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锂离子电池国家标准GB31241与UN38.3的比较

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2023-12-06 14:12:17   点击量:103

【摘要】对国家标准GB 31241-2014 《便携式电子产品用锂离子电池电池

安全要求》与UN 38.3的测试方法进行比较,讨论两种方法在试验条件、样品数目

上的差异.GB 31241通过电池、电池组和保护电路的全面测试,保证锂离子电池的

安全,但与UN 38.3在样品数量、某些项目的具体试验条件等方面有差异.

【期刊名称】《电池》

【年(卷),期】2016(046)001

【总页数】3页(P46-48)

【关键词】GB 31241;UN 38.3;锂离子电池;运输;标准;安全

【作者】杨强;李茜

【作者单位】中国民航科学技术研究院,北京100028;中国民航科学技术研究院,北

京100028

【正文语种】中文

【中图分类】TM912.9

锂离子电池在使用过程中有可能会发生起火、爆炸等问题,引起了人们对锂离子电

池使用安全的关注。

GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》[1]于2014

年12月5日发布,并于2015年8月1日开始正式实施。锂离子电池的运输安全

也一直是运输管理部门的关注重点。从1995年开始,锂金属电池和锂离子电池就

陆续被列入了联合国危险货物名录中,运输时需要满足相应的测试标准和包装要求,

联合国《关于危险货物运输的建议书——规章范本》明确规定,每只电池或电池

组都应该通过《关于危险货物运输的建议书——试验和标准手册》第三部分38.3

节的测试(以下简称UN 38.3)[2]。

GB 31241重点关注不超过18 kg电子产品用锂离子电池和电池组的安全要求[3],

在制订过程中参考了国内外的锂离子电池标准,包括IEC标准等[4]。运输行业,

特别是对安全要求较高的空运、海运行业,目前仍依据联合国《关于危险货物运输

的建议书——试验和标准手册》中的UN 38.3试验方法来操作锂离子电池的运输

[5]。UN 38.3是针对锂离子电池运输的测试方法,目的是为了保证锂离子电池的

运输安全。我国民航部门以UN 38.3为基础,制订并颁布了民用航空行业标准

MH/T 1052-2013《航空运输锂电池测试规范》[6],指导锂离子电池的航空运输。

在以往的锂离子电池测试中,UN 38.3是使用最为广泛的测试方法之一。有研究

发现,UN 38.3测试中的温度循环、外部短路、重物冲击或挤压、过度充电和强

制放电等5个项目,未通过的几率较高[7],GB 31241-2014正式实施后,与UN 

38.3测试项目,尤其是这些关键试验项目上的异同,成为电池企业和运输部门关

心的问题。

本文作者全面对比了GB 31241和UN 38.3这两种测试方法,从锂离子电池运输

安全的角度考查了这两个方法的区别,以便为电池企业和运输部门提供参考。

GB 31241将所有的测试内容分成了6项。电池和电池组都需要满足试验条件、一

般安全要求、环境试验和电安全试验的要求;对于自身带保护电路的电池组,还需

要进行电池组保护电路安全试验;对于自身不带保护电路,但在充电器或供电的电

子产品中带有保护电路的电池或电池组,则需要进行系统保护电路安全试验。此外,

标准还提出了电池一致性的一般要求,并正在考虑提出试验要求。标准中,试验条

件的条款对电池样品容量测试和样品预处理提出了要求。一般安全要求条款规定了

厂商提供的标签、说明书等材料中应包含的安全工作参数,依据国标的要求,将对

这些参数进行检查和试验。考虑到电池和电池组的不同,除了某些项目的具体试验

条件有所不同外,电池只需要完成9项环境试验和4项电安全试验;而电池组需

要完成9项环境试验和7项电安全试验。

UN 38.3总共包括5项环境试验和3项电安全试验,共8个测试项目。电池和电

池组需要完成其中相同的4项环境试验和1项电安全试验。此外,电池还需要完

成1项环境试验和1项电安全试验,电池组则需要增加1项电安全试验。UN 

38.3也为每个测试项目提出了试验条件,明确了对电池和电池组的充放电次数和

荷电状态的要求。

2.1 高度模拟

为了模拟运输中可能出现的低气压条件,GB 31241设置了低气压试验,UN 38.3

设置了高度模拟试验。两项试验均是将电池或电池组放置在压强为16.5 kPa、温

度为20±5 ℃的真空箱中6 h,并观察电池和电池组有无起火、爆炸及漏液等现象。

此外,UN 38.3还要求在试验后测试电池或电池组的开路电压,且压降不得超过

10%。

2.2 温度试验

温度试验用来考查电池和电池组的密封完善性和内部电连接。在温度循环试验中,

GB 31241和UN 38.3都要求锂离子电池和电池组在-40~75 ℃循环10次,对应

小电池来说,都需要在最高和最低温度分别保持6 h。此外,GB 31241还要求电

池完成热滥用试验,电池组完成高温使用试验。热滥用试验要求电池在130±2 ℃

的温度条件下保持30 min;电池组的高温使用试验则需要电池组在至少为80 ℃

的环境下保持至少7 h。GB 31241增加的这两项试验,是考虑到实际中有可能发

生的高温使用情况。对于高温条件来说,这两项试验设置的温度要求比UN 38.3

更为严格,不过,这两项试验都未考虑低温使用的情况。

2.3 振动试验

振动试验是模拟运输过程中发生的振动,以考查电池的安全性。UN 38.3和GB 

31241的振动试验条件一致,都是利用正弦波形的振动测试方法,在3个互相垂

直的方向上进行测试,振动频率在7~200 Hz之间摆动,在每个方向进行12次

循环振动,每次循环为时15 min,每个方向共计3 h。在GB 31241中,圆柱形

和扣式电池只需完成轴向和径向两个方向的振动试验即可,不需要再进行第3个

方向的试验。

2.4 冲击试验

冲击试验用来模拟运输过程中,电池有可能发生的撞击。GB 31241和UN 38.3

都是通过半正弦脉冲冲击的方法来进行试验。两种方法中脉冲冲击的峰值加速度均

为150 gn,持续时间均为6 ms;但UN 38.3将大型电池和电池组的冲击峰值加

速度降低至50 gn,持续时间延长到11 ms。在UN 38.3中,所有的电池和电池

组均需在3个垂直方位的正反方向各冲击3次,总共经受18次冲击;在GB 

31241中,圆柱形和扣式电池只需要在轴向和径向两个方向上各进行3次冲击,

减少了冲击次数,缩短了试验时间。

2.5 外部短路

UN 38.3对电池和电池组都设置了高温外部短路试验,都要求在55±2 ℃的温度

下经受总外电阻小于0.1 Ω的短路条件,并在此温度下保持至少1 h,在试验过程

中,外壳温度不得超过170 ℃。GB 31241要求电池进行高温和常温外部短路两

项试验,高温外部短路的试验条件与UN 38.3接近,但要求电池表面温度回到

55±2 ℃后,继续保持30 min,判断标准也降为最高温度不得超过150 ℃。在常

温外部短路试验中,将温度设定为20±5 ℃,其他要求与高温外部短路一致。对

于电池组,GB 31241只要求进行短路试验,温度应为20±5 ℃。不过该试验对于

试验结果的判断中没有对温度的要求。从试验条件上来看,GB 31241对于电池的

要求更严格,但对电池组而言,UN38.3的测试条件更严格。

2.6 撞击试验

UN 38.3要求所有的电池和电池组都要完成撞击试验,试验过程是:将一根直径

为15.8 mm的不锈钢横棒放在试样中心,将一块质量为9.1 kg的重锤从61±2.5 

cm的高处落到试样上,整个试验要求电池和电池组的外部温度不得超过170 ℃,

在6 h内不能解体或燃烧。GB 31241要求所有电池都要完成跌落、挤压和重物冲

击等3项试验,电池组则只需完成跌落试验。GB 31241的撞击试验与UN 38.3

的条件一致,但未提出外部温度的要求。GB 31241的挤压试验是将13.00±0.78 

kN的力,加载在两个平板间。GB 31241要求的跌落试验是将满电态电池或电池

组从1.0 m或1.5 m的高度自由落体,跌落于混凝土板上,并要求在试验过后进

行一次充放电循环。

2.7 过充电

过充电试验是为了评估电池组承受过充电状况的能力。UN 38.3的过充电试验只

要求电池组进行;GB 31241不但要求电池组进行过压充电和过流充电试验,还要

求电池进行过充电试验。UN 38.3和GB 31241设置的过充电条件不同。GB 

3241规定的过充条件是将充电电流增加到最大连续充电电流的两倍,持续充电

24 h,并且保证试验的最小电压达到规定值。GB 31241中电池的过充试验是使用

满足条件要求的充电电流对电池进行充电,然后维持规定的电压进行恒压充电。电

池组的过压充电是电池组充满后,保持该电压并继续以最大充电电流充电,过流充

电是电池放完电后,以1.5倍的过流充电保护电流进行恒流充电。GB 31241对于

过充电设置的试验内容更多;而UN 38.3设置的试验时间更长。

2.8 强制放电

强制放电主要是考查电池和电池组承受强制放电状况的能力。UN 38.3只要求电

池进行强制放电试验;GB 31241除了电池要进行强制放电外,还要求电池组进行

欠压放电试验。UN 38.3的强制放电是通过将电池串联至12 V的直流电源,按照

规定的放电电流和放电时间进行强制放电。GB 31241设定的电池强制放电试验使

用1 C A电流反向充电90 min。此外,GB 31241还要求电池组进行欠压放电、

过载和反向充电试验,以评估电池组的放电能力。欠压放电是以最大放电电流恒流

放电;过载是以1.5倍的过流放电保护电流恒流放电;反向充电是以推荐充电电流

反向充电。从试验内容上看,GB 31241设置的电池组的放电试验更多,以测试在

不同的放电方式下电池组的安全性能。

除了与UN 38.3相近的试验内容,GB 31241还设置了其他一些试验,来保证电

池和电池组的安全。在环境试验中,GB 31241对电池提出了燃烧喷射试验的要求,

考查电池的燃烧或爆炸危险性。对于电池组,GB 31241还提出了应力消除、洗涤

及阻燃的要求,这些要求从实际情况出发,保证了锂离子电池的安全。

GB 31241对电池组的保护电路及系统保护电路也提出了测试要求,主要集中在电

池组充放电、过载、短路情况下系统的保护和控制上。除了电池和电池组本身的安

全性试验外,还通过保护电路来保护电池和电池组的安全。

要完成所有的试验,UN 38.3和GB 31241在试验样品数目上有所不同,GB 

31241要求的样品数量更少。全套的UN 38.3电池测试,共需要40只电池样品,

电池组测试共需要8个电池组样品和20只组成电池芯样品。完成GB 31241所要

求的所有试验,总共需要27只电池样品和33个电池组样品。

分析对比后,可以得出如下结论:

GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》设定了更多

的测试项目,通过多方面的测试来考查锂离子电池和电池组的安全;UN 38.3作

为锂离子电池运输的通行标准,更侧重于考查锂离子电池的运输安全。

GB 31241与UN 38.3在大多数试验中要求的试验条件和判断标准都比较一致,

GB 31241对电池组保护电路和系统保护电路提出了安全测试要求。

GB 31241在试验样品数量、一些项目的具体测试要求上和UN 38.3有所不同,

尤其是在过度充电、强制放电等测试项目上,两者的试验条件差别较大。

总体而言,GB 31241从电池、电池组和保护电路等多方面设置测试项目,考查锂

离子电池的安全性能,对提高锂离子电池的使用安全和运输安全具有一定的积极作

用,但在锂离子电池进行海运和空运时,仍要按UN 38.3的要求进行测试,以保

障运输安全。

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    能量密度:125-160Wh/kg
    充放电能力:5-10C(20-80%DOD)
    温度范围:-40℃—65℃
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  • 高安全

    过充电、过放电、针刺、 挤压、短路、
    撞击、高温、枪击时电池不燃烧、爆炸。

  • 高可靠

    动力电池循环寿命不低于2000次,
    80%容量保持率;
    电池管理系统可靠、稳定、适应性 强,
    符合国军标要求。