面向人群：产品研发工程师、合规认证工程师
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标准版本：UL 2595 First Edition (2013) Section 11.7；IEC 60335-1:2020 Ed.6.0 Clause 19.17
关键词：非正常充电、锂电池、元器件故障、电芯不平衡、反馈短路
1. 问题背景
锂电池在充电过程中可能面临多种异常情况：充电电路元器件失效导致过充、电芯间不平衡加剧、电池反向向充电器灌入电流等。两套主流标准——UL 2595（北美市场）和 IEC 60335-1:2020（国际/欧洲/中国市场）——都针对这些风险设置了非正常充电测试，但测试思路、覆盖范围和判定方式存在显著差异。
对于需要同时进入北美和全球市场的电池供电产品，理解这些差异是避免重复测试、缩短认证周期的关键。
2. 标准定位与适用范围
在深入测试细节之前，需要先理解两套标准的定位差异：
| 维度 | UL 2595 | IEC 60335-1:2020 |
|---|---|---|
| 标准性质 | 电池供电器具专用标准 | 家用电器通用安全标准 |
| 适用电压 | 器具和电池组 ≤ 75 V dc | 单相 ≤ 250 V，其他 ≤ 480 V（含 dc） |
| 电池类型 | 锂离子电池为主，兼顾其他化学体系 | 金属离子（metal-ion）电池 |
| 非正常充电条款 | Section 11.7（专用章节） | Clause 19.17（电池器具异常操作的一部分） |
| 与终端产品标准关系 | 需配合终端产品标准使用 | 本身即为通用安全标准，配合 Part 2 使用 |
注意：IEC 60335-1:2020 使用"metal-ion"（金属离子）而非"lithium-ion"（锂离子），涵盖范围更广，包括所有金属离子化学体系的电池。
3. 测试条件逐项对比
3.1 总览对比表
| 对比项 | UL 2595 Section 11.7 | IEC 60335-1 Clause 19.17 |
|---|---|---|
| 测试对象 | 电池系统（电池 + 充电系统 + 关联组件） | 电池系统（电池 + 充电系统） |
| 测试布置 | 软木板 + 两层宣纸 + 一层纱布/粗棉布 | 未明确规定指示材料 |
| 测试时长 | ≥ 7h 或 2 倍正常充电时间（取较长者） | ≥ 7h 或 2 倍正常充电时间（取较长者） |
| 元器件级故障 | 要求（11.7.2a + 11.7.5） | 不要求 |
| 电芯不平衡 | 要求（11.7.2a） | 要求（19.17a） |
| 电芯短路后充电 | 要求（11.7.2c） | 要求（19.17c） |
| 反馈短路 | 要求（11.7.2d） | 要求（19.17d） |
| 均衡电路单故障 | 要求（11.7.2b） | 要求（19.17b） |
| 电压超限判定 | 超过 ULCV + 150 mV 需永久禁用充电器 | 超过 ULCV + 150 mV 需永久禁用充电器 |
| 火灾判定 | 宣纸/纱布无碳化或燃烧 | 无爆炸或电池点燃 |
| 排气要求 | 允许排气（隐含通过 Section 16.2） | 允许排气，但不得通过排气口以外的方式排气 |
3.2 测试布置差异
这是两套标准最直观的区别之一。
UL 2595 明确要求（Section 11.7.2）：
"A sample containing the battery and the associated assemblies of the charging system are placed on a soft wood surface covered by two layers of tissue paper; the sample is covered by one layer of untreated 100% cotton medical gauze or cheesecloth."
即：样品放置在覆盖两层宣纸的软木板上，上方覆盖一层未处理的 100% 纯棉医用纱布或粗棉布。
IEC 60335-1 的 Section 19.17 没有规定类似的指示材料布置。火灾风险的评估通过 19.13 的通用准则完成——不发射火焰、熔融金属或有毒/可燃气体。
实际影响：UL 2595 的宣纸/纱布法是一种间接但灵敏的火灾风险评估——即使样品本身没有明火，如果表面温度足够高导致纱布碳化（变黑），也判定不合格。IEC 方法则更关注结果导向——是否有爆炸或电池点燃。
3.3 测试场景对比
两套标准都定义了四类非正常充电场景，但侧重点不同：
场景 A：不平衡充电 + 元器件故障（最大差异点）
这是两套标准差异最大的地方。
UL 2595 的 11.7.2(a) 要求在施加不平衡充电条件的同时，逐一模拟充电系统中的元器件故障（按 11.7.5 列出的故障类型）：
| 故障编号 | 故障类型 |
|---|---|
| (a) | 任何元器件端子开路 |
| (b) | 电容短路（认证 EMI 电容除外） |
| (c) | 电子元器件任意两端子短路（光耦两侧之间除外） |
| (d) | TRIAC 二极管模式失效 |
| (e) | 单片集成电路或其他无法通过 (a)-(d) 评估的电路失效 |
这意味着，如果一个充电器有 50 个元器件，理论上需要针对每个元器件分别施加故障，再叠加不平衡充电条件进行测试。
IEC 60335-1 的 19.17(a) 仅要求在不平衡条件下充电，不要求逐一模拟元器件故障。
实务影响：UL 2595 的测试工作量可能是 IEC 的数倍甚至数十倍，具体取决于充电系统的元器件数量。但也正因如此，UL 2595 对充电系统单点失效的覆盖更加全面。
场景 B：均衡电路单故障
两套标准在此场景上高度一致：如果正常充电测试（UL Section 10 / IEC Clause 12）中采用了低于 50% 的不平衡度，且该降低依赖于均衡电路的功能，那么需要证明均衡电路中任何单一元器件故障不会导致均衡功能丧失。如果会丧失，则需在 ~50% 不平衡度下重新测试。
场景 C：电芯短路后充电
两套标准的测试条件基本一致：串联电池组中一节电芯被短路，其余电芯约 50% 电量，然后进行充电。目的是验证短路电芯周围的高电流是否会导致热失控。
细微差异：UL 2595 描述为"all cells are at approximately 50% charge except for one which is shorted. The battery is then charged"；IEC 60335-1 描述为"all cells are at approximately 50% of being fully charged, except for one which is shorted. The battery is then fully charged"。IEC 明确要求"充满"（fully charged），UL 仅说"充电"（charged）。
场景 D：反馈短路
两套标准在此场景上高度一致：满电电池连接充电器，在充电器内部引入短路（电阻 ≤ 10 mΩ），评估电池反向放电（反馈）的安全性。对于带线缆连接的充电器，短路点应选在最能产生不利效果的位置。
4. 判定标准对比
4.1 火灾/爆炸判定
| 判定项 | UL 2595 | IEC 60335-1 |
|---|---|---|
| 爆炸 | 不允许 | 不允许 |
| 电池点燃 | 未单独列出（通过纱布/宣纸判定间接覆盖） | 明确不允许 |
| 宣纸/纱布碳化 | 不允许（碳化 = 燃烧导致的变黑） | 不适用（无指示材料） |
| 烟熏变色 | 可接受 | — |
| 短路手段导致的碳化 | 不视为失败 | — |
| 排气 | 允许 | 允许，但仅能通过排气口排出 |
4.2 电压超限判定
两套标准在电压超限判定上完全一致：
- 任何电芯电压不得超过 Upper Limit Charging Voltage（ULCV）+ 150 mV
- 如果超过，充电器必须永久禁用，无法再为该电池充电
验证充电器是否被永久禁用的方法也一致：
- 将电池放电至约 50%（使用被测器具或新的同型号器具）
- 尝试正常充电
- 10 分钟内或充入 25% 额定容量后（取先到者），充电电流应为零
5. 深入分析：元器件故障测试的影响
5.1 为什么 UL 2595 要求元器件故障测试？
UL 2595 的制定背景是北美市场大量出现的锂电池充电安全事故。许多事故的根因是充电系统中某个廉价元器件（如 MOSFET、电容、IC）的单一失效导致充电电压或电流失控。因此 UL 2595 采取了穷举式的元器件故障模拟策略，确保任何单一元器件失效都不会导致危险。
5.2 IEC 60335-1 为什么不要求？
IEC 60335-1 的思路是通过系统级异常场景（不平衡、电芯短路、反馈）来验证充电系统的整体鲁棒性。这些场景本身就隐含了对元器件容错能力的考验——例如，电芯短路后充电时，充电控制电路需要正确检测到异常并停止充电。
此外，IEC 60335-1 的 19.11 已经对电子电路进行了单独的故障评估（元器件逐一故障），但这部分测试是在正常操作条件下进行的，不涉及充电异常场景的叠加。
5.3 对产品设计的影响
| 设计考量 | UL 2595 路径 | IEC 60335-1 路径 |
|---|---|---|
| 充电 IC 选型 | 需验证 IC 失效后系统仍安全 | 关注 IC 在极端场景下的表现 |
| 冗余设计 | 可能需要双重保护（如独立过压保护 IC） | 单一保护 + 系统级验证可能足够 |
| 测试成本 | 高（元器件数量 × 4 类场景） | 中（4 类场景，无需元器件遍历） |
| 设计裕量 | 更大（每个单点失效都需安全） | 适中（系统级安全即可） |
6. 其他相关测试的差异
除了非正常充电测试本身，两套标准在电池相关的其他异常测试方面也有不同：
| 测试项目 | UL 2595 | IEC 60335-1 |
|---|---|---|
| 电池放电短路（极端不平衡） | Section 11.8 | B.19.4 |
| 电机端子短路 | Section 11.1.6(b) | B.19.3 |
| 线缆短路 | Section 11.1.6(d)(e) | B.19.5 |
| 电池端子短路（可拆卸/可分离） | Section 11.1.6(a) | B.19.6 |
| 极性反接 | Section 12.1 | B.19.1, B.19.2 |
| 电池外壳压力测试 | Section 14 | B.20.1, B.20.2 |
| 机械强度（跌落/冲击） | Section 15 | 21.1, B.21.1 |
注意：IEC 60335-1 B.19.4 的电池放电短路测试条件与 UL 2595 Section 11.8 有所不同。IEC 要求"所有电芯充满 + 一节完全放电"的极端不平衡状态，而 UL 2595 也采用类似条件（fully charged + one cell fully discharged）。两者在此项上基本一致。
7. 常见误区
误区一："IEC 60335-1 没有非正常充电测试"
不正确。IEC 60335-1:2020 在 Clause 19.17 中明确规定了金属离子电池的非正常充电测试，这是第 6 版新增的重要内容。之前的版本确实缺少这部分要求，但 2020 版已经补齐。
误区二："通过 UL 2595 就自动满足 IEC 60335-1"
不正确。虽然两套标准的非正常充电测试有很多相似之处，但：
- UL 2595 的宣纸/纱布判定方式是独有的，IEC 不使用这种方法
- IEC 60335-1 对排气的要求更具体（必须仅通过排气口排出）
- IEC 60335-1 的异常操作还包含 B.19.4-B.19.6 等额外测试
- 两者的适用范围和配合标准不同
误区三："IEC 不要求元器件故障测试，所以更宽松"
不完全正确。IEC 60335-1 的 19.11 对电子电路有单独的故障评估要求，只是不在充电异常场景中叠加。此外，IEC 通过系统级场景测试来验证整体安全性，这是一种不同的安全哲学，不意味着更宽松。
误区四："非正常充电测试的时长可以缩短"
不正确。两套标准都要求测试持续到以下三个条件中最晚满足的一个：
- 样品回到室温
- 至少 7 小时
- 2 倍正常充电时间
不能因为样品在 2 小时内回到室温就结束测试——必须满足至少 7 小时的下限。
8. 双认证产品的测试策略
对于需要同时满足 UL 2595 和 IEC 60335-1 的产品，建议采取以下策略：
8.1 测试顺序
- 先做 UL 2595 Section 11.7（包含元器件故障遍历，测试量最大）
- 利用 UL 测试数据覆盖 IEC 60335-1 Clause 19.17 的对应场景
- 补充 IEC 独有项目：B.19.4（放电短路）、B.19.5（线缆/端子短路）、B.19.6（可拆卸电池端子短路）
8.2 样品准备
| 测试阶段 | 建议样品数量 | 说明 |
|---|---|---|
| UL 11.7.2(a) 不平衡 + 元器件故障 | 视元器件数量而定 | 每个故障条件可用新样品 |
| UL 11.7.2(b) 均衡电路故障 | 2-3 套 | |
| UL 11.7.2(c) 电芯短路后充电 | 2-3 套 | |
| UL 11.7.2(d) 反馈短路 | 2-3 套 | |
| IEC B.19.4 放电短路 | 2-3 套 | |
| IEC B.19.5-B.19.6 端子/线缆短路 | 2-3 套 |
8.3 设计建议清单
- 确认充电系统中所有元器件清单（BOM），评估 UL 11.7.2(a) 的故障遍历工作量
- 充电控制 IC 失效模式下，确认系统是否能安全停止充电
- 设计独立的硬件过压/过流保护电路（不依赖主控 IC），同时满足两套标准要求
- 确保电池外壳排气设计满足 UL Section 14 和 IEC B.20.1/B.20.2 中较严格者
- 准备多通道数据采集系统（电压、温度、电流全程记录）
- 电压测量链路包含 5 kHz 低通滤波器（两套标准要求一致）
- 准备充足的测试样品（元器件故障遍历可能需要大量样品）
- 确认电芯规格书中的 ULCV、Ic 和充电温度范围
- 评估是否可以通过减少元器件数量（集成化设计）来降低 UL 测试工作量
9. 总结
UL 2595 和 IEC 60335-1:2020 在非正常充电测试上的核心差异可以归纳为三点：
- 测试哲学不同：UL 2595 采用"元器件级穷举故障 + 系统级异常场景"的双重覆盖策略；IEC 60335-1 仅采用系统级异常场景验证
- 判定方式不同：UL 2595 使用宣纸/纱布碳化作为火灾风险的间接指标；IEC 60335-1 直接评估爆炸和电池点燃
- 工作量差异显著：UL 2595 的元器件故障遍历使测试工作量可能是 IEC 的数倍
对于双认证产品，先完成 UL 2595 测试，再用其数据覆盖 IEC 对应项目是最高效的路径。产品设计阶段就应充分考虑元器件级单点失效的安全性——这不仅是为了通过认证，更是为了用户的实际安全。