锂电池过放测试：它揭示了哪些电池安全问题
锂离子电池通常在经过严格定义的上限电压和下限电压之间工作。充电超过上限过多，电芯会进入过充状态；如果放电低于规定的放电下限，则会出现另一类问题：过放。
因此，锂电池过放测试绝不只是把电池一直放电到电压降为零这么简单。合理设计的测试可以帮助工程师了解，当正常放电控制未能按预期工作时，电芯、保护电路、电池管理系统（BMS）以及整个电池包会如何响应。
对于电池设计人员和产品工程师来说，真正需要回答的是一些实际问题：保护电路是否会在预定点断开负载？如果串联电池包中的某一节电芯比其他电芯更早耗尽，会发生什么？电芯是否会发热、鼓胀、排气或产生永久性内部损伤？之后如果有人尝试再次充电，又会发生什么？
什么是锂电池过放？
当可充电锂电芯被放电到低于该化学体系和设计所规定的下限电压时，就会发生过放。这个具体电压并不是统一值，而取决于电极化学体系、电芯结构、制造商规格、保护策略、负载条件以及预期应用等因素。
这一点非常重要，因为“所有锂电池都必须在恰好 X 伏时停止放电”这样的说法通常过于简单。LFP 电芯、NMC 电芯、锂聚合物软包电芯以及专用工业锂电芯都可能具有不同的工作下限。
工程原则： 正确的放电下限应依据电芯制造商的规格以及成品电池或终端产品适用的安全要求，而不是依据网上找到的某个通用电压数值。
为什么过放会成为安全问题？
乍看之下，没电的电池似乎危险性更低，因为可立即释放的电能更少。但从电化学角度看，如果把锂离子电芯强制放电到远低于设计工作范围的状态，电芯内部可能发生不可逆变化。
关于锂离子电池过放的研究表明，严重过放可能与固体电解质界面膜（SEI）退化、电解液相关副反应、产气、阻抗上升以及铜集流体溶解有关。在足够严重的情况下，溶解的铜随后可能在电芯内部重新沉积，从而形成潜在的内部短路通道。
需要特别注意的是，过放过程中造成的损伤可能在电芯随后重新充电时产生影响。电池在滥用事件发生后立即表现平静，并不意味着它一定仍然健康。
| 过放影响 | 可能发生的情况 | 工程师为什么要监测 |
|---|---|---|
| SEI 退化 | 保护性界面层可能退化，并在后续充电时重新形成。 | 可能导致不可逆容量损失并增加副反应。 |
| 容量损失 | 部分活性锂和电极容量可能无法恢复。 | 电芯可能无法再达到原始性能规格。 |
| 阻抗上升 | 严重过放后，内阻可能增大。 | 更高的电阻会使带载时的压降和发热增加。 |
| 产气 / 鼓胀 | 某些电芯设计中，副反应可能产生气体。 | 对软包和方形电芯尤其重要。 |
| 铜溶解 | 严重过放时，负极铜集流体可能变得不稳定。 | 之后的金属沉积可能增加内部短路风险。 |
| 电芯反极 | 串联电路中已经耗尽的电芯可能被其他电芯推动进入反向极性状态。 | 这也是多电芯系统中强制放电测试非常重要的原因之一。 |
过放、深度放电和强制放电并不是一回事
在日常电池讨论中，这几个术语经常被混用，但它们描述的是不同情况。把它们明确区分开，可以让测试规范更加清晰。
| 术语 | 含义 | 典型场景 |
|---|---|---|
| 深度放电 | 使用电池可用容量中的较大部分。 | 这种情况仍可能处于制造商允许的工作范围内。 |
| 过放 | 放电低于规定的工作下限。 | 保护设计、故障分析、电池滥用评估。 |
| 强制放电 | 已经耗尽的电芯被迫继续承载放电电流，甚至可能进入电压反转。 | 安全标准以及串联电芯失衡评估。 |
例如，设想多个电芯串联连接。制造公差、老化、温差或电芯不一致可能使其中一节电芯比其他电芯更早耗尽。如果负载继续取电，剩余电芯实际上会继续推动电流流经已经耗尽的电芯。它的电压可能下降到接近零，在严重情况下甚至会发生极性反转。
这类异常工况正是强制放电测试要研究的对象。
锂电池过放测试是如何进行的？
没有一种测试程序能够适用于所有锂电池。应根据相关标准、电芯类型、电池包设计、目标市场以及终端产品要求选择相应方法。
开发阶段的测试方案通常会采用与下图类似的流程。
1. 定义测试样品
工程师首先记录电池配置、化学体系、额定容量、标称电压、放电下限、保护电路配置、BMS 设置以及电芯排列方式。
对于多电芯电池包，逐电芯电压测量尤其重要，因为仅看整包电压可能掩盖某一节较弱的电芯。
2. 建立所需初始条件
根据适用程序，在测试开始之前，电芯可能需要充电、放电、老化、静置或在规定温度下稳定。
这个条件处理步骤很重要。初始荷电状态不同的两块电池，在相同外部负载下可能表现出非常不同的行为。
3. 施加异常放电条件
通常使用可编程电池循环测试设备或电子负载，以便精确控制并记录电流、电压、时间和终止条件。
在强制放电评估中，测试方法可能会有意模拟这样一种情况：已经耗尽的电芯仍处于串联回路中，而电流继续流过。
4. 监测电气和热行为
常见的有效测量项目包括：
- 单体电芯电压；
- 电池包总电压；
- 放电电流；
- 电芯表面温度；
- 测试持续时间；
- 保护电路动作；
- 适用时监测电压反转；
- 鼓胀或变形；
- 排气、泄漏、烟雾或异常气味；
- 起火或破裂；
- 需要时测量测试后的开路电压和阻抗。
5. 测试后检查电池
电子负载关闭并不一定意味着测试结束。测试后的观察可能发现鼓胀、延迟温升、机械变形或异常电压恢复等现象。
是否应在之后重新给电池充电，应由正式测试程序或受控的工程调查决定。严重过放的量产电池不应仅仅接上充电器来“看看还能不能用”。
典型的过放电压曲线是什么样的？
上图有意没有为下限指定一个通用电压值，因为不同锂电池化学体系并不存在一个统一且普遍安全的截止电压。
测试工程师应以经过批准的电芯规格和适用安全标准为依据。
测试过程中工程师应该关注什么？
有效的过放测试不只是给出最终“通过”或“失败”的结果。开发工程师还应研究电池是如何达到这一结果的。
| 测量项目 | 能够揭示什么 |
|---|---|
| 电芯电压 | 显示单个电芯何时接近下限或进入反极状态。 |
| 电池包电压 | 反映整体系统行为，但可能掩盖电芯不一致。 |
| 电流 | 确认预期的电气滥用条件是否确实被施加。 |
| 温度 | 识别放电过程中或放电后的异常发热。 |
| 保护切断时机 | 有助于验证 BMS 或 PCM 的阈值、延时和开关行为。 |
| 外观 | 可以发现鼓胀、泄漏、排气或机械变形。 |
| 测试后阻抗 | 可以发现仅从外观不易看出的性能退化。 |
| 剩余容量 | 在测试计划要求时，可帮助量化永久性性能损伤。 |
为什么 BMS 过放保护很重要
在合理设计的可充电电池包中，BMS 或保护电路通常是防止过度放电的第一道防线。
良好的设计不会只依赖一个电压数值。工程师还会考虑测量容差、滤波、保护延时、MOSFET 行为、电芯不一致、温度、待机电流，以及保护电路断开之后电池的行为。
重要的 BMS 参数包括
- 过放检测电压： 保护系统识别欠压状态的电压点。
- 检测延时： 异常电压必须持续多长时间，保护才会动作。
- 解除或恢复电压： 电池退出保护状态所需的条件。
- 电芯电压测量精度： 对串联电池包尤其重要。
- 保护 MOSFET 行为： 放电通路是否能够可靠隔离。
- 静态电流： 因为在存储期间，BMS 自身仍会持续消耗少量能量。
- 电芯均衡： 有助于降低某一节电芯比其他电芯明显更早达到下限的概率。
最后一点很容易被忽视。电池如果在剩余电量很低的状态下存放，仍会因自放电和电子系统的待机功耗而持续损失能量。数月后，即使产品从未主动使用，电芯也可能已经下降到远低于预期存储范围的状态。
有过放保护并不意味着电池绝不可能发生过放
保护 IC 可以显著降低风险，但设计人员仍必须考虑现实中的故障条件。
例如：
- 保护 MOSFET 失效或被旁路；
- BMS 配置错误；
- 电压检测错误；
- 串联电池包中的电芯匹配不良；
- 自放电过大；
- 在极低荷电状态下长期存储；
- 连接电子设备产生的寄生电流；
- 意外的外部负载；
- 线束损坏或装配错误；
- 充电器以不正确方式尝试恢复深度放电的电芯。
因此，安全评估需要从完整系统角度出发，而不能因为存在 BMS 就假定异常放电不可能发生。
锂电池过放测试标准
所需标准取决于产品、电芯配置、市场和预期应用。下面列出三项经常遇到的参考标准。
| 标准 / 框架 | 典型适用范围 | 重要说明 |
|---|---|---|
| IEC 62133-2 | 便携式密封二次锂电芯和电池的安全要求。 | 包括对合理可预见误用情况的安全测试，其中涉及单体电芯强制放电。应确认目标认证市场所适用的具体版本。 |
| 《联合国试验和标准手册》第 38.3 节 | 锂电芯和锂电池的运输测试。 | T.8 是强制放电测试，适用于电芯。T.7 涉及可充电电池的过充。不能简单地把 UN 38.3 描述成包含一个通用的电池包级“过放测试”。 |
| UL 1642 / 相关 UL 电池标准 | 在相应 UL 标准适用范围内对锂电芯和锂电池进行安全评估。 | 具体适用的电气滥用测试取决于电池结构、目标产品以及认证路径。 |
IEC 目前将IEC 62133-2:2017 + AMD1:2021列为涵盖便携式密封二次锂电芯和电池安全要求与测试的合并版本。
在运输方面，联合国在《试验和标准手册》第 38.3 节中发布锂电芯和电池的测试要求。工程师在开始合规测试计划之前，应始终确认最新适用版本及其修订内容。
重要： 在电池实验室内部完成的开发测试，并不自动等同于认证测试。正式认证必须按照相关标准和认证机构规定的样品准备、设备、程序、文件以及判定标准进行。
过放测试与过充测试
由于名称相似，这两类测试有时会被混淆，但它们研究的是完全不同的滥用机理。
| 项目 | 过放测试 | 过充测试 |
|---|---|---|
| 方向 | 超过预定放电边界后仍继续从电池中取出能量。 | 超过预定充电边界后仍继续充电。 |
| 主要关注点 | 电芯反极、电极退化、铜溶解和保护失效。 | 过度电化学充电、发热以及相关安全反应。 |
| 涉及的保护 | 欠压 / 放电保护。 | 过压 / 充电保护。 |
| 典型系统触发原因 | 弱电芯、负载过大、长期存储、BMS 故障或持续串联电流。 | 充电器故障、BMS 故障、电压控制错误或异常充电条件。 |
| 是同一种测试吗？ | 不是。 它们需要不同的测试设置，并评估不同的失效机理。 | |
锂电池过放测试中的常见错误
只看电池包总电压
在多电芯电池中，总电压看起来可能仍然正常，但某一节弱电芯已经明显低于其他电芯。在工程验证过程中，逐电芯记录通常非常重要。
认为零伏就等于零风险
仅凭端电压无法反映内部已经发生的全部情况。即使电芯温度正常、外观完好，也可能已经发生严重的电化学损伤。
立即给严重过放的电芯充电
如果没有适当程序，尝试恢复状态不明或已经损坏的锂离子电芯可能引入额外风险。因此，商用充电器和电池系统通常会采用严格受控的低电压检测与恢复逻辑。
对所有化学体系使用同一个截止电压
通用截止电压不能替代实际电芯规格。化学体系、电极设计和电芯制造商要求都非常重要。
测试时不记录温度
仅有电压和电流数据无法完整反映情况。温度可能揭示电气测量暂时无法显示的异常内部反应。
混淆产品验证与认证
内部工程测试对产品开发可能非常有价值，但认证必须遵循适用标准规定的精确程序和判定标准。
优秀的过放保护设计应具备什么特点？
从产品开发角度看，目标并不只是让电池通过实验室滥用测试。可靠的电池系统应首先避免正常使用条件发展到这种异常状态。
实用设计通常会结合多层措施：
- 选择合适的电芯 以满足预期负载和环境条件。
- 准确监测电芯电压，尤其适用于串联电池包。
- 独立的过放保护 在安全架构要求时提供额外保护。
- 合理选择放电 MOSFET 规格 并进行故障处理。
- 电芯均衡 用于控制电芯之间的偏差。
- 较低的待机功耗 适用于可能长时间闲置的产品。
- 存储说明 防止电池在接近没电的状态下放置过长时间。
- 受控的低电压恢复逻辑 在适当情况下使用。
- 在真实故障条件下进行验证，而不只是验证理想的实验室运行状态。
常见问题
什么是锂电池过放测试？
它是一种电气安全或工程测试，用于评估当放电超过正常工作下限后，锂电芯或电池会如何表现。根据具体标准和配置，测试还可能评估串联连接中已经耗尽的电芯被迫继续承载电流的情况。
锂电池过放后还能恢复吗？
轻微过放的电芯有时在电气上看似能够恢复，但电压恢复并不能证明原始容量、阻抗或内部安全状态已经恢复。损伤程度取决于电芯化学体系、过放深度、持续时间、温度和电流。
过放的锂电池可以安全地重新充电吗？
不能自动认为安全。电池一旦低于制造商允许的电压，应按照制造商规定的恢复或报废程序处理。严重过放、鼓胀、损坏或存在其他异常的电芯不应随意重新充电。
锂电池中的强制放电是什么？
强制放电是指电流继续流过已经耗尽的电芯，通常是因为串联回路中的其他电芯仍在向负载供电。在严重情况下，已经耗尽的电芯可能被推入电压反转状态。
UN 38.3 是否包含过放测试？
UN 38.3 包含针对电芯的T.8 强制放电测试。这是与日常所说“过放测试”最接近的标准化运输测试。讨论联合国运输合规时，应使用其正式测试名称。
IEC 62133-2 是否涵盖强制放电？
IEC 62133-2 涉及便携式密封二次锂电芯和电池在预期使用及合理可预见误用条件下的安全运行，并在其安全测试体系中包括与强制放电相关的电芯测试。
过放测试过程中应该监测什么？
至少，工程师通常会监测电芯电压、电池包电压、电流、温度、测试持续时间以及电池的可见状态表现。根据测试目标，还可以评估测试后阻抗、容量、鼓胀以及恢复特性。
总结
锂电池过放测试回答了一个重要的工程问题：当正常放电控制失效时会发生什么？
对于单体电芯，重点是过度放电是否会造成不可逆的电化学损伤。对于多电芯电池包，电芯不一致和强制放电会进一步增加复杂性。在系统层面，工程师还必须验证 BMS 是否能够足够早地识别问题，并按预期断开负载。
因此，最可靠的电池设计会把过放保护视为一个系统问题，其中涉及电芯化学体系、电气保护、BMS 逻辑、电芯均衡、待机功耗、存储条件以及产品级验证。
测试的价值并不是因为预计电池会长期在滥用状态下运行，而是因为理解电池超出正常工作窗口后的行为，可以帮助工程师在真实产品中避免这种情况发生。
技术参考资料
- IEC 62133-2:2017 + AMD1:2021 — 含碱性或其他非酸性电解质的二次电芯和电池 — 便携式密封二次电芯以及由其制成、用于便携式应用的电池的安全要求 — 第 2 部分：锂体系。
- 《联合国试验和标准手册》第 38.3 节 — 锂金属和锂离子电芯及电池的运输测试要求，包括适用情况下的 T.7 过充和 T.8 强制放电。
- UL 1642 — 锂电池，UL Standards & Engagement。
- Wang K. 等，过放对锂离子电池性能和安全性的影响：诊断与缓解策略。 Energy Storage Materials，2025。
免责声明：本文仅用于技术教育和一般工程参考，不能替代 IEC、UL、UN 或其他适用标准的最新官方文本。测试条件、判定标准和认证要求应始终以官方标准以及相关认证机构的要求为准进行确认。