Normas de Pruebas de Baterías de Litio en China y en el Extranjero
En los últimos años, China ha logrado avances significativos en la formulación y aplicación de estándares para baterías de iones de litio de potencia. Sin embargo, todavía existe una brecha en comparación con los estándares extranjeros. Además de los estándares de prueba, el sistema de estándares de China para las baterías de iones de litio se está mejorando gradualmente en otros aspectos.
El 9 de noviembre de 2016, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información (MIIT) publicó el ‘Sistema Técnico de Estandarización Integral para Baterías de Iones de Litio’. Se señaló que el sistema de estándares futuro incluirá cinco partes principales: estándares generales básicos, materiales y componentes, diseño y procesos de fabricación, equipos de fabricación y pruebas y productos de baterías.
Entre estos, los estándares de seguridad desempeñan un papel importante.
A medida que los productos de baterías de potencia evolucionan y se desarrollan, los estándares de prueba también deben mejorar las tecnologías de detección correspondientes para mejorar el nivel de seguridad de las baterías de potencia.
01 Normas Extranjeras para Baterías de Iones de Litio de Potencia
(1) Normas Internacionales
– La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha publicado varias normas para baterías de iones de litio de potencia, que incluyen:
- IEC 62660-1:2010 ‘Conjuntos de baterías de tracción de iones de litio para vehículos eléctricos en carretera – Parte 1: Pruebas de rendimiento’
- IEC 62660-2:2010 ‘Conjuntos de baterías de tracción de iones de litio para vehículos eléctricos en carretera – Parte 2: Pruebas de confiabilidad y abuso.’
– La Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (UNECE) ha emitido la UN 38.3, ‘Recomendaciones sobre el Transporte de Mercancías Peligrosas – Manual de Pruebas y Criterios.’ Esta normativa establece los requisitos para las pruebas de baterías de litio en cuanto a su seguridad durante el transporte.
– ISO ha desarrollado normas para baterías de iones de litio de potencia, que incluyen:
- ISO 12405-1:2011 ‘Vehículos de carretera de propulsión eléctrica – Especificación de ensayo para conjuntos de baterías de tracción de iones de litio y sistemas – Parte 1: Aplicaciones de alta potencia.’
- ISO 12405-2:2012 ‘Vehículos de carretera de propulsión eléctrica – Especificación de ensayo para conjuntos de baterías de tracción de iones de litio y sistemas – Parte 2: Aplicaciones de alta energía.’
- ISO 12405-3:2014 ‘Vehículos de carretera de propulsión eléctrica – Especificación de ensayo para conjuntos de baterías de tracción de iones de litio y sistemas – Parte 3: Requisitos de seguridad.’
Estas normas abordan baterías de alta potencia, baterías de alta energía y requisitos de seguridad, con el objetivo de proporcionar a los fabricantes de vehículos una variedad de elementos de prueba y métodos de ensayo entre los que elegir.
(2) Normas Estadounidenses
– UL 2580:2011 ‘Baterías para Uso en Vehículos Eléctricos’ evalúa principalmente la resistencia de la batería al abuso y su capacidad para proteger a las personas cuando el abuso conlleva peligro. Esta norma fue revisada en 2013.
– SAE, con un sistema de normas completo en el ámbito automotriz, emitió varias normas:
- SAE J2464:2009 ‘Pruebas de Seguridad y Abuso de Sistemas de Almacenamiento de Energía Recargable (RESS) para Vehículos Eléctricos e Híbridos’ es una guía temprana para las pruebas de abuso de baterías para vehículos automotores, aplicada en América del Norte y a nivel global. Especifica el alcance de cada ítem de prueba y los datos necesarios a recopilar, además de ofrecer recomendaciones sobre la cantidad de muestras necesarias.
- SAE J2929:2011 ‘Norma de Seguridad de Sistemas de Baterías para Vehículos Eléctricos e Híbridos’ es una norma de seguridad de SAE que resume diversas normas de baterías de potencia previamente emitidas. Incluye dos partes: pruebas de escenarios rutinarios durante la operación de vehículos eléctricos y pruebas para escenarios anormales.
- SAE J2380:2013 ‘Pruebas de Vibración de Baterías de Vehículos Eléctricos’ es una norma clásica para las pruebas de vibración de baterías de vehículos eléctricos. Utiliza datos recopilados en función del espectro de carga de vibración durante la conducción real en carreteras, lo que hace que el método de prueba esté más alineado con las condiciones de vibración de vehículos del mundo real y ofrezca un valioso valor de referencia.
(3) Normas de Otras Organizaciones
– El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) es principalmente responsable del desarrollo de políticas energéticas, la gestión de la industria energética y la investigación y desarrollo de tecnología relacionada con la energía.
En 2002, el gobierno de los Estados Unidos inició el proyecto ‘Freedom CAR’, que posteriormente emitió el ‘Manual de Pruebas de Baterías para Vehículos Eléctricos Híbridos con Asistencia de Potencia Freedom CAR’ y el manual ‘Pruebas de Abuso de Sistemas de Almacenamiento de Energía para Vehículos Eléctricos e Híbridos’.
– La Asociación Alemana de la Industria Automotriz (VDA) es una asociación establecida para unificar varios estándares de la industria automotriz en Alemania.
El estándar VDA 2007, ‘Pruebas de Sistemas de Baterías para Vehículos Eléctricos Híbridos’, se enfoca principalmente en las pruebas de rendimiento y confiabilidad de los sistemas de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos híbridos.
– La Comisión Económica para Europa (ECE) Reglamento R100.2, titulado ‘Disposiciones Uniformes Relativas a la Aprobación de Vehículos en lo que Respecta a Requisitos Específicos para Vehículos Eléctricos’, es un conjunto de requisitos específicos establecidos por la ECE para vehículos eléctricos. Se divide en dos partes:
- La primera parte proporciona regulaciones para el vehículo completo en términos de protección del motor, sistemas de almacenamiento de energía recargable, seguridad funcional y emisiones de hidrógeno.
- La segunda parte introduce requisitos específicos para la seguridad y confiabilidad de los sistemas de almacenamiento de energía recargable.
02 Normas Nacionales Chinas para Baterías de Litio-ion para Vehículos Eléctricos
– En 2001, el Comité de Estandarización de Automóviles emitió el primer documento técnico guía para la prueba de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos en China, GB/Z 18333.1:2011 ‘Batería de Iones de Litio para Vehículos Eléctricos en Carreteras’.
Esta norma se desarrolló con referencia a la norma IEC 61960-2:2000 ‘Celdas y Baterías de Iones de Litio Portátiles – Parte 2: Baterías de Iones de Litio’, que está destinada a baterías de iones de litio y paquetes de baterías utilizados en dispositivos portátiles. Las pruebas cubren tanto el rendimiento como la seguridad, pero solo son aplicables a baterías con voltajes de 21.6V y 14.4V.
– En 2006, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información emitió la norma QC/T 743 ‘Batería de Iones de Litio para Vehículos Eléctricos’, que se ha utilizado ampliamente en la industria y fue revisada en 2012.
Tanto GB/Z 18333.1:2001 como QC/T 743:2006 son normas aplicables a nivel de individuo y módulo. Sin embargo, su alcance es relativamente limitado, y los criterios de prueba ya no se ajustan a las cambiantes necesidades de la creciente industria de vehículos eléctricos.
– En 2015, el Comité de Gestión de Estandarización Nacional emitió una serie de normas:
- GB/T 31484-2015 ‘Requisitos y Métodos de Prueba para la Vida de Ciclo de Baterías de Potencia para Vehículos Eléctricos.’
- GB/T 31485-2015 ‘Requisitos de Seguridad y Métodos de Prueba para Baterías de Potencia para Vehículos Eléctricos.’
- GB/T 31486-2015 ‘Requisitos de Rendimiento Eléctrico y Métodos de Prueba para Baterías de Potencia para Vehículos Eléctricos.’
- GB/T 31467.1-2015 ‘Procedimientos de Prueba para Aplicaciones de Alta Potencia de Paquetes y Sistemas de Baterías de Iones de Litio para Vehículos Eléctricos.’
- GB/T 31467.2-2015 ‘Procedimientos de Prueba para Aplicaciones de Alta Energía de Paquetes y Sistemas de Baterías de Iones de Litio para Vehículos Eléctricos.’
- GB/T 31467.3 ‘Procedimientos de Prueba para Requisitos de Seguridad y Métodos de Prueba de Sistemas de Baterías de Iones de Litio para Vehículos Eléctricos.
GB/T 31485-2015 y GB/T 31486-2015 son normas específicas para la seguridad y el rendimiento eléctrico de módulos individuales.
La serie GB/T 31467-2015 se basa en la serie ISO 12405 y es aplicable a las pruebas de paquetes de baterías o sistemas de baterías.
GB/T 31484-2015 es una norma dedicada a las pruebas de vida útil cíclica, en la cual se aplica la vida útil cíclica estándar a los módulos individuales, y se utiliza la vida útil cíclica operativa para los paquetes de baterías y sistemas.
– En 2016, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información (MIIT) publicó las ‘Especificaciones Técnicas de Seguridad para Autobuses Eléctricos’. Estas especificaciones abordan de manera integral aspectos como la protección contra descargas eléctricas, protección contra agua y polvo, protección contra incendios, seguridad en la carga, seguridad en caso de colisión, monitoreo remoto y más.
Se basan en las normas existentes de autobuses tradicionales y vehículos eléctricos, así como en normativas locales en lugares como Shanghái y Pekín. Las especificaciones imponen requisitos técnicos más exigentes para las baterías de potencia e introducen dos nuevos elementos de prueba: la fuga térmica y la propagación de la fuga térmica. Fueron implementadas oficialmente el 1 de enero de 2017.
03 Análisis de Normas de Baterías de Iones de Litio para Vehículos Eléctricos a Nivel Nacional e Internacional
La mayoría de las normas internacionales se publicaron alrededor del año 2010, con múltiples revisiones y la introducción continua de nuevas normas. GB/Z 18333.1: 2001 se emitió en el año 2001, lo que indica que las normas chinas para baterías de iones de litio en vehículos eléctricos no comenzaron más tarde que en el resto del mundo. Sin embargo, su desarrollo ha sido relativamente lento.
Después de la publicación de la norma QC/T 743 en 2006, China pasó por un largo período sin actualizaciones de normas. Además, no existían normas para paquetes o sistemas de baterías hasta que se introdujeron las nuevas normas nacionales en 2015.
Las normas nacionales e internacionales mencionadas anteriormente difieren en cuanto a su alcance de aplicación, el contenido de los elementos de prueba, el rigor de los procedimientos de prueba y los criterios de evaluación.
Alcance de Aplicación
La serie IEC 62660, QC/T 743, GB/T 31486 y GB/T 31485 están diseñadas para realizar pruebas a nivel de celdas individuales y módulos, mientras que UL2580, SAE J2929, ISO12405 y la serie GB/T 31467 se aplican a pruebas de paquetes de baterías y sistemas de baterías.
Con la excepción de la norma IEC 62660, la mayoría de las normas extranjeras involucran principalmente pruebas a nivel de paquete de baterías o sistema, y SAE J2929 y ECE R100.2 incluso mencionan pruebas a nivel de vehículo.
Esto indica que las normas extranjeras tienen en cuenta de manera más amplia la aplicación de las baterías en el conjunto del vehículo, lo que las hace más acordes con las necesidades del mundo real.
Categorías de Pruebas
Todas las categorías de pruebas se pueden dividir ampliamente en dos categorías principales: rendimiento eléctrico y confiabilidad de seguridad. La confiabilidad de seguridad se puede subdividir en confiabilidad mecánica, confiabilidad ambiental, confiabilidad bajo abuso y confiabilidad eléctrica.
- Confiabilidad Mecánica
Simula las tensiones mecánicas experimentadas por el vehículo durante su operación, como vibraciones que replican el movimiento del vehículo en la carretera.
- Confiabilidad Ambiental
Simula la resistencia del vehículo a diferentes climas, como ciclos de temperatura que representan el rendimiento del vehículo en áreas con variaciones significativas de temperatura entre el día y la noche o durante los desplazamientos en regiones frías y cálidas.
- Fiabilidad Bajo Abuso
Esta categoría evalúa el rendimiento de la batería en casos de uso indebido, como pruebas de fuego, para determinar la seguridad de la batería en condiciones adversas. La confiabilidad eléctrica incluye pruebas de protección, que examinan principalmente si el Sistema de Gestión de la Batería (BMS) funciona efectivamente en situaciones críticas.
- Pruebas a Nivel de Células de Batería
En este aspecto, la norma IEC 62660 se divide en dos estándares independientes, IEC 62660-1 e IEC 62660-2, que corresponden a pruebas de rendimiento y confiabilidad. GB/T 31485 y GB/T 31486 evolucionaron a partir de QC/T 743, y GB/T 31486 categoriza la resistencia a la vibración como una prueba de rendimiento, ya que esta prueba evalúa el impacto de la vibración en el rendimiento de la batería. En comparación con IEC 62660-2, GB/T 31485 tiene pruebas más estrictas, como la penetración con aguja y la inmersión en agua salada.
- En lo que respecta a las pruebas de batería y sistema de batería
Tanto en cuanto al rendimiento eléctrico como a la confiabilidad, los estándares estadounidenses abarcan la mayor cantidad de ítems de prueba.
En lo que respecta a las pruebas de rendimiento, DOE/ID-11069 incluye ítems de prueba adicionales en comparación con otros estándares, tales como Caracterización de Pulsos Híbridos de Potencia (HPPC), estabilidad del punto de ajuste de funcionamiento, vida útil según el calendario, rendimiento de referencia, espectro de impedancia, pruebas de inspección de control de módulos, cargas de gestión térmica y pruebas a nivel de sistema combinadas con verificación de vida.
Los apéndices de los estándares proporcionan métodos de análisis detallados para los resultados de las pruebas de rendimiento eléctrico. Entre ellos, las pruebas de HPPC se pueden utilizar para evaluar la potencia máxima de la batería de tracción, y el método de prueba de resistencia interna de corriente continua (DCIR) derivado se ha utilizado ampliamente para investigar las características de la resistencia interna de las baterías.
- Aspectos de Confiabilidad
– UL 2580 incluye ítems de prueba adicionales en comparación con otros estándares, como la carga de baterías desequilibradas, resistencia al voltaje, aislamiento, pruebas de continuidad y pruebas de fallo del sistema de enfriamiento/calentamiento. También incluye pruebas básicas de seguridad para los componentes del paquete de baterías en la línea de producción y refuerza los requisitos de revisión de seguridad para el diseño del BMS, los sistemas de enfriamiento y los circuitos de protección.
– SAE J2929 requiere un análisis de fallos de varias partes del sistema de batería y la preservación de documentación relacionada, incluyendo medidas de mejora para fallos fácilmente identificables.
– Las normas de la serie ISO 12405 abarcan tanto el rendimiento de la batería como los aspectos de seguridad. ISO 12405-1 es la norma de prueba de rendimiento de la batería para aplicaciones de alta potencia, mientras que ISO 12405-2 es la norma de prueba de rendimiento de la batería para aplicaciones de alta energía. La primera incluye el arranque en frío y el arranque en caliente como contenidos adicionales.
– La serie GB/T 31467 combina el estado actual de desarrollo de las baterías de potencia en China y se modifica en función del contenido de las normas de la serie ISO 12405.
Lo que la diferencia de otros estándares es que tanto SAE J 2929 como ECE R100. 2 involucran requisitos de protección de alto voltaje, que caen dentro del ámbito de la seguridad de vehículos eléctricos. Los elementos de prueba pertinentes en China se describen en el GB/T 18384, y el GB/T 31467. 3 estipula que los paquetes de baterías y sistemas de baterías deben cumplir con los requisitos del GB/T 18384. 1 y el GB/T 18384. 3 antes de someterse a pruebas de seguridad.
Rigor
Para los mismos elementos de prueba, diferentes normas especifican diferentes métodos de prueba y criterios de juicio. Por ejemplo, en lo que respecta al estado de carga (SOC) de las muestras de prueba:
- GB/T 31467. 3 requiere que las muestras estén completamente cargadas.
- ISO 12405 requiere un SOC del 50% para baterías de tipo de potencia.
- Para las baterías de tipo de energía, se requiere un SOC del 100%.
- ECE R100. 2 exige que el SOC de la batería sea superior al 50%.
- 3 tiene requisitos variables para diferentes elementos de prueba, y algunos ensayos pueden requerir baterías cicladas.
Además, se requiere que las pruebas altamente simuladas, pruebas térmicas, vibración, impacto y pruebas de cortocircuito externo se realicen utilizando la misma muestra, lo que es relativamente más estricto. En cuanto a las pruebas de vibración, ISO 12405 requiere que las muestras se sometan a vibraciones a diferentes temperaturas ambientales, con temperaturas elevadas y bajas recomendadas de 75°C y -40°C, un requisito que no se encuentra en otras normas.
En lo que respecta a la prueba de quemado, los métodos y parámetros experimentales en GB/T 31467. 3 son bastante similares a ISO 12405. 3, donde ambos implican un precalentamiento, encendido directo de la llama e ignición indirecta de la llama. Sin embargo, GB/T 31467. 3 estipula que si hay una llama presente, esta debe apagarse en un plazo de 2 minutos, mientras que ISO 12405 no especifica un tiempo de extinción de la llama.
SAE J2929 difiere en su prueba de quemado de las dos anteriores. Requiere que la muestra se coloque en un contenedor de calor radiante, se caliente rápidamente a 890°C en 90 segundos y se mantenga durante 10 minutos, sin permitir que componentes o materiales atraviesen la malla de metal colocada en el exterior de la muestra de prueba.
Deficiencias de las Normas Nacionales Existentes
A pesar de que el desarrollo y la publicación de normas nacionales relevantes han llenado el vacío en cuanto a sistemas de paquetes de baterías de iones de litio en China y se utilizan ampliamente, aún existen deficiencias.
- Objeto de Prueba
Todas las normas solo especifican pruebas para baterías nuevas, sin regulaciones ni requisitos para baterías usadas.
El hecho de que una batería no tenga problemas cuando sale de la fábrica no garantiza que siga siendo segura después de cierto período de uso.
Por lo tanto, es necesario someter las baterías utilizadas durante diferentes períodos a las mismas pruebas, de manera similar a los chequeos regulares.
- Evaluación de Resultados
Los criterios actuales para la evaluación son amplios y únicos, especificando solo la ausencia de fugas, ruptura del revestimiento, ignición y explosión. Falta un sistema de evaluación cuantificable.
El Consejo Europeo para la Investigación y Desarrollo de la Automoción (EUCAR) clasifica la gravedad de los peligros de las baterías en ocho niveles, proporcionando ideas valiosas.
- En lo que respecta a los Aspectos de Pruebas
GB/T 31467.3 carece de contenido de prueba para la gestión térmica y el descontrol térmico de los paquetes de baterías y sistemas de baterías, mientras que el rendimiento de seguridad térmica es crucial para las baterías. Controlar el descontrol térmico en celdas individuales y prevenir su propagación es de gran importancia. La implementación obligatoria de las ‘Condiciones Técnicas de Seguridad para Autobuses Eléctricos’ también subraya este punto.
Además, desde la perspectiva de las aplicaciones de vehículos completos, es necesario agregar pruebas de rendimiento eléctrico después de las pruebas de confiabilidad no destructivas, como la confiabilidad ambiental, para simular el impacto en el rendimiento después de que el vehículo experimenta cambios ambientales.
- En cuanto a los Métodos de Prueba
Las pruebas de vida cíclica de los paquetes de baterías y sistemas de baterías son lentas, lo que afecta los ciclos de desarrollo de productos y es difícil de ejecutar correctamente.
Desarrollar un método razonable de prueba acelerada de vida cíclica es una tarea difícil.
