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GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》標準解讀
2015-07-29     來源:日用電器    作者:張思瑤 黃鯤 周偉健    瀏覽:3991    評論:2        
導讀:摘要:GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組 安全要求》將于2015年8月1號正式實施,其是關于便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求的首個強制標準,該標準在電安全、環境安全、保護電路以及系統

摘要:GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組 安全要求》將于2015年8月1號正式實施,其是關于便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求的首個強制標準,該標準在電安全、環境安全、保護電路以及系統保護電路等方面對鋰電池和電池組做出安全要求。本文從定義、送樣要求以及各章試驗要求進行標準解讀。

關鍵詞:鋰離子電池和電池組;便攜式電子產品;安全要求

近年來,隨著科技行業的快速發展,便攜式電子產品持續火熱,作為電子產品必要配件之一的鋰離子電池和電池組的市場需求也在高速增長。隨之而來的鋰離子電池的安全問題也日益凸顯。我國是鋰離子電池生產大國,但長期以來對該產品的安全監管不太嚴格,此前也沒有發布任何強制性法規或標準。因此,作為鋰離子電池和電池組的首個強制性國標GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組 安全要求》的發布備受關注。GB 31241-2014于2014年12月5號發布,將于2015年8月1號正式實施,相信隨著該標準的強制實施,對于提高鋰離子電池安全質量水平,提升電子產品的安全性和消費者安全保障水平,優化鋰電池產品的材料、工藝、設計和管理,促進鋰離子電池行業良性健康發展等方面都有著重要的意義。

1 標準解讀

1.1 定義解析

該標準的適用范圍是便攜式電子產品鋰離子電池和電池組,便攜式電子產品在標準中定義為不超過18Kg的預定可由人員經常攜帶的移動式電子產品,明確提出了便攜式電子產品的重量限制。

鋰離子電池(Lithium ion cell)指含有鋰離子的能直接將化學能轉化為電能的裝置。該裝置包括電極、隔膜、電解質、容器和端子等,并被設計成可充電。從定義可以看出,鋰離子電池為最基本的電化學單元,可以由一個或多個串聯或并聯組成、也是行業內俗稱的電芯。

鋰離子電池組(lithium ion battery)指由任意數量的鋰離子電池組合而成準備使用的組合體。該組合體包括適當的封裝材料、連接器,也可能含有電子控制裝置。從定義可以看出,鋰離子電池組是可以準備直接使用的成品電池組。

同時,也定義了用戶可更換型電池組(user replaceable battery),即應用于便攜式電子產品中且允許用戶直接更換的鋰電池組和非用戶可更換電池/電池組(non-user replaceable cell./battery),即內置于便攜式電子產品中且不允許用戶直接更換的鋰離子電池或電池組。本標準中針對這兩種類型的電池和電池組有不同的測試項目和送樣要求,因此需要準確區分電子產品中鋰離子電池和電池組的更換方式。

1.2 試驗順序及送樣要求

電池樣品在進行該標準測試前,要先進行兩個充放電循環,其實際容量必須大于或等于其額定容量。

每個試驗項目如無特殊說明均為3個。根據鋰離子電池和電池組的更換方式和保護方式不同,樣品數量要求和測試章節也不同,各種類型電池和電池組送樣及測試章節如表1所示。

各種類型電池和電池組測試流程如圖1及圖2。

1.3 鋰離子電池和電池組的一般安全要求

該標準的第五章介紹的是對鋰離子電池和電池組一般安全要求,在這里需要提醒廣大鋰電池廠商注意的是,本標準對標識和警示說明、規格書以及安全關鍵元器件都有相應的要求。相比于以往發布的電池國家標準如GB/T 18287-2013等,本標準的要求嚴格很多。

標識和警示說明的要求為電池的本體上必須標注產品名稱、型號、額定容量、充電限制電壓、正負極性、制造商或商標。電池本體或最小包裝必須有中文警示說明。且標識和警示說明必須通過耐久性測試。

電池規格書上必須有安全工作參數,包括溫度范圍、電壓范圍和電流范圍等參數,這些參數是電池安全工作條件也是在該標準的電池和電池組的安全測試的關鍵參數。所以鋰電池廠商必須根據產品特性如實提供相關安全工作參數。避免出現虛標參數而導致測試不通過的情況出現。

鋰電池和電池組的安全關鍵元器件(起保護作用的元器件),如正溫度系數熱敏電阻PTC、熱熔斷體等應符合該標準的相關測試要求,或者符合有關元器件的國家標準、行業標準、或其他規范中與安全有關的要求。所以,鋰電池廠商盡量選取已經獲得相關認證或通關相關檢測的關鍵元器件,以提高該標準的測試通過率。

1.4 電安全、環境安全、保護電路和系統保護電路試驗

1.4.1 鋰電池電安全試驗和環境安全試驗

該標準的第六章是鋰電池電安全試驗,包括常溫外部短路、高溫外部短路、過充電和強制放電四個測試。第七章是電池環境安全試驗,包括低氣壓、溫度循環、振動、加速度沖擊、跌落、擠壓、重物沖擊、熱濫用和燃燒噴射九個測試。這些試驗項目與鋰電池的現行主流標準如IEC 62133、UL 1642、UN 38.3和GB/T 18287等的相關試驗方法和試驗條件基本相同,都是針對鋰電池的常規安全試驗。

1.4.2電池組環境安全試驗

該標準的第八章是鋰電池組環境安全試驗,包括低氣壓、溫度循環、振動、加速度沖擊、跌落、應力消除、高溫使用、洗滌和阻燃要求等九項試驗。

其中,洗滌試驗是該標準獨有的一項試驗,其是模擬手持式電子產品或置于衣物口袋中攜帶的電子產品隨衣物一同在洗衣機中洗滌的情況。該試驗對鋰電池組安全性能要求較為苛刻,也是一項頗具爭議的試驗。很多廠商擔心無法通過該項試驗。但是該標準也有說明如果在電池本體增加相關警示說明如“電池浸水后禁止使用”,可以免做該項測試。因此,增加警示說明應該是確保通過該項試驗最簡單有效的方式。而消費者在首次購買產品時需仔細閱讀產品規格書和使用說明,一般而言,除非特別用途的產品用鋰離子電池, 嚴禁將電池放入清潔器具中洗滌。

阻燃要求是針對充電限制電壓和最大充電電流或最大放電電流的乘積超過15VA的電池組,其外殼、PCB板、導線和絕緣材料都要采用相應等級的阻燃材料。

阻燃材料的V-0、V-1、V-2級燃燒特性是按照GB/T 5169.16中的試驗方法(50W水平與垂直火焰試驗方法)進行測試,主要考察樣品的燃燒時間和燃燒滴落物。導線阻燃性的試驗方法則是采用GB/T 5169.5針焰試驗方法并作了部分修改進行測試。鋰電池組的絕緣材料包括了絕緣塑套、包封料(如高溫膠帶、封邊膠帶、膠布)包封膠、滴膠系列、絕緣紙、牛皮紙、橡膠發泡制品(如EVA泡棉膠帶、絕緣漆等,所有絕緣材料均應滿足標準對絕緣材料要求的阻燃等級。

1.4.3 電池組安全試驗

該標準的第九章是針對電池組電安全試驗,一共有過壓充電、過流充電、欠壓充電、過載、外部短路、反向充電和靜電放電八項試驗。主要模擬電池組在濫用和錯誤使用下,其安全性能如何,電池組是否出現起火、爆炸、漏液等安全問題。

該章的測試對象比較特殊,只適用于自身帶有保護電路的電池組,不適用于自身不帶有保護電路但在其充電器或由其供電的電子產品中帶有保護電路的電池組。而且對于自身帶有保護電路的電池組,如果其保護電路可以通過第十章電池組保護電路安全要求的測試,那么進行該章的測試可以保留保護電路。如果不能通過第十章測試,則進行該章測試時必須移除保護電路。所以,如果是帶保護板測試,這些測試相比不帶保護板測試而言是相對容易通過。

1.4.4 電池組保護電路安全要求

該標準的第十章只適用于自身帶有保護電路的用戶可更換型電池組,主要考察保護電路的可靠性,因此,該章的測試對象可以是帶保護電路的電池組也可以是電池組的保護電路。

該章一共有過壓充電保護、過流充電保護、欠壓放電保護、過載保護、短路保護以及耐高壓六項測試。前五項測試是樣品分別進行過壓充電、過流充電、欠壓放電、過流放電以及短路,相關保護電路動作后靜止1min,以此為一個循環。共循環500次,每次循環相關保護電路應都有動作。耐高壓是樣品施加一個較高電壓,恒壓充電24h,保護板應仍能動作并且禁止充電。

這里以欠壓放電保護為例,用實測循環曲線分析該測試項目。測試樣品是帶保護板的電池組,由兩只18650電池串聯組成。額定電壓為7.4V,容量是2600mAh。電池組的欠壓保護電壓和放電截止電壓均為是4.8V。標準放電電流是400mA。圖3是欠壓放電循環500次的循環曲線。圖4是500次循環曲線的局部視圖。

圖3和圖4中紅色線條是電流線,綠色為電壓線。觀察圖中箭頭所示,電池組在放電過程中,電壓線出現陡降現象,電流線為0,此時可判斷電池組保護板動作切斷電路。

1.4.5 系統保護電路安全要求

該標準的第十一章試驗適用于自身不帶保護電路但在其充電器或由其供電的電子產品(含其配件)中帶有保護電路的電池組或電池。
  該章試驗的樣品為由上述電池或電池組供電的電子產品,并且是在取出電池或電池組的狀態下進行。

該章一共有充電電壓控制、充電電流控制、放電電壓控制、放電電流控制以及充放電溫度控制五項測試。分別測試電子產品在正常工作條件以及單一故障條件下,其輸出的充電電壓、輸出的充電電流、放電的最低電壓、放電的最大電流以及充放電停止時的溫度。并要求均不能超過電池制造商提供的規定值。圖5為正常條件及單一故障條件下,充電電壓及電流測試的示意圖。圖6為正常條件及單一故障條件下,放電電壓及電流測試的示意圖。

第十二章為一致性要求,目前還未有相關試驗發布。

2 小結

相比于鋰電池主流標準如國內的GB/T 18287-2013《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范》和國際上的IEC 62133:2012,Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes -Safety requirements for portable sealed secondary cells,and for batteries made from them, for use in portable applications,GB 31241在適用范圍以及相關要求上還是存在很大差異。

GB/T 18287的適用范圍較窄,只針對移動電話用鋰離子電池。而且GB/T 18287對于鋰電池安全要求也只是針對鋰電池本身,不包括電池組保護電路以及系統保護電路的安全要求。同時GB/T 18287 不僅有安全要求也有對鋰電池性能(如容量)方面的要求。

IEC 62133的適用范圍是便攜設備用密封二次電池,不僅針對鋰離子電池還包括了鎳電池。它也是只針對二次電池本身的安全要求,不包括電池組保護電路以及系統保護電路的安全要求。但是IEC 62133對鋰電池的運輸安全有要求,要求鋰電池必須通過UN 38.3測試。

綜上所述,GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組 安全要求》對于便攜式電子產品用鋰電池和電池組有著完整和系統的安全要求,包括在電安全、環境安全、保護電路及系統保護電路等方面,能夠盡可能的排除鋰電池和電池組在使用過程中存在的安全風險??深A計該標準在整個鋰電池行業會產生巨大的影響力。因此,廣大鋰電池生產廠和便攜式電子設備制造商如筆記本、手機、PAD等都應該高度重視該標準,從采購、設計、生產、質控和認證等環節全面評估,滿足該標準的全部安全要求,以來自生產領域和流通領域的監督。

參考文獻

[1] GB 31241-2014 ,便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組 安全要求[S].
[2] GB/T 18287-2013,移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范[S].
[3] IEC 62133:2012, Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes -Safety requirements for portable sealed secondary cells,and for batteries made from them, for use in portable applications[S].
[4] UN 38.3 ,關于危險品貨物運輸的建議書 試驗和標準手冊[S]. 
 

 

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