王佳琪,陳立鐸,尚慶波
(1.愛馳汽車(上海)有限公司,上海200082;2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津300300;3.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津300300;4.TüV 南德意志大中華集團(tuán),上海200070)
在一系列國家政策支持下,國內(nèi)電動(dòng)汽車保有量日益增長。電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的汽車“新四化”發(fā)展趨勢在影響人們?nèi)粘3鲂泻蛙囕v使用的同時(shí),正加速對(duì)傳統(tǒng)汽車行業(yè)產(chǎn)生沖擊。隨著消費(fèi)者和業(yè)界對(duì)續(xù)駛里程的要求不斷提高,動(dòng)力電池能量密度持續(xù)攀升,高鎳材料的使用使得電池?zé)岱€(wěn)定性降低,在外界環(huán)境影響下發(fā)熱、失控、起火等安全問題日漸突出[1-3]。電動(dòng)汽車成為了汽車行業(yè)發(fā)展趨勢,不僅在技術(shù)上帶來了更高的要求,更是對(duì)安全提出了考驗(yàn)[4]。我國新能源汽車新車型申報(bào)中,對(duì)車載能源動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了強(qiáng)制要求,只有滿足了基本環(huán)境安全、機(jī)械安全、電安全性要求后方可量產(chǎn)面向市場和消費(fèi)者。
新能源車企在積極提升自身技術(shù)實(shí)力及產(chǎn)品品質(zhì)、拓展國內(nèi)市場的同時(shí),還希望布局海外市場,將產(chǎn)品推向更廣闊的世界舞臺(tái)。而邁向海外市場,產(chǎn)品獲得相關(guān)出口國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)是企業(yè)需要面臨的首要問題。
聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(the United Nations Economic Commission for Europe,以下簡稱ECE)于1947 年成立,旨在促進(jìn)56 個(gè)成員國經(jīng)濟(jì)整合與合作的多邊平臺(tái)。ECE 認(rèn)證(也稱E-mark 認(rèn)證)是歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)成員國市場內(nèi),對(duì)汽車及其零配件產(chǎn)品按照ECE 法規(guī)(Regulation)開展的一種通用認(rèn)證,產(chǎn)品符合認(rèn)證要求,即授予型式認(rèn)證證書,表示其通過了行車安全法規(guī)。E-mark 證書是由各成員國交通部頒發(fā),它表示產(chǎn)品已經(jīng)符合相應(yīng)的法令與法規(guī)的要求,可以合法地進(jìn)口和銷售,發(fā)證機(jī)關(guān)是各成員國交通部。
ECE Regulation No.100(ECE R100)是由ECE 制定的市場準(zhǔn)入公告法規(guī),要求申請歐盟的整車型式認(rèn)證(WVTA)時(shí)必須通過第二版ECE R100.02 的要求。從2016 年7 月起,電動(dòng)汽車及其所裝配的車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(如動(dòng)力電池、超級(jí)電容等)必須通過ECE R100 才能在歐洲及其他一些ECE 協(xié)議國家注冊并上市銷售,性質(zhì)類似于我國的強(qiáng)制性認(rèn)證測試。由此可見,準(zhǔn)確理解并把握ECE R100 測試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于國內(nèi)傳統(tǒng)車企、造車新勢力均具有重要意義。
作為電動(dòng)汽車的核心部件,也是車輛的能量攜帶載體,電池系統(tǒng)的安全在整車認(rèn)證測試領(lǐng)域?qū)儆谥刂兄?。本文從電池系統(tǒng)安全角度出發(fā),對(duì)出口歐盟電動(dòng)車用電池系統(tǒng)的測試標(biāo)準(zhǔn)ECE R100 與國內(nèi)現(xiàn)行動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3 部分:安全性要求與測試方法》和2020 版GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》,以及國際安全認(rèn)證法規(guī)ISO 12405-3:2014《Electrically propelled road vehicles Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems Part 3: Safety performance requirements》進(jìn)行對(duì)比分析。通過聚焦測試項(xiàng)目、測試方法與性能評(píng)價(jià)指標(biāo)差異性,有針對(duì)性地給出ECE R100 標(biāo)準(zhǔn)下的電池系統(tǒng)測試關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
從2016 年7 月起,歐盟理事會(huì)要求申請歐盟的整車型式認(rèn)證時(shí)必須滿足ECE R100 要求,法規(guī)采用的是2013 年第二版修訂內(nèi)容,包含兩個(gè)部分:第一部分是對(duì)整車車輛電氣安全的要求;第二部分是針對(duì)零部件級(jí)別車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(REESS)的安全要求。
ECE R100 Part II 對(duì)電動(dòng)車搭載的REESS 安全性提出了明確要求,測試項(xiàng)目主要包括電安全性、環(huán)境安全性及機(jī)械安全性等3 部分測試內(nèi)容,其分類依據(jù)如表1 所示。
表1 電池系統(tǒng)安全性的測試項(xiàng)目分類、評(píng)價(jià)指標(biāo)及驗(yàn)證規(guī)程
動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心系統(tǒng),ECE R100 標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)層級(jí)統(tǒng)籌考慮安全要求,對(duì)于可能導(dǎo)致動(dòng)力電池故障發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行驗(yàn)證分析,測試方法核心部分概要如表2所示。
國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)版圖下,由全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口、中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),于2015 年重磅發(fā)布了GB/T 31467.1-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第1 部分高功率應(yīng)用測試規(guī)程》、GB/T 31467.2-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第2 部分高能量應(yīng)用測試規(guī)程》、GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)安全性要求與測試方法》,GB/T 31484-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31486-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》。這些電池國家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,促使電池生產(chǎn)企業(yè)朝著高安全、高性能、長壽命方向發(fā)展,對(duì)促進(jìn)動(dòng)力電池發(fā)展起到有據(jù)可依的重要作用。
表2 ECE R100 Part II 測試方法
2017 年7 月,GB/T 31467.3-2015 第1 號(hào) 修 改 單 開 始 實(shí)施[5],對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)修訂內(nèi)容主要體現(xiàn)在振動(dòng)、擠壓部分內(nèi)容,修訂后執(zhí)行的電池系統(tǒng)擠壓力由原200 kN 到100 kN,振動(dòng)由原21 h 3 個(gè)方向共63 h 隨機(jī)振動(dòng)到3 h 正弦振動(dòng),對(duì)振動(dòng)和擠壓試驗(yàn)條件的嚴(yán)苛性、必要性進(jìn)行重新考量。
2020 年5 月,作為我國第一個(gè)電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池強(qiáng)制性國標(biāo),GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》正式發(fā)布。在考慮到正常使用場景、可預(yù)見的故障條件、可能出現(xiàn)的安全隱患的基礎(chǔ)上,充分理解電動(dòng)汽車安全失效模式與提前防范措施。強(qiáng)標(biāo)取消了翻轉(zhuǎn)和跌落項(xiàng)目,同時(shí)也新增或調(diào)整了關(guān)鍵測試項(xiàng)目。對(duì)于M1、N1 及以外的車輛電池包振動(dòng)分三個(gè)軸進(jìn)行,每個(gè)軸向均進(jìn)行12 h 隨機(jī)及1 h 定頻振動(dòng),并規(guī)定了振動(dòng)試驗(yàn)后的電池包需進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn),該項(xiàng)新要求對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)試驗(yàn)后電池包的氣密提出了要求,不僅考慮到測試中樣品的安全,更綜合考慮了機(jī)械安全后的密封情況。強(qiáng)標(biāo)擠壓項(xiàng)目擴(kuò)充了三個(gè)半圓柱體的擠壓版形式許可。同時(shí),新增了熱擴(kuò)散測試項(xiàng)目,將行業(yè)內(nèi)關(guān)注度較高的安全測試項(xiàng)目納入強(qiáng)制性檢驗(yàn),企業(yè)必須確保在由于單個(gè)電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5 min,應(yīng)提供一個(gè)熱事件報(bào)警信號(hào),用以保障成員安全。電安全類項(xiàng)目中充分考慮應(yīng)用場景,新增過流保護(hù)項(xiàng),在高于企業(yè)規(guī)定的電流時(shí),電池管理系統(tǒng)應(yīng)具備相關(guān)響應(yīng)機(jī)制。
ECE R100.02 與ISO 12405-3、GB/T 31467.3 及其第1 號(hào)修改單和GB 38031-2020 同為鋰離子電池系統(tǒng)安全性標(biāo)準(zhǔn),通過對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的測試項(xiàng)目、測試方法、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)加以分析,得出ECE R100.02 與ISO 12405-3、GB/T 31467.3 及其第1號(hào)修改單、GB 38031-2020 存在以下區(qū)別。
ECE R100 共9 項(xiàng)安全性測 試,GB/T31467.3 共16 項(xiàng)測試,GB 38031-2020 共16 項(xiàng),ISO 12405-3 共12 項(xiàng)測試。可以看出,三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在測試項(xiàng)目要求上相近,但歐洲相對(duì)于中國更集中關(guān)注機(jī)械可靠性和保護(hù)功能類驗(yàn)證,考慮到試驗(yàn)周期、試驗(yàn)成本、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素,對(duì)環(huán)境安全類驗(yàn)證比重偏小(以高海拔、海水浸泡、鹽霧、濕熱循環(huán)為代表)。條件滿足情況下試驗(yàn)周期可縮短至1~2 周,需要提供的試驗(yàn)樣件數(shù)相對(duì)較低,從這兩個(gè)角度可為企業(yè)減輕認(rèn)證所需經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但同時(shí)減少環(huán)境安全類驗(yàn)證也給產(chǎn)品質(zhì)量保證帶來了一定風(fēng)險(xiǎn),具體表現(xiàn)如:高海拔下電池系統(tǒng)散熱性能降低,充放電過程中溫升、溫差增大,熱穩(wěn)定性受到影響[6];自然界的雨水、井水、河水等均是混有雜質(zhì)的非純凈水,溶解有電解質(zhì),一旦蓄電池包或系統(tǒng)的氣密存在缺陷,將可能造成線束密集區(qū)或金屬接插件內(nèi)部短路,甚至發(fā)生冒煙起火爆炸[7],浸水防水等級(jí)關(guān)乎電池安全。此外,GB 38031-2020 中新增了熱擴(kuò)散測試項(xiàng)目,ECE R100 中并無此安全法規(guī)測試項(xiàng)。ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號(hào)修改單、GB 38031-2020在測試項(xiàng)目上的對(duì)比如表3 所示。
表3 ECE R100與ISO 12405-3、31467.3-2015及其第1號(hào)修改單、GB 38031-2020測試項(xiàng)目對(duì)比
關(guān)鍵測試項(xiàng)目之?dāng)D壓,ECE R100 中規(guī)定使用半徑為75 mm 的3 個(gè)半圓柱體組成的擠壓板,擠壓力為100~105 kN,在擠壓板和擠壓力上與ISO 12405-3:2014 保持一致。GB/T 31467.3 及其第1 號(hào)修改單在擠壓板上存在不同,其規(guī)定使用半徑75 mm 的單半圓柱體,擠壓截止條件也稍有不同,規(guī)定為擠壓力達(dá)到100 kN 或整體尺寸的30%。而2020 版GB 38031 在擠壓板上則兼容了單半圓柱體擠壓板和3 個(gè)半圓柱體組成的擠壓板,擠壓截止條件與GB/T 31467.3 及修改單保持一致。實(shí)際測試中值得關(guān)注的是,單半圓柱體擠壓板布置方式不同,電池系統(tǒng)接觸點(diǎn)位受力情況也不一樣,縱向擠壓時(shí)接觸面積更窄,局部受力更大,通過這種擠壓方式電池系統(tǒng)的最大擠壓變形量將會(huì)高于橫向擠壓變形。相較于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),ECE R100 更傾向于綜合考慮受力情況,要求橫向擠壓最大程度覆蓋受力面積。
關(guān)鍵測試項(xiàng)目之振動(dòng),ECE R100 中規(guī)定在垂直方向進(jìn)行3 h 正弦振動(dòng),振動(dòng)頻率范圍在7~50 Hz,這一方法與GB/T 31467.3 及其第1 號(hào)修改單一致。但相比三軸向、每個(gè)軸向進(jìn)行21 h 隨機(jī)振動(dòng),三軸向共63 h 的ISO 12405-3:2014 和三軸向、每個(gè)軸向進(jìn)行12 h 隨機(jī)及1 h 定頻振動(dòng),三軸向共39 h 的GB 38031-2020,無論在振動(dòng)方向還是振動(dòng)頻率范圍,亦或是振動(dòng)時(shí)間上,ECE R100 的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)均明顯低于其他標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵測試項(xiàng)目之火燒,ECE R100 和ISO 12405-3 中火燒試驗(yàn)規(guī)定燃油溫度小于20 ℃時(shí)需進(jìn)入60 s 的預(yù)熱,若燃油溫度不低于20 ℃,可直接進(jìn)入測試階段,省去前期準(zhǔn)備工作,測試階段的直接暴露和間接暴露于火焰時(shí)間各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致。GB/T 31467.3 及修改單和GB 38031-2020 兩份國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)保持一致,在直接暴露和間接暴露于火焰之前,均要預(yù)先對(duì)燃油預(yù)熱60 s。
關(guān)鍵測試項(xiàng)目之熱擴(kuò)散,ECE R100、ISO 12405-3 及GB/T 31467.3 均未對(duì)整車中動(dòng)力電池?zé)釘U(kuò)散提出要求。為保障事故發(fā)生時(shí)的乘員人身安全,提升產(chǎn)品品質(zhì),GB 38031-2020提出并明確了熱擴(kuò)散詳細(xì)測試規(guī)程,推薦使用加熱或針刺作為熱擴(kuò)散試驗(yàn)觸發(fā)方法。同時(shí)也允許制造商提供實(shí)驗(yàn)程序,包括試驗(yàn)方法、試驗(yàn)對(duì)象、觸發(fā)對(duì)象、監(jiān)控點(diǎn)布置方案、熱失控觸發(fā)判定條件、改動(dòng)清單。
ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號(hào)修改單、GB 38031-2020 關(guān)鍵測試項(xiàng)目方法對(duì)比如表4 所示。
擠壓項(xiàng)目中,ECE R100 合格判定要求為不起火、不爆炸,同時(shí)無漏液現(xiàn)象,GB/T 31467.3 及修改單和GB 38031-2020 擠壓合格要求為不起火、不爆炸即可,允許擠壓后電池包內(nèi)部電芯漏液存在電解液質(zhì)量損失,ISO 12405-3 除了要求試驗(yàn)后樣品不起火、不爆炸,還要求外殼不出現(xiàn)破裂及其他機(jī)械破壞,對(duì)擠壓殼體提出了更高的要求。
振動(dòng)項(xiàng)目中,ECE R100 和GB/T 31467.3 對(duì)比ISO 12405-3:2014 和GB 38031-2020,除了規(guī)定振動(dòng)后不起火、不爆炸、無漏液等通用要求外,比較明顯的特征在于對(duì)振動(dòng)后的樣品提出能夠進(jìn)行一次充放電循環(huán),即在振動(dòng)項(xiàng)目中,不僅要求振動(dòng)過程本身不發(fā)生危險(xiǎn),同時(shí)考察振動(dòng)后電池的電功能,實(shí)現(xiàn)全面考慮與驗(yàn)證,相對(duì)來說要求更高更嚴(yán)謹(jǐn)。
火 燒 項(xiàng) 目 中,ECE R100 和ISO 12405-3:2014 及GB 38031-2020 判定要求均為不爆炸即可,GB/T 31467.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)為不爆炸,若有火苗,應(yīng)在火源移開2 min 內(nèi)熄滅。兩者最大區(qū)別是對(duì)火源移除后現(xiàn)象的判定,ECE R100 關(guān)注試驗(yàn)過程中測試樣件本身狀態(tài),GB/T 31467.3 則考慮更加全面,不僅考慮到測試中的樣品安全,更考慮了非金屬件阻燃等級(jí)水平。分析電動(dòng)汽車火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在外部火源下,材料過熱、超過耐溫引起局部燃燒起火事故頻發(fā),火苗超過2 min 未熄滅就很有可能造成車輛行駛過程中自燃,使用高阻燃等級(jí)的材料可以降低起火失效的風(fēng)險(xiǎn)[8]。
熱擴(kuò)散項(xiàng)目中,ECE R100、ISO 12405-3 及GB/T 31467.3均未對(duì)整車中動(dòng)力電池?zé)釘U(kuò)散提出要求。GB 38031-2020 要求單個(gè)電池在熱失控引起熱擴(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5 min,提供一個(gè)熱事件報(bào)警信號(hào)。
ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號(hào)修改單、GB 38031-2020 關(guān)鍵測試項(xiàng)目性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比如表5 所示。
表4 ECE R100 與ISO 12405-3、31467.3-2015 及其第1 號(hào)修改單、GB 38031-2020 關(guān)鍵測試項(xiàng)目方法對(duì)比
表5 ECE R100與ISO 12405-3、31467.3-2015及其第1號(hào)修改單、GB 38031-2020關(guān)鍵測試項(xiàng)目性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比
ECE R100.02 作為歐盟市場準(zhǔn)入公告法規(guī),測試內(nèi)容、方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)也是目前行業(yè)內(nèi)許多企業(yè)困惑之處。本文對(duì)出口歐盟電動(dòng)車用電池系統(tǒng)的測試標(biāo)準(zhǔn)ECE 100 進(jìn)行研究討論,將其與國內(nèi)現(xiàn)行動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分:安全性要求與測試方法》和2020 版GB 38031《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》,以及國際安全認(rèn)證法規(guī)ISO 12405-3:2014《Electrically propelled road vehicles Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems Part 3:Safety performance requirements》進(jìn)行對(duì)比分析。通過聚焦測試項(xiàng)目、測試方法與性能評(píng)價(jià)指標(biāo)差異性,有針對(duì)性地給出ECE R100 標(biāo)準(zhǔn)下的電池系統(tǒng)測試關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),在測試項(xiàng)目上ECE R100 共9 項(xiàng)安全性測試,GB/T31467.3 共16 項(xiàng)測試,GB 38031-2020 共16 項(xiàng),ISO 12405-3共12項(xiàng)測試。ECE R100集中關(guān)注機(jī)械可靠性和保護(hù)功能類驗(yàn)證,可降低試驗(yàn)成本、縮短試驗(yàn)周期,但以高海拔、海水浸泡、鹽霧、濕熱循環(huán)項(xiàng)目為代表,ECE R100對(duì)環(huán)境安全類驗(yàn)證比重偏小,且無熱擴(kuò)散乘員保護(hù)項(xiàng);在關(guān)鍵測試項(xiàng)目方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)上,ECE R100 中擠壓允許使用3 個(gè)半圓柱體組成的擠壓板,振動(dòng)方向僅考察垂直軸向、掃頻范圍限定在7~50 Hz、振動(dòng)時(shí)間3 h 相比之下最短,其他項(xiàng)目也無更加嚴(yán)苛的規(guī)定,方法和用于判定的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)寬松。
歐洲對(duì)于動(dòng)力電池市場準(zhǔn)入要求相對(duì)于中國是寬進(jìn)嚴(yán)出,更多測試安全要求交給整車廠把控,歐洲車企自我約束,且歐盟整車型式認(rèn)證及市場監(jiān)管嚴(yán)格。中國各廠家在標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)和生產(chǎn)一致性上需要更加嚴(yán)謹(jǐn),擔(dān)負(fù)起安全責(zé)任。出口歐盟電動(dòng)車用電池系統(tǒng)的認(rèn)證,應(yīng)加強(qiáng)以下方面的建設(shè):
(1)對(duì)生產(chǎn)企業(yè),應(yīng)加強(qiáng)動(dòng)力電池系統(tǒng)開發(fā)能力體系建設(shè),以安全為核心,提升電池系統(tǒng)安全性能,拿出更好的產(chǎn)品走出中國、走向世界;
(2)對(duì)第三方實(shí)驗(yàn)室,應(yīng)提升實(shí)驗(yàn)室檢測水平,積極參與到標(biāo)準(zhǔn)制定、修定環(huán)節(jié),嚴(yán)格把關(guān)受檢產(chǎn)品質(zhì)量,站好產(chǎn)品流入市場前的第一道崗;
(3)審查檢測報(bào)告內(nèi)容,對(duì)測試數(shù)據(jù)、照片存疑處積極溝通,保質(zhì)保量完成證書發(fā)放工作;
(4)按照《1958 年協(xié)議書》內(nèi)容,各締約國交通部簽發(fā)的E-mark 證書具有同等效力,但從市場認(rèn)可和認(rèn)證制度成熟度來看,建議整車或電池制造商選擇知名交通部。