觸發方式是國內標準中所沒有的。

表12外短路試驗對比分析

另外，線束在長時間使用的情況下，偶爾會出現短路或者燒壞的現象，如果處理不及時很容易引起整個電氣設備的損壞。在TJ/JW 127 和Q/CRRC J37.1標準中，對電池系統發生線束短路時的安全性做出要求，即線束短路試驗，該試驗要求將採樣線束在採樣端另一側通過插件進行短路，觀察1 h，試驗過程中電池不應起火爆炸。

5.4　熱失控試驗

熱失控試驗以不同的觸發方式來觸發熱失控，用於評估電池在熱失控情況下的安全性。TJ/JW127和Q/CRRC J37.1通過監測電壓、溫度、溫升速率等來判定是否發生熱失控，IEC 62619的判定方法只有電壓降，國內標準中的方法更加具體全面。TJ/JW 127和Q/CRRC J37.1中規定了3種熱失控觸發方法：針刺、加熱、過充，IEC 62619規定了內短路和熱擴散2種觸發方法，在熱擴散試驗中包括了加熱、針刺、過充等觸發方法。在觸發方式上，IEC 62619多了1種內短路觸發方式，但是並未對各種觸發方式的觸發方法進行詳細的規定。此外，TJ/JW127和Q/CRRC J37.1標準對試驗的溫度、濕度、壓力等環境因素作出要求，在針刺試驗中，對刺針材料、刺針直徑、針尖形狀、針刺速度都有詳細的要求。具體試驗方法對比見表13。

表13熱失控/熱擴散試驗對比分析

6 功能安全

IEC 62928標準的電池系統功能安全試驗方法直接引用IEC 62619標準，試驗項目包括過充電壓控制、過充電流控制、過熱控制3項，這3個項目分別對應於TJ/JW127和Q/CRRC J37.1標準中的過充電保護、過流保護、過溫保護，但是國內外對於保護功能的具體試驗方法和性能要求的差異性較大。另外，IEC 62619中未規定電池系統短路保護功能安全試驗項目，IEC 62928對該項目進行了補充，但未規定具體的試驗方法。在功能安全試驗方法上，TJ/JW127和Q/CRRC J37.1標準對環境溫度的要求更高一些，試驗的截止條件更加明確，並且性能要求也較高，IEC 62928標準對截止條件沒有直接要求。具體功能安全試驗方法對比見表14。

表14功能安全試驗項目對比分析

7 結論

本文總結了國內外軌道交通用動力鋰離子電池安全性測試標準，從機械安全性、環境安全性、電氣安全性3方面比較了這些標準中各個試驗項目的試驗參數和試驗條件。從測試項目來看，國內外標準都較注重電池系統的安全性，此外，國內標準從機械、環境、電氣安全3方面評估電池的安全性能，國外標準主要評估電池的電氣安全性能。

在機械安全方面，國內外標準都設置了振動和機械衝擊、跌落試驗項目，且振動和機械衝擊試驗方法基本相同，國外標準對跌落試驗的要求較為嚴格。碰撞、擠壓、針刺試驗僅在國內標準中有要求，重物撞擊只在國外標準中有要求；在環境安全方面，國內外標準都對外部火燒、加熱進行了試驗，加熱試驗的嚴酷度基本相當，另外國內標準對外部火燒試驗方法、試驗參數和性能要求都有較為詳細的規定。海水浸泡、低氣壓、鹽霧、溫度等7項耐環境試驗項目只在國內標準中有具體要求，其中溫度試驗包括單體層級的溫度循環試驗和系統層級的溫度衝擊試驗，並且電池系統試驗的嚴酷度明顯高於電池單體；在電氣安全方面，國內外試驗項目基本相當，但總的來說國內標準的安全性要求略高於國外標準。IEC 62928的安全評測直接引用了IEC 62619，由於IEC 62619是工業領域鋰離子電池通用性標準，因此針對各個應用場景在機械和環境試驗方面的規定較少。

對於國內相關標準的建設，總體有以下建議。

（1）國內標準電池安全試驗方法主要參考引用電動汽車試驗標準，僅將環境適應性試驗條件和測試等級根據軌道交通應用情況進行修改，如衝擊和振動、碰撞、交變濕熱、鹽霧試驗方法均參考引用軌道交通通用試驗標準。由於軌道交通工況和電動汽車工況差異性較大，應該基於實際應用數據和運行安全性要求，在測試條件、試驗方法、嚴酷程度等多方面充分探討原有電動汽車動力電池安全測試方法對於軌道交通車輛的適宜性，例如機車車組在高速行駛時電池受到的擠壓、針刺強度更大，高壓系統浸水時造成的危害性更高等情況，應該改進試驗方法並增強試驗嚴酷程度。

（2）目前國內標準中對於電池本體安全試驗項目和電池系統應用安全試驗項目較多，且存在多個層面設置相同試驗項目，或者對於相同濫用安全評測設置多個試驗項目的情況，在一定程度上造成測試周期長測試成本高的問題，因此也應該充分評估各種安全試驗項目在不同測試層面的試驗必要性。機械安全性試驗中，電池單體層級和系統層級都設置了擠壓、外短路試驗；環境安全性試驗中，溫度循環、溫度衝擊都屬於熱濫用安全評測；電氣安全性試驗中，對電池單體進行過充、過放、外短路試驗的同時，對電池系統進行過充電保護、過放電保護、短路保護試驗，對同一濫用情況的不同層面設置了相同的試驗項目。

（3）國內外標準中對整車級別的安全試驗較少，由於軌道交通車載儲能系統容量大、成本高，應該研究行之有效的模擬仿真等非破壞性評估方式，實現動力電池安全的科學評測，促進動力鋰離子電池在軌道交通行業高效且安全的發展。

第一作者：趙亞文（1998—），女，碩士研究生，主要研究方向為動力鋰電池歷史數據，E-mail：1425433157@qq.com；

通訊作者：黃彧，高級工程師，主要研究方向為充電設備測試與評估、充電站優化設計與評估，E-mail：yinhuang@bjtu.edu.cn。

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