(高清版)GBT 42728-2023 锂离子电池组安全设计指南

锂离子电池组安全设计指南Guidelinesforsafetydesignoflithiumionbatteries2023-08-06发布国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I 12规范性引用文件 l3术语和定义 14设计总则 25标识和警示说明 35.1标识要求和警示说明 35.2耐久性 3 36.1电池选择 36.2电池容量选择 36.3电池一致性 36.4电池数量 36.5电池组合间隙 36.6电池安全性 46.7电池外观 47保护电路 47.1概述 47.2电压管理 47.3电流管理 47.4温度管理 57.5一致性管理 57.6多级保护 57.7保护可靠性 57.8其他考虑 68部件与材料 68.1过充过放保护装置的安装 68.2连接器/连接片连接 68.3端子和连接设计 68.4紧固件 68.5温度传感器 78.6布线 78.7材料 7Ⅱ9安全性热设计 9.1热保护设计 9.2电池在电池组中的位置 9.3电池组在设备中的位置 10防火设计 10.1材料阻燃 810.2防延烧设计 11安装 11.1防止机械损伤 11.2防止跌落损伤 811.3嵌入其他设备 811.4安装方向 8参考文献 9ⅢGB/T42728—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华人民共和国工业和信息化部提出并归口。本文件起草单位：中国电子技术标准化研究院、东莞新能德科技有限公司、欣旺达电子股份有限公司、惠州市德赛电池有限公司、珠海冠宇电池股份有限公司、宁德新能源科技有限公司、宁波公牛数码科技有限公司、深圳市华宝新能源股份有限公司、小米通讯技术有限公司、深圳市比亚迪锂电池有限公司、联想(北京)有限公司、OPPO广东移动通信有限公司、深圳市睿能技术服务有限公司、烟台海博电气设备有限公司、上海道口松研智能科技有限公司、福建飞毛腿动力科技有限公司。1锂离子电池组安全设计指南1范围本文件提供了在设计锂离子电池组时涉及的与电池组安全特性相关的指导，从电池、保护电路、材料与部件、热设计、防火及安装等方面给出了提升产品安全特性的建议。本文件适用于锂离子电池组的设计，不区分应用领域。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。生产锂离子电池的制造厂商。将电池组装成电池组的制造厂商。注：在某些情况下，电池组制造厂商也可能是电池制造商。依靠锂离子在正极和负极之间移动实现化学能与电能相互转化的装置，并被设计成可充电。注1:装置通常包括电极、隔膜、电解质、容器和端子等。注2:以下简称为电池。多个电池串联或并联在一起的配置，可能有也可能没有保护装置[如熔断器或正温度系数热敏电阻(PTC)]和监控电路。电池组保护板batteryprotectioncircuitmodule;PCM电池组管理单元batterymanagementunit;BMU电池组管理系统batterymanagementsystem;BMS以控制电池组的充放电行为为核心功能，用以保护电池安全的电路板、电路模块或电子系统。注1:通常在简单的便携产品应用领域，使用单独的电池组保护板来保护电池，而在复杂电池组系统中的组成模组中，使用电池组管理单元来管理模组中的电池，在复杂电池组系统如新能源汽车动力电池组中使用电池组管2理系统来实现对电池的管理保护。注2:复杂的电池组管理系统可能包括电池电压、温度及电流测量、能量均衡、电量(SOC)计算及显示、异常报警、充放电管理、通信等。电池组batter电池组系统batterysystem注1:如果电池制造厂商和用户达成协议，过放切断并不是强制性的。注2:它可以包含冷却或加热装置，有的甚至包含了充放电模块和逆变模块。总质量超过12kg的锂离子电池组。注：本文件简称为大型电池组。可见的液体电解质的漏出。由于内部或外部因素引起电池外壳或电池组壳体的机械损伤，导致内部物质暴露或溢出，但没有从电池或电池组发出火焰。电池或电池组的外壳剧烈破裂并且主要成分抛射出来。4设计总则产品设计人员在进行产品总体设计时首先要考虑产品的安全性，即对维修人员或使用人员提供可接受的保护措施，以免维修人员或使用人员在预期使用或合理可预见的误用下导致人身伤害或财产损失。如果在安全性和经济利益等产品其他因素之间发生冲突时，优先考虑安全性的要求。锂离子电池在确定电池或电池组采用何种设计方案时，需遵守以下的优先次序：3GB/T42728—2023——其次，如果无法实行以上原则，那么需设计保护装置，减少或消除危险发生的可能性；——最后，如果上述方案和其他的措施均不能彻底避免危险的发生，那么需对残留的危险采取标识和说明的措施。在必要情况下，如针对电池的电安全保护(过压充电、过流充电、欠压放电、过载、外部短路等),使用双重防护，甚至多级防护。5标识和警示说明5.1标识要求和警示说明电池组宜在本体上用中文标明必要的标识，如产品名称、型号、额定容量或能量、充电限制电压等。本体不具备标识条件的，在获得相关方许可后将必要的信息放置在最小包装、规格书或者系统设备本体中。电池组本体宜有生产厂和可以追溯生产日期批次的相关信息，如批次号、条码、二维码等。为了指导消费和维护人员不要将电池组进行非预期的使用，电池组的本体或最小包装上宜有必要的中文警示说明。示例1:禁止拆解、撞击、挤压或投入火中。示例2:若出现严重鼓胀，切勿继续使用。示例3:切勿置于高温环境中。5.2耐久性电池组本体上的标识和警示说明要清晰可辨，且耐久和醒目。在正常使用时需考虑耐久性对其影响，例如最终用户可以自行更换的电池组，其标识与警示说明宜有更高的耐久性。6电池6.1电池选择对锂离子电池组中电池的选择，在满足产品要求的情况下，如电性能、尺寸空间等，优先选择采用安全性较高材料的电池。6.2电池容量选择同样组成的单体电池，容量越大，能量越大，相应安全隐患越大。为保证整个电池组的安全性，谨慎选用标称容量较大的单体电池，保证其安全性并配置必要的保护装置。6.3电池一致性组合前需对电池的一致性进行筛选(考虑容量、内阻、电压等);宜采用同一品牌、型号、规格的电池，否则需满足与电池的一致性有关的国际标准、国家标准和行业标准的安全性要求。6.4电池数量为了降低安全风险，电池组中串联和并联的电池的最大数量分别不超过电池制造商的推荐数量。6.5电池组合间隙在电池组结构设计时，对方形结构和聚合物(包含液态软包装)结构的电池在电池最大面预留有足4GB/T42728—2023够的膨胀空间，所预留的膨胀空间至少大于电池制造商推荐的最小值。6.6电池安全性电池组制造商使用的电池的安全性要满足与电池有关的国际标准、国家标准和行业标准。6.7电池外观组装前，对电池的外观进行检查，电池的外观符合电池组制造商的规定，表面清洁、无机械损伤等。7保护电路7.1概述锂离子电池遭遇充电过压、放电欠压、充电过流、放电过流、外部短路等非正常条件，或在极端环境条件下充放电，或在实际应用环境下的充放电倍率超出其自身能力，均可能带来安全风险。电池组在设计中，宜主动应对上述风险，以保护组成电池的安全。应对上述风险的方式包括，主动停止充放电行为或者将充放电行为控制到制造商规定的安全范围之内。宜优先从电路功能设计上响应上述安全考虑，即设计能够控制电池组充放电行为的保护电路，如为电池组增加PCM/BMU/BMS。优先在电池组内设计上述保护电路。若仅在系统设备电路中设计上述保护电路而使用了自身不含保护电路的电池组，则不宜将系统的电池组设计为用户可更换结构。为实现完善的保护功能，电池组中可以考虑增加必要的信息采集装置，电池组与设备的连接可以增加必要的通信和控制总线，某些场景下(如在保障人身、财产安全的前提下)可由系统控制电路来响应保护策略。7.2电压管理电池组的保护电路宜具有过压充电保护功能，防止任意一个电池被充电至超过其充电上限电压。电池组的保护电路宜具有欠压放电保护功能，防止任意一个电池被放电至低于其放电截止电压。多节串联的锂离子电池组，即使总电压不超过电池组的安全范围，也可能因组成电池一致性变差而出现的某个单节电池过压或者欠压。因此，多节串联电池组针对每一个电池或者每一个电池并联块的电压管理是十分必要的。对多级串联的锂离子电池组，恰当的均衡设计能够降低因组成电池不一致造成的充电过压或者放电欠压出现的概率。但电池组不宜仅依赖电路均衡功能来防止充电过压或者放电欠压危险。若电池组或其组成电池的充电上限电压或放电截止电压与环境温度紧密相关，则除拥有可靠的电压保护之外，还宜控制充放电中任一组成电池不超出其在当前环境温度下的充电上限电压及放电截止电压。对于设计有保护措施，不会被充电或放电至安全电压范围之外的电池使用的保护电路，可以降低电压管理要求。7.3电流管理电池组的保护电路宜具有充电过电流保护功能，防止任意一个电池的充电电流超出其最大充电电流。电池组的保护电路宜具有放电过电流保护功能，防止任意一个电池的放电电流超出其最大放电5GB/T42728—2023电池组的保护电路宜具有短路保护功能，防止因为外部负载短路而造成电池组形成放电短路回路。对于多节电池并联使用的锂离子电池组，即使电池并联块的总电流不超过安全范围，也可能因组成电池一致性变差而出现的某个单节电池遭遇充电或者放电过电流。宜在整个寿命周期内，将电池组每个组成电池的充电和放电电流均控制在制造商规定的安全范围之内。必要时，并联电池的电流管理宜包含针对每一个电流支路的充放电电流控制。对于充放电回路分开设计的锂离子电池组，充电回路宜能阻止相反的电流通过。若因能量回收等设计需要在放电回路允许通过反向电流，设备和系统宜分别将充电和放电电流控制在电池的最大充电和放电电流之下，电池组宜保护充电和放电电流分别不超过电池的最大充电和放电电流。为了防止电路和电子元器件过热引起着火，电池组的保护电路需要考虑回路是否拥有足够的载流能力，保护电路使用的器件能否耐受足够的电压、电流、功率、脉冲能量等。通常锂离子电池的最大充电电流和最大放电电流能力与电池温度紧密相关。电池组的保护电路除了拥有可靠的充电和放电过电流保护之外，还宜根据电池温度调整充放电电流，确保应用中任一组成电池的充电和放电电流不超出其在当前电池温度下的最大充电和放电电流能力。对于设计有保护措施，充电和放电电流不会超出其安全电流范围之外的电池，保护电路可以降低电流管理要求。7.4温度管理电池组的保护电路宜具有高温保护功能，防止电池组在超过组成电池的上限充电温度和上限放电温度的条件下充电和放电。电池组的保护电路宜具有低温保护功能，防止电池组在低于组成电池的下限充电温度的条件下充电。电池组的温度采集宜尽可能覆盖到每一个组成电池，且监测其表面温度，宜对电池最可能发热的位置进行表面温度的监测。必要情况下，宜对电池组温度最高的组成电池和温度最低的组成电池的温度之差实施管理，以降低电池失效或事故的可能。7.5一致性管理多级串联的电池组，宜具备一定的电池均衡功能。对大型锂离子电池组，宜有监控电池组组成电池的状态信息的功能，并且电池组宜具备将电池状态信息通过电池组的接口上报给系统设备的能力。系统设备宜能通过通信信号发现电池组组成电池的一致性情况，并及时将不可接受的电池一致性问题通知给用户或制造商。7.6多级保护推荐电池组采用二级或以上的过充电保护设计，以增加电气安全保护冗余。若电池组采用了充电管理电路与保护电路集成在一起的集成电路器件，为了防止该单一集成电路器件失效造成对电池的超范围充放电行为，采用二级或以上的电池保护设计是至关重要的。7.7保护可靠性电池组的保护电路在整个电池组生命周期中需要能按照预期启动保护动作。例如，执行电池保护功能的关键器件，除能按照预期启动过压充电保护外，还需要耐受可预见的持续高电压输入。电池保护器件的抗静电能力也是需要考虑的可靠性因素之一。在设计有软件控制的保护电路的电池组，还宜设计硬件保护电路作为最后一道安全保护。67.8其他考虑某些设备的电池组，若直接切断充放电回路，可能造成衍生危险，且该风险比电池遭遇过充电或者过放电更不可接受，例如平衡车使用的电池直接切断放电容易摔伤骑行人员。对于此类电池组，宜考虑将电池组与设备的第一级保护设置提前到系统设备中，并留有一定阈值，以系统设备主动限制充放电行为来保护电池。对充电上限电压超过60V的高压电池组，关于电击危险的防护也是需要考虑的因素。锂离子电池组可参考GB4943.1中针对信息技术设备产品电击安全相关的要求。注：在家电安全标准中，超过42.4V的直流电压就视为危险电压，需要进行电击安全相关试验考核。便携式家电产品使用的电池组充电上限电压超过42.4V时也需考虑防护电击危险。8部件与材料8.1过充过放保护装置的安装除了保护电路，其主要部件是关键元器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),电池组还可在充放电回路安装相应保护器件，如节温器(中断电流),正温度系数热敏电阻器(PTCs),以及热熔断体等。安全关键元器件需符合电池组标准或元器件标准的相关要求。8.2连接器/连接片连接电池进行串并联时，连接片不能通过高热量输入的焊接直接焊在电池上，如钎焊，容易引发电池过热。过热损坏虽然是不可见的，但可能引发漏液、破裂、起火，甚至爆炸。为了避免过热损坏，推荐使用低热量输入的焊接方式，如超声波焊、电阻焊、激光焊，进行电池间的连接。使用低热量输入的焊接方式对于采用镍带连接的电池，在结构设计时要确保镍带不会与无连接关系的其他任何电池节点触碰到，或因镍带的边缘毛刺刺破电池表面的绝缘表皮而发生短路现象。8.3端子和连接设计为了避免漏液、电池过热、破裂、起火，在安装或使用过程中，电池组和产品的设计需要避免电池短路。如果电池组中电池没有正确安装，电池组可能发生着火或爆炸。因此要确保电池组中的电池没有在使用和充电过程中，电池组端子的设计、与设备或充电器的连接方式需要避免电池组的反接。8.4紧固件电池组内部的金属紧固件，在结构设计时保证足够的强度，避免在运输震动或长期使用后脱落到电池组内部其他部位而导致发生短路现象。78.5温度传感器电池组中进行温度测量的传感器宜紧贴电池表面能测量到最高温度的位置，必要情况下，还能测量到最低温度的位置，并保证足够的强度。如果是带电物体，需要做好绝缘处理，不能引起短路。电池组中的布线需分别考虑该条线路所承载的最大电流。在关键点布线绝缘，避免发生短路。电池组在设计、组装、使用过程中最大可能地避免布线的缠绕、损坏。8.7材料电池组和电池的老化、滥用等可能引发有机电解液漏液。电池组中端子、布线和连接片需考虑可能遭受的气体或液体腐蚀，如电解液、冷却液等，合适的材料如镍、镍基或金基材料，这些材料也都是低阻材料。电池组材料，尤其是外壳材料，可能暴露在有机电解液、高温、物理冲击以及使用过程中的其他危害中。电池组设计人员为导线的绝缘、电池的绝缘、电池组外壳等选择的材料能够耐电解液和高温。其抵抗性和强度要适用于具体的位置和使用方式。将所有可能的使用都考虑到，在电池组设计中是非常重要的。电池组所用的起绝缘作用的材料(如绝缘胶带、导线护套等)具有足够的绝缘性能及相应的耐压能力，并在预期存储、使用的温度范围内具有较好的化学、电化学、机9安全性热设计9.1热保护设计电池组可配备结构保护装置及热管理(如通风等)来避免工作过程或周围环境对电池造成的过热现象。大容量电池模块一般通过小型电池的密集组装实现，因此在高电压或大容量使用时需要考虑到小型电池的比能量和热行为特性。电池组中个别单元的失效会影响整个系统的工作。一般采用通风冷却或液冷的方式对电池组进行热管理，或者使用相变材料等。为避免周围环境对电池造成的过冷现象，可采取补充加热方式提高电池周围环境温度。9.2电池在电池组中的位置在电池组结构设计时，可能发热的部件放置于远离电池的位置，避免电池受高温的影响；电池管理系统中容易发热的功率器件，在设计时宜尽可能摆放在远离电池的位置，