Analysis of safety test standard of rail transit power lithium-ion battery

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0043

Abstract

Abstract:

With the continuous application of lithium-ion batteries in EMU, subway, tram, and other rail vehicles, the safety and safety performance evaluation of lithium-ion batteries in use has always been a major concern, and major standardization organizations and application enterprises at home and abroad have developed the corresponding safety evaluation standards. This study briefly introduces the current guidance and normative standards in the field of rail transit at home and abroad, including TJ/JW 126—2020, Q/CRRC J39—2019, TJ/JW 127—2020, Q/CRRC J37.1—2019 and IEC 62928:2017, IEC 62619:2017. This section focuses on the battery monomer, module, and pack, compares and analyzes the battery safety performance evaluation methods of IEC and domestic standards, and presents the differences in the application scope, test objects, test methods, and test requirements at home and abroad. A comprehensive analysis of the three aspects of machinery, environment, and electrical safety requirements reveals that domestic standards for power lithium-ion battery setting test projects are relatively comprehensive and higher than the requirements of foreign standards, but the foreign standard test focus more on the electrical safety requirements. Finally, based on the differences in service and working conditions between the locomotive and electric vehicles, suggestions for further improvement in lithium-ion battery safety standards for rail transit are proposed to evaluate the rail transit battery system more scientifically and targeted and provide a crucial basis for the application and development of new energy storage systems in rail transit.

Key words: rail traffic, lithium ion batteries, safety, standards

CLC Number:

TM 912.2

Yawen ZHAO, Yu HUANG, Yanru ZHANG. Analysis of safety test standard of rail transit power lithium-ion battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(8): 2505-2518.

Figures/Tables 19

Fig. 1

Fig. 2

Table 1

Table 2

Table 3

Table 4

Table 5

Fig. 3

Table 6

Table 7

Fig. 4

Fig. 5

Table 8

Table 9

Table 10

Table 11

Table 12

Table 13

Table 14

Comparative analysis of functional safety test items"

功能安全试验		IEC 62928 IEC 62619	TJ/JW 127 Q/CRRC J37.1	比对结果
过充电保护/ 过充电压控制	温度/℃	25±5	25±10或更高温度	国内标准环境温度要求更宽
	充电方法	以最大允许充电电流至单体电池超过10%最高允许充电电压	制造商允许用时最短充电策略	基本充电方法一致
	SOC状态	从最低SOC开始充电	正常工作范围的中间部分	均未明确具体SOC状态
	观察时间/h	1	1	要求相同
	截止条件	无	①自动终止充电电流②发出终止充电电流信号③度超过最高工作温度10 ℃④温度超过最高工作温度10 ℃时，充电持续12 h	国内标准截止条件更加明确
	性能要求	低于110%上限充电电压保护装置作用，不起火、不爆炸	无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象，试验后绝缘电阻不小于100 Ω/V或整车技术条件规定数值	国内标准增加试验后绝缘性能要求
过流保护/ 过充电流控制	温度/℃	25±5	—	国内标准无要求
	充电方法	以120%最大充电电流充电	将电流在5 s内从最高正常充电电流增加到与制造商协商确定的过流电继续充电	国内标准未明确规定过流电流数值
	SOC状态	从最低SOC开始充电	正常工作范围的中间部分	均未明确具体SOC状态
	观察时间/h	1	1	要求相同
	截止条件	无	①自动终止充电电流②发出终止充电电流信号③温度变化在2 h内小于4 ℃	国内标准截止条件更加明确
	性能要求	保护装置起作用，不起火、不爆炸	无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象，试验后绝缘电阻不小于100 Ω/V或整车技术条件规定数值。	国内标准增加试验后绝缘性能要求
过温保护/ 过热控制	温度/℃	最高工作温度+5	25±10或更高温度	国内标准规定环境温度，进行常温充放电，而国外标准进行高温充电
	充电方法	高温环境充电至断电保护	持续充放电使电池升温至最高工作温度	均未规定具体充放电方法
	SOC状态	50%SOC	无	国内标准进行反复充放电，无最初SOC要求
	观察时间/h	1	1	要求相同
	截止条件	无	①自动终止或限制充放电 ②发出终止或限制充放电信号 ③温度变化在2 h内小于4 ℃	国内标准截止条件更加明确
	性能要求	保护装置起作用，不起火、不爆炸	无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象，试验后绝缘电阻不小于100 Ω/V或整车技术条件规定数值	国内标准增加试验后绝缘性能要求
短路保护	温度/℃	25±5	25±10或更高温度	国内标准环境温度要求更宽
	充电方法/ 短路方法	标准充电后短路无具体短路方法	标准充电后短路电阻≤5 mΩ，短路时间>1 h	国外标准未规定具体短路方法
	SOC状态	100%	100%	要求相同
	观察时间/h	1	1	要求相同
	截止条件	无	①保护功能起作用，终止短路电流②温度变化在2 h内小于4 ℃，短路时间超过1 h	国内标准截止条件更加明确
	性能要求	保护装置起作用且无损坏，不起火、不爆炸	保护装置起作用，无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象，试验后绝缘电阻不小于100 Ω/V或整车技术条件规定数值。	国内标准增加试验后绝缘性能要求

Table 14

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试验项目	频率/Hz	持续时间	类别	方向	rms值/(m/s²)	ASD量级/[(m/s²)²/Hz]
功能振动	2～150	≥10 min/方向	1类A级	垂向	0.75	0.0166
				横向	0.37	0.0041
				纵向	0.50	0.0073
			1类B级	垂向	1.01	0.0301
				横向	0.45	0.0060
				纵向	0.70	0.0144
模拟长寿命振动	2～150	5 h/方向	1类A级	垂向	4.25/5.90	0.532/1.034
				横向	2.09/2.90	0.131/0.250
				纵向	2.83/3.90	0.234/0.452
			1类B级	垂向	5.72/7.91	0.964/1.857
				横向	2.55/3.51	0.192/0.366
				纵向	3.96/5/51	0.461/0.901

试验项目	冲击脉冲波形	类别	次数	方向	峰值加速度A/(m/s²)	持续时间D/ms
机械冲击	半正弦波	1类A级和B级	6次/方向	垂向	30	30
				横向	30	30
				纵向	50	30

跌落试验	IEC 62928		TJ/JW 126和Q/CRRC J39
适用范围	B/C		C
质量/kg	≤20	>20	无要求
跌落方式	整体跌落	边角跌落	自由跌落，其他无要求
跌落高度/cm	10～100	2.5～10	150
跌落地面	混凝土或金属平面上		水泥地面
跌落次数/次	3	2	1
SOC状态	100%		100%
观察时间/h	1		1
性能要求	不起火、不爆炸		不起火、不爆炸、不漏液

试验对象	挤压板形状	挤压方向	截止条件			保持时间	挤压速度	观察时间	性能要求
试验对象	挤压板形状	挤压方向	电压	变形量	挤压力	保持时间	挤压速度	观察时间	性能要求
单体电池或电池模块	半径75 mm半圆柱体，长度L>被测对象[图3(a)]	垂直于电池板方向挤压或整车布局上最容易受到挤压的方向	0 V(C)	30%(C)	200 kN(C)	—	≤2 mm/s	1 h	不起火、不爆炸
单体电池或电池模块	半径75 mm半圆柱体，长度L>被测对象[图3(a)]	垂直于电池板方向挤压或整车布局上最容易受到挤压的方向	—	30%(M)	1000倍模块重量或表6中所列数值中的较大值	—	≤2 mm/s	1 h	不起火、不爆炸
电池包或电池系统	半径75 mm半圆柱体，被测对象<长度L≤1 m[图3(a)]	整车布局上最容易受到挤压的方向	—	挤压方向的整体尺寸的30%	100 kN	10 min	≤2 mm/s	1 h	不起火、不爆炸
电池包或电池系统	外廓尺寸为600 mm×600 mm，半径为75 mm半圆柱体，间距为30 mm[图3(b)]	整车布局上最容易受到挤压的方向	—	挤压方向的整体尺寸的30%	100 kN	10 min	≤2 mm/s	1 h	不起火、不爆炸

挤压面接触单体数/n	挤压力/kN
1	200
2～5	100×n
>5	500