从弹匣电池通过针刺试验,看动力电池安全标准要求的变化

文章来源:电动汽车百人会 发布时间:2021-03-19
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3月10日,广汽埃安发布了动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术(以下简称“弹匣电池”)。

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图 | 源自网络


电池安全问题关乎着新能源汽车的发展,也是影响消费者是否考虑购买电动汽车的关键因素。尤其对于三元锂电池而言,因为所使用材料的特性,安全问题更受到关注。3月10日,广汽埃安发布了动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术(以下简称“弹匣电池”)。据介绍,弹匣电池已经通过了电池整包针刺试验,是行业内首个通过针刺试验的三元锂电池整包。这则消息也让新能源汽车与动力电池的安全问题再度引起行业内的广泛讨论。

为什么广汽埃安要做三元锂电池整包针刺试验?


2020年比亚迪与宁德时代两家企业关于动力电池单体针刺试验探讨行业还记忆犹新。电芯是否能通过针刺试验、如何通过针刺试验一时之间成为对动力电池判断的标准之一。但实际情况是,2017年1月17日发布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》中,针刺试验被列为暂不执行项目。因而,是否要进行针刺试验,是各家厂商的自愿行为。


但这一情况在去年发生了变化。2020年5月,工信部官方发布了三项针对电动汽车的强制性国家标准,针刺热扩散试验就被写在其中之一的GB30381-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》之中。只不过与之前标准不同,GB30381中热扩散试验是针对电池整包,也给出了两种试验方式:针刺或者外部加热。


广汽埃安的这次针刺试验是由中国汽车技术研究中心首席专家、国家电池安全标准起草人之一的刘仕强博士带队进行。根据中汽中心出具的试验结果显示,弹匣电池在针刺试验1分钟后出现冒烟,未发生热蔓延,未出现起火和爆炸;针刺位置电芯上方外壳漆皮受热脱落但外观整体性保持完整;电池内部仅有被刺单体电芯出现损坏,内部结构完好;静置48小时后,电压降至0V,温度恢复至室温。


根据GB30381的要求,以针刺试验的方法进行热稳定性试验时,电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散进而导致乘员舱发生危险之前5分钟,应提供一个热事件报警信号。换言之,这5分钟是安全时间,这5分钟内不应该发生起火、爆炸等事件。显然,弹匣电池通过了这项安全验证。


GB30381为强制性执行标准,自2021年1月1日开始实施,也就是说,自今年开始,所有动力电池都需要根据标准要求进行热稳定性试验,以针刺、加热或其他方式使电池产生热失控,并保证在这个热失控状态下,能够有给客舱内乘员至少5分钟的安全时间,或者能够证明在两种方式下,电池均不会产生热失控和热扩散。


从针刺试验看动力电池安全标准变化


在GB30381发布之前,GB/T 31485-2015和GB/T 31467.3-2015两项标准中分别规定了针对动力电池和锂离子电动包与系统的安全性要求和测试方法。虽然这两项标准并非强制执行内容,但是要进入《汽车动力蓄电池行业规范条件企业目录》(以下简称“企业目录”),就必须符合相应的安全标准要求,而采用企业目录中动力电池产品是进入《新能源汽车推广应用车型推荐目录》,获得补贴的先决条件。


GB30381取代了这两份动力电池安全标准,其实施的同时前两项标准同时废止,而在30381中,对于电池的安全要求和试验方法,都有变化,整体来说可以归纳为三个方面。



01. 动力电池安全要求制定更加聚焦在车端使用环节,安全试验务必模拟真实车载状态


与之前的标准相比,GB30381更加聚焦动力电池在车端使用环节时的安全问题,原本标准中单体电池跌落、低气压试验以及电池包或系统的跌落试验其实针对的是动力电池的生产、运输、维护和回收过程,而电池单体的浸水安全试验也更多是从单体耐腐蚀可靠性而非在高电压下的安全性进行考察,所以均被取消。


GB30381中取消了原本31485中所有关于电池模组的安全性试验内容。根据标准制订工作组的说明,一方面,工作组认为原本标准试验中采用的模组形式与实际产品中的模组形式相差较大,测试结果与产品的实际安全状况关联性不足;另一方面,随着动力电池技术的发展,模组已经并非是电池包中必须存在的一种形式。


另外,同样因为原本31467.3中的关于电池包或系统翻转系统的内容无法准确模拟真实车载状态下的情况,这一试验也被取消。



02. 根据动力电池技术的发展,或在车端使用的实际情况,对部分试验的要求进行了优化


以过充试验为例,随着动力电池技术的发展,BMS与系统设计技术的成熟,防止电池单体过充的发生变得简单。因而在安全标准制订时,针对过充试验开始强化系统层面的过充保护而弱化了单体层面的要求。针对电池单体的过充试验,也主要是考察单体的过充能否与系统的过充保护要求相协调。


再比如,针对电池包和系统的振动试验,标准制订工作组对以往的测试结果进行统计分析发现整体试验通过率仅为50%,其中电动乘用车的通过率还不足50%,并结合实际车载状态分析此前的试验方法过于严苛而进行了修改;但对于浸水安全试验,考虑到电池包的密封性对此有重要影响,而车辆振动带来的螺栓松动、材料变形等问题会使密封性降低,因而新标准认为有必要在振动试验通过后再进行浸水安全试验才能模拟真实状态。



03. 根据实际情况新增或取消了安全要求


针对电池单体的针刺试验在30381中被取消。一方面是考虑到在《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》中并未实际执行这一试验,另一方面,在电池单体发生热失控时,会进而发生热扩散,热量会通过不同方式传递到相邻的电池单体引起连锁反应,而热扩散时可能会发生起火或者爆炸影响到车内乘员安全。


因而从实际安全角度考虑,需要考核的是动力电池在电池包或者系统层面是否具有热稳定性,在单体电池发生热失控时能否能够有效阻止热蔓延和热扩散。基于此,标准中新增了针对电池包或系统的热稳定性试验。而标准中提到的针刺、加热也仅仅是作为推荐的电池单体热失控触发方法,企业可以根据产品特点自行采用其他触发热失控的方式,证明其能够在热失控发生后5分钟内保证安全,或者在针刺、加热两种方式之下,均不会发生热失控,从源头上保证安全。


综上所述,可以发现,安全问题是系统工程,从系统层面考核与保障动力电池的安全能力已经成为行业的共识:不仅仅是从单体电芯的材料选取、设计改善来提升安全性能,而是从系统层面通过结构设计、隔热与冷却系统的设置、电池全生命周期的状态监控与充电策略管理优化等等来防止安全事故的发生。随着30381强制标准的正式实施,未来动力电池与新能源汽车的安全将进一步得到保障。


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