锂离子电池国家标准GB31241与UN38.3的比较

第 46 卷第 1 期 2016 年2 月 电池 BATTEYBIMONTHLY Vol. 46， No. 1 Feb. ， 2016 作者简介: 杨强( 1977 ) ， 男， 四川人， 中国民航科学技术研究院工程师， 博士， 研究方向: 危险品航空运输， 本文联系人; 李茜( 1984 ) ， 女， 北京人， 中国民航科学技术研究院工程师， 硕士， 研究方向: 危险品航空运输。 讨 论 会 锂离子电池国家标准 GB31241 与 UN 38. 3 的比较 杨强， 李茜 ( 中国民航科学技术研究院， 北京100028) 摘要: 对国家标准 GB 31241- 2014 便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求 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。 关键词: GB 31241; UN 38. 3; 锂离子电池; 运输; 标准; 安全 中图分类号: TM912. 9文献标识码: A 文章编号: 1001 1579( 2016) 01 0046 03 The comparison of Li- ion battery national standard GB31241 and UN 38. 3 YANG Qiang， LI Qian ( China Academy of Civil Aviation Science and Technology， Beijing 100028， China) Abstract:National standard GB 31241- 2014 Lithium ion cells and batteries used in portable electronic equipments Safety requirements and UN 38. 3 were compared in test requirements and sample numbers. In order to determine the safety of Li- ion battery， more tests for lithium cells， lithium batteries and protection circuits were set up in GB 31241 than in UN 38. 4， but there were differences in the sample numbers and certain test conditions between GB 31241- 2014 and UN 38. 3. Key words:GB 31241; UN 38. 3; Li- ion battery; transport; standard; safety 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。 1GB 31241 与 UN 38. 3 介绍 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 第 1 期杨强， 等: 锂离子电池国家标准 GB31241 与 UN 38. 3 的比较 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。 表 1 GB 31241- 2014 和 UN 38. 3 测试项目总结 Table 1Summary of test items of GB 31241- 2014 and UN 38. 3 试验项目 考查内容及 试验内容 电池芯电池 GBUN38. 3GBUN38. 3 试验条件 ( 2 项) 电池容量测试 样品预处理 一般安 全要求 ( 4 项) 安全工作参数 标识要求 警示说明 耐久性 环境试验 ( 13 项) 低气压 T1 温度循环 T2 热滥用 高温使用 振动 T3 加速度冲击 T4 重物冲击 T6 挤压 跌落 燃烧喷射 应力消除 洗涤 阻燃要求 电安全 试验 ( 12 项) 高温外部短路 T5 常温外部短路 短路 过度充电 T7 过压充电 过流充电 过充电 强制放电 T8 欠压放电 过载 反向充电 静电放电 2GB 31241 与 UN 38. 3 比较 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 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 74 电池 BATTEYBIMONTHLY第 46 卷 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。 3GB 31241 的其他试验 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。 4GB 31241 和 UN 38. 3 样品数目的比较 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。 5结论 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