GB/T 42728-2023 鋰離子電池組安全設(shè)計(jì)指南（正式版）

ICS29.220.99CCSK82鋰離子電池組安全設(shè)計(jì)指南Guidelinesforsafetydesignoflithiumionbatteries國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T42728—2023 Ⅲ 1 1 1 2 3 3 3 3 3 3 36.4電池?cái)?shù)量 3 3 4 4 4 47.2電壓管理 47.3電流管理 47.4溫度管理 5 57.6多級(jí)保護(hù) 57.7保護(hù)可靠性 57.8其他考慮 6 6 68.2連接器/連接片連接 6 6 6 7 7 7Ⅱ 79.2電池在電池組中的位置 9.3電池組在設(shè)備中的位置 10防火設(shè)計(jì) 8 10.2防延燒設(shè)計(jì) 8 811.1防止機(jī)械損傷 11.3嵌入其他設(shè)備 811.4安裝方向 8參考文獻(xiàn) 9ⅢGB/T42728—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部提出并歸口。本文件起草單位：中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、東莞新能德科技有限公司、欣旺達(dá)電子股份有限公司、惠州市德賽電池有限公司、珠海冠宇電池股份有限公司、寧德新能源科技有限公司、寧波公牛數(shù)碼科技有限公司、深圳市華寶新能源股份有限公司、小米通訊技術(shù)有限公司、深圳市比亞迪鋰電池有限公司、聯(lián)想(北京)有限公司、OPPO廣東移動(dòng)通信有限公司、深圳市睿能技術(shù)服務(wù)有限公司、煙臺(tái)海博電氣設(shè)備有限公司、上海道口松研智能科技有限公司、福建飛毛腿動(dòng)力科技有限公司。1GB/T42728—2023鋰離子電池組安全設(shè)計(jì)指南2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3.1生產(chǎn)鋰離子電池的制造廠商。3.2將電池組裝成電池組的制造廠商。3.33.4多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起的配置，可能有也可能沒有保護(hù)裝置[如熔斷器或正溫度系數(shù)熱敏(PTC)]和監(jiān)控電路。3.5電池組管理單元batterymanagementunit;BMU電池組管理系統(tǒng)batterymanagementsystem;BMS以控制電池組的充放電行為為核心功能，用以保護(hù)電池安全的電路板、電路模塊或電子系統(tǒng)。2GB/T42728—2023理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的管理保護(hù)。3.6電池組系統(tǒng)batterysystem注1:如果電池制造廠商和用戶達(dá)成協(xié)議，過放切斷并不是強(qiáng)制性的。注2:它可以包含冷卻或加熱裝置，有的甚至包含了充放電模塊和逆變模塊。3.7總質(zhì)量超過12kg的鋰離子電池組。注：本文件簡(jiǎn)稱為大型電池組。3.8漏液leakage可見的液體電解質(zhì)的漏出。3.9由于內(nèi)部或外部因素引起電池外殼或電池組殼體的機(jī)械損傷，導(dǎo)致內(nèi)部物質(zhì)暴露或溢出，但沒有3.10起火fire從電池或電池組發(fā)出火焰。3.11電池或電池組的外殼劇烈破裂并且主要成分拋射出來。4設(shè)計(jì)總則產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮產(chǎn)品的安全性，即對(duì)維修人員或使用人員提供可接受的保護(hù)措施，以免維修人員或使用人員在預(yù)期使用或合理可預(yù)見的誤用下導(dǎo)致人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失。如果在安全性和經(jīng)濟(jì)利益等產(chǎn)品其他因素之間發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先考慮安全性的要求。鋰離子電池3GB/T42728—20235標(biāo)識(shí)和警示說明本體不具備標(biāo)識(shí)條件的，在獲得相關(guān)方許可后將必要的信息放置在最小包裝、規(guī)格書或者系統(tǒng)設(shè)備本體中。為了指導(dǎo)消費(fèi)和維護(hù)人員不要將電池組進(jìn)行非預(yù)期的使用，電池組的本體或最小包裝上宜有必要電池組本體上的標(biāo)識(shí)和警示說明要清晰可辨，且耐久和醒目。在正常使用時(shí)需考慮耐久性對(duì)其影全性較高材料的電池。組合前需對(duì)電池的一致性進(jìn)行篩選(考慮容量、內(nèi)阻、電壓等);宜采用同一品牌、型號(hào)、規(guī)格的電為了降低安全風(fēng)險(xiǎn)，電池組中串聯(lián)和并聯(lián)的電池的最大數(shù)量分別不超過電池制造商的推薦數(shù)量。在電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)方形結(jié)構(gòu)和聚合物(包含液態(tài)軟包裝)結(jié)構(gòu)的電池在電池最大面預(yù)留有足4GB/T42728—2023夠的膨脹空間，所預(yù)留的膨脹空間至少大于電池制造商推薦的最小值。6.6電池安全性電池組制造商使用的電池的安全性要滿足與電池有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。6.7電池外觀7保護(hù)電路7.1概述條件下充放電，或在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的充放電倍率超出其自身能力，均可能帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。電池組在設(shè)應(yīng)對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)的方式包括，主動(dòng)停止充放電行為或者將充放電行為控制到制造商規(guī)定的安全范圍宜優(yōu)先從電路功能設(shè)計(jì)上響應(yīng)上述安全考慮，即設(shè)計(jì)能夠控制電池組充放電行為的保護(hù)電路，如為電池組增加PCM/BMU/BMS。優(yōu)先在電池組內(nèi)設(shè)計(jì)上述保護(hù)電路。若僅在系統(tǒng)設(shè)備電路中設(shè)計(jì)上述保護(hù)電路而使用了自身不含保護(hù)電路的電池組，則不宜將系統(tǒng)的電池組設(shè)計(jì)為用戶可更換結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)功能，電池組中可以考慮增加必要的信息采集裝置，電池組與設(shè)備的連接可以增加必要的通信和控制總線，某些場(chǎng)景下(如在保障人身、財(cái)產(chǎn)安全的前提下)可由系統(tǒng)控制電路來響應(yīng)保護(hù)策略。7.2電壓管理電池組的保護(hù)電路宜具有過壓充電保護(hù)功能，防止任意一個(gè)電池被充電至超過其充電上限電壓。電池組的保護(hù)電路宜具有欠壓放電保護(hù)功能，防止任意一個(gè)電池被放電至低于其放電截止電壓。多節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池組，即使總電壓不超過電池組的安全范圍，也可能因組成電池一致性變差而出現(xiàn)的某個(gè)單節(jié)電池過壓或者欠壓。因此，多節(jié)串聯(lián)電池組針對(duì)每一個(gè)電池或者每一個(gè)電池并聯(lián)塊的電壓管理是十分必要的。對(duì)多級(jí)串聯(lián)的鋰離子電池組，恰當(dāng)?shù)木庠O(shè)計(jì)能夠降低因組成電池不一致造成的充電過壓或者放電欠壓出現(xiàn)的概率。但電池組不宜僅依賴電路均衡功能來防止充電過壓或者放電欠壓危險(xiǎn)。若電池組或其組成電池的充電上限電壓或放電截止電壓與環(huán)境溫度緊密相關(guān)，則除擁有可靠的電壓保護(hù)之外，還宜控制充放電中任一組成電池不超出其在當(dāng)前環(huán)境溫度下的充電上限電壓及放電截止電壓。對(duì)于設(shè)計(jì)有保護(hù)措施，不會(huì)被充電或放電至安全電壓范圍之外的電池使用的保護(hù)電路，可以降低電壓管理要求。電池組的保護(hù)電路宜具有充電過電流保護(hù)功能，防止任意一個(gè)電池的充電電流超出其最大充電電流。電池組的保護(hù)電路宜具有放電過電流保護(hù)功能，防止任意一個(gè)電池的放電電流超出其最大放電電流。5GB/T42728—2023電池組的保護(hù)電路宜具有短路保護(hù)功能，防止因?yàn)橥獠控?fù)載短路而造成電池組形成放電短路回路。對(duì)于多節(jié)電池并聯(lián)使用的鋰離子電池組，即使電池并聯(lián)塊的總電流不超過安全范圍，也可能因組成電池一致性變差而出現(xiàn)的某個(gè)單節(jié)電池遭遇充電或者放電過電流。宜在整個(gè)壽命周期內(nèi)，將電池組每個(gè)組成電池的充電和放電電流均控制在制造商規(guī)定的安全范圍之內(nèi)。必要時(shí)，并聯(lián)電池的電流管理宜包含針對(duì)每一個(gè)電流支路的充放電電流控制。對(duì)于充放電回路分開設(shè)計(jì)的鋰離子電池組，充電回路宜能阻止相反的電流通過。若因能量回收等設(shè)計(jì)需要在放電回路允許通過反向電流，設(shè)備和系統(tǒng)宜分別將充電和放電電流控制在電池的最大充電和放電電流之下，電池組宜保護(hù)充電和放電電流分別不超過電池的最大充電和放電電流。為了防止電路和電子元器件過熱引起著火，電池組的保護(hù)電路需要考慮回路是否擁有足夠的載流通常鋰離子電池的最大充電電流和最大放電電流能力與電池溫度緊密相關(guān)。電池組的保護(hù)電路除了擁有可靠的充電和放電過電流保護(hù)之外，還宜根據(jù)電池溫度調(diào)整充放電電流，確保應(yīng)用中任一組成電池的充電和放電電流不超出其在當(dāng)前電池溫度下的最大充電和放電電流能力。對(duì)于設(shè)計(jì)有保護(hù)措施，充電和放電電流不會(huì)超出其安全電流范圍之外的電池，保護(hù)電路可以降低電流管理要求。7.4溫度管理電池組的保護(hù)電路宜具有高溫保護(hù)功能，防止電池組在超過組成電池的上限充電溫度和上限放電溫度的條件下充電和放電。電池組的保護(hù)電路宜具有低溫保護(hù)功能，防止電池組在低于組成電池的下限充電溫度的條件下充電。電池組的溫度采集宜盡可能覆蓋到每一個(gè)組成電池，且監(jiān)測(cè)其表面溫度，宜對(duì)電池最可能發(fā)熱的位置進(jìn)行表面溫度的監(jiān)測(cè)。必要情況下，宜對(duì)電池組溫度最高的組成電池和溫度最低的組成電池的溫度之差實(shí)施管理，以降低電池失效或事故的可能。7.5一致性管理多級(jí)串聯(lián)的電池組，宜具備一定的電池均衡功能。對(duì)大型鋰離子電池組，宜有監(jiān)控電池組組成電池的狀態(tài)信息的功能，并且電池組宜具備將電池狀態(tài)信息通過電池組的接口上報(bào)給系統(tǒng)設(shè)備的能力。系統(tǒng)設(shè)備宜能通過通信信號(hào)發(fā)現(xiàn)電池組組成電池的一致性情況，并及時(shí)將不可接受的電池一致性問題通知給用戶或制造商。7.6多級(jí)保護(hù)推薦電池組采用二級(jí)或以上的過充電保護(hù)設(shè)計(jì)，以增加電氣安全保護(hù)冗余。若電池組采用了充電管理電路與保護(hù)電路集成在一起的集成電路器件，為了防止該單一集成電路器件失效造成對(duì)電池的超范圍充放電行為，采用二級(jí)或以上的電池保護(hù)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。7.7保護(hù)可靠性電池組的保護(hù)電路在整個(gè)電池組生命周期中需要能按照預(yù)期啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。例如，執(zhí)行電池保護(hù)功能的關(guān)鍵器件，除能按照預(yù)期啟動(dòng)過壓充電保護(hù)外，還需要耐受可預(yù)見的持續(xù)高電壓輸入。電池保護(hù)器件的抗靜電能力也是需要考慮的可靠性因素之一。在設(shè)計(jì)有軟件控制的保護(hù)電路的電池組，還宜設(shè)計(jì)硬件保護(hù)電路作為最后一道安全保護(hù)。6GB/T42728—2023為來保護(hù)電池。對(duì)充電上限電壓超過60V的高壓電池組，關(guān)于電擊危險(xiǎn)的防護(hù)也是需要考慮的因素。鋰離子電池組可參考GB4943.1中針對(duì)信息技術(shù)設(shè)備產(chǎn)品電擊安全相關(guān)的要求。注：在家電安全標(biāo)準(zhǔn)中，超過42.4V的直流電壓就視為危險(xiǎn)電壓，需要進(jìn)行電擊安全相關(guān)試驗(yàn)考核。便攜式家電產(chǎn)品使用的電池組充電上限電壓超過42.4V時(shí)也需考慮防護(hù)電擊危險(xiǎn)。8部件與材料除了保護(hù)電路，其主要部件是關(guān)鍵元器件為金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET),電池組還可在充放電回路安裝相應(yīng)保護(hù)器件，如節(jié)溫器(中斷電流),正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTCs),以及熱熔斷體等。安全關(guān)鍵元器件需符合電池組標(biāo)準(zhǔn)或元器件標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。對(duì)于采用鎳帶連接的電池，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要確保鎳帶不會(huì)與無連接關(guān)系的其他任何電池節(jié)點(diǎn)觸碰短路。如果電池組中電池沒有正確安裝，電池組可能發(fā)生著火或爆炸。因此要確保電池組中的電池沒有池組內(nèi)部其他部位而導(dǎo)致發(fā)生短路現(xiàn)象。7GB/T42728—20238.5溫度傳感器電池組中進(jìn)行溫度測(cè)量的傳感器宜緊貼電池表面能測(cè)量到最高溫度的位置，必要情況下，還能測(cè)量到最低溫度的位置，并保證足夠的強(qiáng)度。如果是帶電物體，需要做好絕緣處理，不能引起短電池組中的布線需分別考慮該條線路所承載的最大電流。在關(guān)鍵點(diǎn)布線絕緣，避免發(fā)生短路。電電池組和電池的老化、濫用等可能引發(fā)有機(jī)電解液漏液。電池組中端子、布線和連接片需考慮可能材料。中。電池組設(shè)計(jì)人員為導(dǎo)線的絕緣、電池的絕緣、電池組外殼等選擇的材料能夠耐電解液和高溫。其抵抗性和強(qiáng)度要適用于具體的位置和使用方式。將所有可能的使用都考慮到，在電池組設(shè)計(jì)中是非常重要的。電池組所用的起絕緣作用的材料(如絕緣膠帶、導(dǎo)線護(hù)套等)具有足夠的絕緣性能及相應(yīng)的耐壓能9安全性熱設(shè)計(jì)9.1熱保護(hù)設(shè)計(jì)電池組可配備結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置及熱管理(如通風(fēng)等)來避免工作過程或周圍環(huán)境對(duì)電池造成的過熱現(xiàn)象。大容量電池模塊一般通過小型電池的密集組裝實(shí)現(xiàn)，因此在高電壓或大容量使用時(shí)需要考慮到小型電池的比能量和熱行為特性。電池組中個(gè)別單元的失效會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。一般采用通風(fēng)冷卻或液冷的方式對(duì)電池組進(jìn)行熱管理，或者使用相變材料等。為避免周圍環(huán)境對(duì)電池造成的過冷現(xiàn)象，可采取補(bǔ)充加熱方式提高電池周圍環(huán)境溫度。9.2電池在電池組中的位置在電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可能發(fā)熱的部件放置于遠(yuǎn)離電池的位置，避免電池受高溫的影響；電池管理系統(tǒng)中容易發(fā)熱的功率器件，在設(shè)計(jì)時(shí)宜盡可能擺放在遠(yuǎn)離電池的位置，以避免發(fā)熱元件的高溫傳導(dǎo)到電池。9.3電池組在設(shè)備中的位置電池組在設(shè)備中的位置需要考慮其他熱源對(duì)電池溫度的影響。適當(dāng)?shù)臒釘U(kuò)散環(huán)境有利于緩解溫度的升高。8GB/T42728—2023電池組所用的保護(hù)電路板(PCB)、外殼、導(dǎo)線外皮和絕緣材料等的阻燃要求需要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。大型電池組具有避免或延緩在一個(gè)電池?zé)崾Э厍獒數(shù)犬愇?。確保電池組被牢固地安裝在