电池测试-储能锂电池模块测试与分析

一、储能锂电池模块的重要性

储能锂电池模块在当今能源存储领域发挥着至关重要的作用。随着新能源产业的快速发展，对高效、可靠的储能技术需求日益增长。

储能锂电池模块具有高能量密度的特点，能够在相对较小的体积内储存大量电能。例如，锂离子电池的能量密度可以达到铅酸电池的数倍，这使得它在空间有限的应用场景中具有明显优势。同时，其快速充放电的特性，能够满足不同领域对电能的快速响应需求。

在新能源并网方面，储能锂电池模块可以改善电能质量，平波新能源发电的不稳定输出；结合发电曲线预测，跟踪新能源发电计划，实现削峰填谷，使新能源持续发电。这不仅提高了电网接纳新能源的比例，充分利用了可再生能源，还减少了有害气体排放。

在调整负荷曲线方面，它可以削峰填谷，提高配电设备和线路的利用率。参与电网调频，改善大电网的供电水平，成为智能电网的重要元素。在特种设备、数据中心、分布式储能和备用电源等领域，储能锂电池模块也发挥着不可或缺的作用。

以数据中心为例，锂离子电池可多次快速充放电，以及高密度的特性，在市政用电波谷时段进行储电，当用电波峰来临，则将储存的电力传输给数据中心，从而降低电网的波峰压力，对绿色节能和降低数据中心运营成本（PUE 和 TCO）都有较大贡献。

储能锂电池模块的广泛应用带来了诸多积极影响。它改变了我国传统供能用能模式，对推动我国能源结构转型、消费侧能源革命、保障能源安全、实现节能减排目标具有重大意义。随着技术的不断发展，储能锂电池模块的性能将不断提升，其应用前景也将更加广阔。

二、测试标准

（一）国际标准

国际上，储能系统的安全标准主要有 IEC 和 UL 标准。

IEC 标准：

IEC 标准由国际电工委员会制定，其储能系统产品安全标准主要由标准工作组 TC21/SC21A 和 TC120 制定和颁布。TC21/SC21A 关注所有二次电池的安全标准，而 TC120 关注电网应用的电化学储能系统相关标准。IEC62619 是工业用二次锂电池的通用测试项目和最低安全要求标准，定位为广泛工业产品应用的 “伞形标准”，涵盖通信基站、不间断电源系统、能源存储系统等固定安装产品，以及部分交通领域应用，但不包括电力应用的陆路运输。该标准强调电池系统应在合理可预见的滥用情况下进行安全评估，包括外部短路测试、冲击测试、跌落测试、热滥用测试、过充电测试和强制放电测试等。此外，还提供了电芯短路测试或电池系统热扩散测试网络两种可选测试方法评估电池短路安全性。

UL 标准：

UL 安全实验室是美国从事安全测试和鉴定最权威的独立营利性专业机构。UL1973 涵盖用于光伏、风能存储或 UPS 等固定应用中储能的电池系统，以及用于轻型电动轨道和固定铁路应用的电池系统，与 IEC62619 类似，涵盖通用安全要求，且电池范围包括锂离子电池以外的其他类型电池。UL9540 是针对三种储能技术的储能系统安全标准，涵盖充放电系统、控制和保护系统等多个方面。UL9540A 主要用于评估电池储能系统的热失控特性。UL 储能安全标准具有覆盖面广、针对性强、适用性强的特点。

（二）国内标准

与 IEC 和 UL 不同，国标没有将储能系统的安全标准单独成标准，而是在技术规范或运行管理规范中分章规定。与锂电池储能系统安全要求相关的国家标准主要有 GB/T34131《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》、GB/T36276《动力储能用锂离子电池》、GB/T36558《电力系统电化学储能系统通用技术条件》等。这些标准对功能性储能行业中的一些常用术语、符号、测试项目和测试方法进行了明确的定义，对国内储能行业的发展起到了引领作用。在电池或电池系统的初始充放电能量、倍率充放电性能、能量保持和回收能力、循环性能等与电池容量相关的测试中，采用恒功率充放电模式进行考核，为电网能量储能应用具有现实意义，促进储能产业的健康发展。与安全直接相关的测试有充电测试、过放电测试、挤压试验、跌落试验、低气压试验、发热试验、热失控试验、盐雾及高温高湿试验、绝缘性能试验、耐电压性能试验等。电池管理系统 BMS 单独给出了一个技术规范，相关的电磁兼容测试在这个标准中进行了规定，测试时 BMS 不需要将真实的电池接入系统进行测试。这样的安排有利于 BMS 产品的单独检验，但对电池系统的检验可能存在偏差。

三、常见问题分析

过充、过放、高温等问题是导致储能锂电池发生火灾或爆炸等安全性问题的主要原因。锂离子电池过充时，电池电压随极化增大而迅速上升，会引起正极活性物质结构的不可逆变化及电解液的分解，产生大量气体，放出大量的热，使电池温度和内压急剧增加，存在爆炸、燃烧等隐患。同样，过放也会对电池造成损害，影响电池的性能和寿命。在高温环境下，锂电池的热稳定性会降低，容易引发热失控。

2017 年 8 月至 2019 年 5 月间，韩国接连发生了 23 起储能电站火灾事故，其中很大一部分原因就是锂电池在过充、过放、过热和机械碰撞等内外部因素作用下，引起电池隔膜崩溃、内部短路，导致热失控进而引发安全问题。此外，锂电池目前采用的电解液多为易燃或可燃的有机溶剂，增加了发生火灾的隐患。传统的安全消防措施往往并不能有效抑制锂电池的热失控，会造成初期火灾迅速蔓延，进而演变为大规模的火灾。

为确保锂电池储能的安全，需要采取一系列措施。首先，选择高质量的锂电池产品，并确保其符合相关标准和规定。其次，需要建立完善的电池管理系统（BMS），对电池的状态进行实时监控和调整，以防止过充、过放和过热等情况的发生。例如，为防止过充，通常采用专用的充电电路，或者安装安全阀，以提供更大程度的过充保护；也可采用正温系数电阻器（PTC），正温度系数电阻器可使电池过充而升温时增大电池的内阻，限制过充电流；还可采用专用的隔膜，电池发生异常使隔膜温度过高时，隔膜孔隙收缩闭塞，阻止锂离子的迁移，防止过充。此外，还需要确保电池的使用环境安全，避免电池受到物理损坏或暴露在高温等恶劣环境中。

四、测试流程

（一）初步检查

1.外壳检查：

首先，仔细检查电池模组的外壳，其通常由金属或塑料制成，起着保护内部电池单体和电子元件的作用。查看外壳是否存在明显的划痕、凹陷或裂纹等物理损伤，以及是否有异常的变形或松动现象。若有这些问题，可能会影响电池模组的性能和安全性，需及时识别并修复。

例如，在实际测试中，发现部分电池模组的外壳存在轻微划痕，但经过评估，这些划痕并未对电池的性能产生明显影响。然而，对于较深的划痕或凹陷，可能会导致外壳的结构强度降低，从而影响电池的防护性能。

2.连接器检查：

连接器是电池模组与外部系统的接口，负责传输电力和数据信号。确保连接器的接触良好，没有氧化或损坏，以免在使用过程中出现断开或接触不良的情况。

可以通过视觉检查和使用测试工具进行连接器的电气测试来验证其性能和可靠性。例如，使用万用表测量连接器的电阻值，确保其在规定范围内。如果电阻值过大，可能会导致信号传输不稳定或功率损耗增加。

3.清洁和维护：

对电池模组进行清洁和维护也是必要的。通过清除表面的灰尘、污垢和杂物，保持电池模组的清洁和整洁。定期检查并紧固螺丝、固定件和其他部件，防止其松动或脱落。

此外，定期检查电池模组的密封性能，确保密封件和防水性能良好，防止外部液体进入电池模组内部造成损坏。例如，在一些潮湿的环境中，若电池模组的密封性能不佳，可能会导致内部电路短路，从而影响电池的性能和安全性。

（二）外观检查

1.外壳检查：

表面检查：仔细检查电池模组外壳的表面，寻找任何明显的损伤，如凹陷、划痕或裂纹。这些损伤可能会导致外壳的漏水或结构弱点，进而影响电池模组的性能和安全性。

密封性检查：检查外壳的密封性能，确保密封件和接缝处没有裂开或松动，防止外部液体进入电池模组内部，造成短路或损坏。

结构检查：检查外壳的结构是否稳固，没有松动或变形。特别注意连接处和固定点，确保结构紧密，不易受到外部冲击或振动的影响。

2.标识检查：

在外观检查中，还需要检查电池模组上的标识信息，包括制造商、型号、序列号、额定电压和容量等。确保标识清晰可读，与实际情况一致，避免混淆或误用。

3.连接器检查：

外观检查：检查连接器的外观，确保没有氧化、腐蚀或损坏，保持良好的电气接触。

连接可靠性检查：通过视觉检查和使用测试工具，验证连接器的连接是否牢固可靠，避免在使用过程中出现断开或接触不良的情况。

防水性能检查：如果电池模组需要在潮湿或多雨的环境中使用，还需要检查连接器的防水性能，确保其能够有效地防止水分进入电池模组内部。

（三）电性能测试

1.电压测试：电压测试是评估电池模组状态的关键步骤之一。通过使用准确的电压测量仪器，测量电池模组的开路电压和工作电压。开路电压是电池在不负载情况下的电压，而工作电压是在负载条件下的电压。通过比较实测值与设计要求的标准值，评估电池模组的电压稳定性和一致性。例如，某型号的储能锂电池模组，其设计开路电压为 3.7V，在实际测试中，测得的开路电压为 3.68V，虽然与设计值略有偏差，但在可接受的范围内。

2.电流测试：电流测试是评估电池模组放电和充电性能的重要环节。通过使用电流测量仪器，测量电池模组在不同充放电条件下的电流大小和变化趋势。通过评估电流波形和变化率，了解电池模组的放电和充电特性，为其在实际应用中的使用提供参考依据。例如，在快速充电过程中，电流可能会逐渐增大，然后趋于稳定，而在放电过程中，电流则会随着负载的变化而变化。

3.容量测试：容量测试是评估电池模组储能能力的重要手段。通过使用充放电循环测试或充放电容量测试等方法，测量电池模组的可用容量和能量密度。通过连续充放电循环或定容量充放电测试，评估电池模组的容量衰减特性和循环寿命，为其在实际应用中的使用寿命提供参考依据。例如，经过多次充放电循环后，某电池模组的容量从初始的 100Ah 下降到 95Ah，容量衰减率为 5%。

4.内阻测试：内阻是评估电池模组电性能和健康状况的关键指标之一。通过使用内阻测试仪器，测量电池模组的直流内阻。内阻测试可以评估电池模组的电极和电解质的电导率，以及电池模组的内部连接性和接触状态。通过评估内阻大小和变化趋势，了解电池模组的健康状况和使用性能，及时发现潜在问题并加以修复。例如，当电池模组的内阻增大时，可能意味着电极材料的老化或内部连接不良。

（四）温度测试

1.环境温度测试：环境温度测试是评估电池模组在正常工作温度范围内的性能的关键步骤之一。通过模拟不同的环境温度，观察电池模组的性能变化。在测试过程中，需对环境温度进行实时监控和记录。例如，当环境温度从 25℃升高到 40℃时，某电池模组的放电容量下降了 5%，这表明温度对电池模组的性能有一定的影响。

3.高温测试：在高温环境下，储能锂电池包电池温度升高，导致内部化学反应速度加快，各种化学物质释放速度也会加快。如果储能锂电池包不能承受高温环境，这些化学物质可能会导致电池短路、着火或爆炸等危险情况的发生。例如，进行高温测试时，将电池模组置于 60℃的环境中，观察其是否出现异常情况。若电池模组在高温下出现鼓包、漏液等现象，则说明其耐高温性能不佳。

3.低温测试：在低温环境下，储能锂电池包的电子流动速度会变慢，电化学反应速率也会减缓，可能会导致电池电量迅速减少，影响其使用寿命和总的能量储存能力。

例如，将电池模组置于 -20℃的环境中，测试其在低温下的放电性能。若放电容量明显下降，说明该电池模组的低温性能有待提高。

五、测试方法

六、性能分析

（一）技术发展趋势

随着消费领域到动力领域再到储能领域的不断发展，对锂离子电池模组容量的要求大幅提高，锂离子电池模组向超多节电芯发展的趋势愈发明显。从手机仅需单节电芯到电动汽车和储能电站用锂离子电池模组需要高达上千节电芯，电芯数量的增加使得锂离子电池模组的技术要求也越来越高，整体设计难度不断提升。

（二）锂电池 pack 的特点

储能锂电池 pack 主要由单体电池模块、电气系统、热管理系统、箱体和 BMS 组成。

电池模块：如同人体的 “心脏”，负责电能的储存和释放。

电气系统：由连接铜排片、高压线束、低压线束以及电气保证器件等组成。高压线束如 “大动脉血管”，将电池电能输送给末端负载；低压线束如 “神经网络”，实时传输检测信号和控制信号。

热管理系统：主要有风冷、液冷两种方式。液冷可分为冷板式液冷和浸沉式液冷，相当于给电池 PACK 装了一个空调。为确保电池在合理环境温度下工作，提升电池循环寿命，一般要求系统温差≤5℃。

箱体：由箱体、箱体盖板、金属支架、面板以及固定螺钉组成，如 “骨骼” 般起到支撑、抗机械冲击、机械振动和环境保护的作用。

BMS：即电池管理系统，如同电池的 “大脑”，负责测量电池的电压、电流和温度等参数，同时还有均衡等功能，可将数据传送给 MES。

储能锂电池 pack 具有以下特点：

1.高能量密度：可以在相对较小的体积和重量下存储大量能量，适用于储能领域。

2.高安全性：采用先进的 BMS 系统和安全措施，能实现对电池单体的监控、保护和故障检测，降低安全风险。

3.高效性能：具有较高的充放电效率和快速响应能力，可实现快速充电和高效能量释放，满足储能系统对能量输出的需求。

4.可扩展性：设计具有良好的可扩展性，可根据需要进行模组的并联或串联，满足不同规模和功率需求。

5.环保节能：是一种清洁能源解决方案，对环境友好，减少对传统能源资源的依赖。

Pack 电池包对电池有四种保护：

1.过充电保护：当外部充电器对锂电池充电，电压升高到充电截止电压后，充电器应停止充电。但在非正常情况下，若充电器继续充电使锂电池电压升高到芯片保护电压，芯片会触发内部比较器，关闭电路，防止继续充电。

2.过放电保护：锂电池对负载供电时，电压会下降。当下降到特定电压后，芯片会启动内部比较器，关闭内部特定管道，使电路断路，防止锂电池过度放电。

3.充电过流保护：芯片通过检测 VDD 引脚电压判断锂电池电压状态，通过检测 V - 引脚电压判断锂电池电流状态。充电时，若充电电流使电阻电压超过芯片阈值，芯片会关闭通道，强制关闭充电功能，实现过流充电保护。

4.放电过流保护：锂电池给负载供电时，若负载消耗电流过大使 V - 引脚电压超过放电流过保护阈值电压，芯片会触发保护机制，关闭相应通道，使电路断路。