冀然 李宏偉
摘 要:動力電池的安全性是新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。我國動力電池安全標(biāo)準(zhǔn)體系歷經(jīng)十余年發(fā)展,測試項目更加豐富,更加貼合實際工況。伴隨技術(shù)進(jìn)步和實踐經(jīng)驗不斷豐富,動力電池的系統(tǒng)安全成為產(chǎn)業(yè)共識,我國也于2020年最新發(fā)布并實施了首個涵蓋動力電池單體、模塊及系統(tǒng)安全要求和試驗方法的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)——GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》。展望未來,全生命周期安全性要求和測試結(jié)果判定依據(jù)的量化有望成為動力電池安全標(biāo)準(zhǔn)下一步的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:動力電池 發(fā)展歷程
1 引言
動力電池作為新能源汽車的動力源,其安全問題不可忽視。鋰離子電池的構(gòu)成和反應(yīng)原理決定了其在使用中具有一定危險性:電解液主要使用有機(jī)溶劑,多具有易燃易爆性,若在外力碰撞等情況下造成泄露,極易引發(fā)起火、爆炸等危險,危害人身安全;在循環(huán)過程中,鋰離子極易在電極表面沉積形成“枝晶”,“枝晶”若不斷生長將有可能刺穿隔膜造成局部短路,引發(fā)熱失控等嚴(yán)重后果。
動力電池的安全性是新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。我國在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期就發(fā)布了涉及動力電池安全要求的標(biāo)準(zhǔn),隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步,我國動力電池安全標(biāo)準(zhǔn)體系不斷豐富和完善,更加貼近實際使用情況和整車需求。
2 我國動力電池安全標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷程
2.1 第一階段(2006-2014)
“十五”期間,863計劃電動汽車重大專項專家組提出并確立“三縱三橫”技術(shù)路線,構(gòu)建起我國節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略格局。產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐,2006年,QC/T 743-2006《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》發(fā)布并實施,對鋰離子動力電池的分類、要求、試驗方法等作出說明。
QC/T 743-2006的試驗對象包括單體蓄電池和蓄電池模塊,對每種試驗對象的基本情況、電性能和安全性相關(guān)要求和試驗方法做出說明。標(biāo)準(zhǔn)中安全性測試項目包括電安全(過充電、過放電、短路、針刺)、機(jī)械安全(跌落、擠壓)、環(huán)境安全(加熱)等,其中除跌落試驗僅針對單體蓄電池外,其他項目單體、模塊均需測試。
QC/T 743-2006是全球范圍內(nèi)較早發(fā)布的涉及動力電池安全要求的標(biāo)準(zhǔn),在我國新能源汽車新能源汽車產(chǎn)業(yè)的培育期具有重要意義。但由于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時我國新能源汽車還未實現(xiàn)大規(guī)模推廣,產(chǎn)業(yè)實踐經(jīng)驗相對缺乏,因而需要做進(jìn)一步完善。
2.2 第二階段(2015-2019)
2009年,科技部、財政部、發(fā)改委、工信部共同啟動“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”,我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入示范推廣期。2015年,我國新能源汽車產(chǎn)銷量達(dá)到全球首位,截至2015年底,保有量接近60萬輛,我國新能源汽車進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化時期。2015年,GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》、GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分:安全性要求與測試方法》同時發(fā)布并實施,并在2018年因被CQC-C1101-2018《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證實施細(xì)則汽車》引用而成為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)(電池模塊的擠壓試驗、電池單體/模塊的針刺試驗暫不執(zhí)行)。這兩項標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實施,共同構(gòu)建起涵蓋單體、模塊和系統(tǒng)的動力電池安全標(biāo)準(zhǔn)體系,也是首批專門針對動力電池安全性要求而制定的國家標(biāo)準(zhǔn)。
GB/T 31485-2015對動力電池單體和模塊的安全要求、試驗方法和檢驗規(guī)則做了規(guī)定和說明。對單體和模塊的測試項目范圍相同,包括電安全項目(過充電、過放電、短路、針刺)、機(jī)械安全項目(跌落、擠壓)、環(huán)境安全項目(海水浸泡、溫度循環(huán)、低氣壓、加熱)等。相比QC/T 743-2006,GB/T 31485-2015主要變化點在于:(1)為模擬動力電池復(fù)雜多變的實際使用環(huán)境,新增了多個環(huán)境安全測試項目;(2)充電從1/3C變?yōu)?C,更加嚴(yán)格;(3)多數(shù)項目測試試驗結(jié)束后需觀察1小時后判定有無異常,要求更加嚴(yán)格的同時加強(qiáng)了對測試人員安全的保護(hù)。
GB/T 31467.3-2015是首個針對動力電池系統(tǒng)安全的國家標(biāo)準(zhǔn)。測試項目包括電安全(過充電、過放電、過溫、短路)、機(jī)械安全(跌落、擠壓、振動、機(jī)械沖擊、翻轉(zhuǎn)、模擬碰撞)、環(huán)境安全(海水浸泡、溫度沖擊、濕熱循環(huán)、外部火燒、鹽霧、高海拔)等,相比GB/T 31485-2015,測試項目總體更加豐富,對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行更多維度、更嚴(yán)格的測試也更加符合實際使用情況。
2.3 第三階段(2020至今)
2016年,全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會上報《電動汽車用動力蓄電池安全要求》計劃。2020年,GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》發(fā)布,該標(biāo)準(zhǔn)于2021年1月1日起正式實施,是首個涵蓋動力電池單體、模塊及系統(tǒng)安全要求和試驗方法的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。
GB 38031-2020以GB/T 31485和GB/T 31467.3為基礎(chǔ),與我國牽頭制定的聯(lián)合國電動汽車安全全球法規(guī)(UN GTR 20)全面接軌,綜合總結(jié)我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新成果和實踐經(jīng)驗,并充分協(xié)調(diào)了相關(guān)領(lǐng)域多項國際標(biāo)準(zhǔn)。GB 38031-2020測試對象包括動力電池單體、模塊和系統(tǒng)(其中模塊非必測項),單體測試項目包括電安全(過充電、過放電、短路)、機(jī)械安全(擠壓)、環(huán)境安全(溫度循環(huán)、加熱)等,系統(tǒng)測試項目包括電安全(過充電、過放電、過流、過溫、短路)、機(jī)械安全(擠壓、振動、機(jī)械沖擊、模擬碰撞)、環(huán)境安全(溫度沖擊、濕熱循環(huán)、鹽霧、高海拔、浸水、熱擴(kuò)散)。相比前版標(biāo)準(zhǔn),GB 38031-2020更加強(qiáng)化動力電池系統(tǒng)安全要求,這也更符合產(chǎn)業(yè)對動力電池系統(tǒng)安全需求的共識:(1)為適應(yīng)產(chǎn)品發(fā)展需求,動力電池領(lǐng)域CTP/CTC等新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,原有動力電池三級結(jié)構(gòu)(單體-模組-系統(tǒng))在實際應(yīng)用中趨于簡化,因此模塊安全要求不再作為必檢項目,且對于由車體包覆并構(gòu)成電池包箱體的電池包或系統(tǒng),可帶箱體或車體測試,測試對象及方法都更加靈活、貼合實際,為新技術(shù)的合規(guī)、健康發(fā)展奠定了基礎(chǔ);(2)GB 38031聚焦動力電池使用過程的安全性問題,因而在測試項目的設(shè)置上,去掉了動力電池生產(chǎn)、運(yùn)輸、維護(hù)、回收等其他環(huán)節(jié)的安全測試項目(如跌落、低氣壓等),新增了過流、溫度沖擊等更加貼合實際使用中易失效情景的測試項目;(3)針對近年來頻繁發(fā)生的引發(fā)動力電池起火,危及乘員人身安全的熱失控問題,GB 38031-2020加入了動力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散測試,將近年來頗具爭議的針刺測試調(diào)整為引發(fā)熱擴(kuò)散的方式之一,要求動力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險前5min應(yīng)提供報警信號,以更全面、有效地評估動力電池系統(tǒng)安全。
3 動力電池安全標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展展望
3.1 生命周期安全性要求
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,動力電池產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步加速,能量密度、循環(huán)性等性能都得到顯著提升,動力電池生命周期逐漸延長。目前我國動力電池安全標(biāo)準(zhǔn)要求及相關(guān)測試規(guī)程主要針對新鮮動力電池,但已有研究表明,鋰離子電池SEI膜分解溫度隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低,動力電池?zé)岱€(wěn)定性逐漸下降[1]。因此,從全生命周期來看,中后期或?qū)⑹莿恿﹄姵責(zé)崾Э胤磻?yīng)的“高發(fā)期”,需要特別加以預(yù)防和控制。為更好地提升動力電池產(chǎn)品的安全性,有必要面向全生命周期的動力電池產(chǎn)品制定科學(xué)合理可行的安全標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 量化測試結(jié)果判定依據(jù)
GB 38031-2020中,電池測試后狀態(tài)僅做出泄露(有可見物質(zhì)從電池單體、模塊電池包或系統(tǒng)中漏出至試驗對象外部的現(xiàn)象)、外殼破裂(由于內(nèi)部或外部因素引起電池單體、模塊、電池包或系統(tǒng)外殼的機(jī)械損傷,導(dǎo)致內(nèi)部物質(zhì)暴露或溢出)、起火(電池單體、模塊、電池包或系統(tǒng)任何部位發(fā)生持續(xù)燃燒(單次火焰持續(xù)時間大于1s)?;鸹袄〔粚儆谌紵?、爆炸(突然釋放足量的能量產(chǎn)生壓力波或者噴射物,可能會對周邊區(qū)域造成結(jié)構(gòu)或物理上的破壞)等定義,以上定義和描述較為寬泛,多為依靠肉眼觀察的主觀判斷,缺乏可量化的判定依據(jù)。相比之下,國外標(biāo)準(zhǔn)對測試結(jié)果等級評定描述更加細(xì)致,引入更多參數(shù)使結(jié)果判定更加嚴(yán)謹(jǐn)。如IEC 62660對測試結(jié)果分為8個等級,對每個等級的測試后現(xiàn)象進(jìn)行了更為細(xì)化的描述;UL 1642和UN 38.3中對外部短路試驗的要求中引入了電池殼體溫度這一指標(biāo)[2],可有效量化比較測試結(jié)果。
參考文獻(xiàn):
[1]王芳,林春景,劉磊,劉仕強(qiáng).動力電池安全性的測試與評價[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2018,7(06):967-971.
[2]汪偉偉,姚丹,彭文.鋰離子動力電池國內(nèi)外安全檢測標(biāo)準(zhǔn)研究[J].金屬功能材料,2020,27(06):34-39.