探究電池召回事件背后的安全要求

朱相歡,王彩娟

( 1. 蘇州市吳江區(qū)檢驗檢測中心,江蘇 蘇州 215200; 2. 中華人民共和國吳江海關(guān),江蘇 蘇州 215200 )

小到兒童玩具用電池、大到車用動力電池,各領(lǐng)域的電池相關(guān)產(chǎn)品都發(fā)生過召回事件[1-4]。 據(jù)統(tǒng)計,自2018 年以來,美國消費品安全協(xié)會(CPSC)對我國實施的與電池相關(guān)產(chǎn)品的召回達(dá)30 余起。 2020 年8 月11 日,福特宣布因發(fā)生自燃必須召回20 500 臺Kuga 插電混合動力汽車(PHEV)(國內(nèi)版稱翼虎),并要求車主不要在家充電[1]。 2020 年10月13 日,由于PHEV 車型使用的電池存在發(fā)熱的情況,可能引發(fā)自燃,寶馬在全球范圍內(nèi)召回26 700 臺PHEV,并建議受涉及的車主不要進(jìn)行充電,而寶馬和福特這兩起召回事件,涉及的電池均來自于同一供應(yīng)商[1]。 2020 年10 月16日,現(xiàn)代汽車宣布將從韓國市場召回25 564 輛Kona 電動汽車(EV),原因初步判定是電芯存在起火風(fēng)險[2]。 2020 年11月13 日,由于所用的動力電池存在起火隱患,通用汽車宣布召回68 677 輛Bolt 電動車[3]。 這距離現(xiàn)代汽車涉及同一電池產(chǎn)品的同一理由召回,還不到1 個月的時間。

有必要探究事件背后折射出的電池質(zhì)量問題,為電池制造和使用企業(yè)提供參考,避免產(chǎn)品在銷售時因出現(xiàn)電池質(zhì)量問題而發(fā)生召回。

本文作者分析近3 年美國CPSC 召回和2020 年車用電池召回的原因,針對電池產(chǎn)品質(zhì)量提升提出一些應(yīng)對性建議,供相關(guān)機(jī)構(gòu)參考。

1 召回原因分析

1.1 CPSC 召回

分析表1 中所列出的近3 年美國CPSC 對我國實施的30 余起與電池相關(guān)產(chǎn)品的召回事件可知[4],主要原因是在使用過程中,電池或充電器件出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,造成了火災(zāi)和燒傷危害。

表1 2018 年以來電池相關(guān)消費品的CPSC 召回Table 1 Consumer Product Safety Committee(CPSC)recalls of battery-related consumer goods since 2018

造成這些電池相關(guān)產(chǎn)品“過熱”的原因主要有:

①用電產(chǎn)品較低端,以無線或便攜設(shè)備為主,電路設(shè)計簡單。 由于缺少有效的電池管理系統(tǒng)(BMS),產(chǎn)品在充電、使用或因電器內(nèi)部金屬件導(dǎo)致電池外部短路時,無法監(jiān)控和管理電池(特別是鋰離子電池)充放電過程中的溫度、電流和電壓等,可能出現(xiàn)電池“過熱”,構(gòu)成火災(zāi)和爆炸危害。

②為節(jié)約成本,制造商選配的電池品質(zhì)不高,實際使用時在環(huán)境變化或濫用(過充、撞擊和外部短路等)情況下,材料極易發(fā)生不良化學(xué)反應(yīng),引發(fā)“過熱”,導(dǎo)致起火、爆炸。

③目前我國未對出口電池實施法定檢驗,而美國保險商試驗(UL)認(rèn)證是自愿性認(rèn)證。 部分企業(yè)沒有主動對標(biāo)美國UL 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和測試,不對用電產(chǎn)品實施模擬測試,以監(jiān)控包括“過熱”在內(nèi)的質(zhì)量問題,就不能通過提升產(chǎn)品設(shè)計,預(yù)先規(guī)避“過熱”等風(fēng)險。

1.2 車用動力電池召回

2020 年以來,福特、寶馬和通用等知名汽車制造商相繼因車用電池安全隱患實施了汽車召回。 這些涉及新能源汽車廠商的召回事件,反映出車用動力電池的技術(shù)瓶頸問題。新能源汽車市場快速擴(kuò)張,對車用動力電池的需求量不斷增加,目前,大多數(shù)電池廠家往往通過升級便攜設(shè)備用電池的工藝,來研發(fā)車用動力電池技術(shù),可能存在隱患。

生產(chǎn)工藝存在缺陷。 大規(guī)模量產(chǎn)下的車用動力電池生產(chǎn)流程管理不規(guī)范,導(dǎo)致生產(chǎn)過程有雜質(zhì)(金屬、顆粒物)進(jìn)入電池內(nèi)部。 在充放電過程中,雜質(zhì)導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)部短路,引發(fā)熱失控,進(jìn)而引起自燃。 魏洪兵等[5]提出,在評價鋰離子電池的安全性能時,內(nèi)部短路實驗是一種有效的方法。電池發(fā)生內(nèi)部短路時,一股極高的電流通過短路位置,并產(chǎn)生大量的熱,由此可能在電池內(nèi)部產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象,甚至導(dǎo)致起火、爆炸。 由于車用動力電池單體密集排布,個別有工藝缺陷的單體電池一旦出現(xiàn)熱失控,就容易引發(fā)連鎖反應(yīng),甚至導(dǎo)致起火、爆炸。

車用動力電池使用環(huán)境復(fù)雜。 與便攜設(shè)備用電池產(chǎn)品相比,車用動力電池使用環(huán)境不同,測試標(biāo)準(zhǔn)的要求也有較大差異。 目前,車用動力電池標(biāo)準(zhǔn)體系還在不斷建立、完善中,車用動力電池制造商若未及時進(jìn)行對標(biāo)測試,就可能出現(xiàn)質(zhì)量問題。 王彩娟等[6]研究了車用動力電池標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)便攜設(shè)備用電池標(biāo)準(zhǔn)的差異,指出:車用動力電池標(biāo)準(zhǔn)中的測試項目更多地結(jié)合實際使用場景(濕熱循環(huán)、浸水、鹽霧測試、外部火燒和熱擴(kuò)散)進(jìn)行設(shè)置,在參數(shù)設(shè)定上與便攜設(shè)備用電池有較大差別。 車用動力電池的研發(fā)要更多地考慮復(fù)雜惡劣的使用環(huán)境,進(jìn)一步提升在濫用環(huán)境下的安全性。

車用動力電池的BMS 研發(fā)相對落后。 相比便攜設(shè)備用BMS,車用動力電池的BMS 除了需要更精密的電壓和電流控制功能外,還需要強(qiáng)大的溫度控制系統(tǒng)。 一旦溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計存在缺陷,導(dǎo)致動力電池在充放電和運行過程中溫度過高,那么在長時間運行后,內(nèi)部電芯材料就會發(fā)生不同程度的老化,導(dǎo)致電壓和內(nèi)阻的一致性變差,電池就可能發(fā)生漏液、起火,甚至爆炸。 目前車用動力電池的BMS 研發(fā)和測試深度都有待提高,車用動力電池生產(chǎn)和使用企業(yè)應(yīng)盡快完善熱事件報警信號和報警閾值的研究,在產(chǎn)品設(shè)計階段就優(yōu)化調(diào)整BMS,并進(jìn)行必要的模擬測試,以保證使用安全。

2 電池管理系統(tǒng)(BMS)

消費品用電池攜帶的能量較少,“過熱”問題產(chǎn)生的危害性相對較小,往往可通過提高電池材料性能和提升散熱系統(tǒng)(溫度熱敏電阻、泄氣閥和溫控軟件)的靈敏度來實現(xiàn)熱穩(wěn)定。 出口美國的消費品用電池,通過對標(biāo)相應(yīng)的UL 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和測試,就能在很大程度上規(guī)避“過熱”的風(fēng)險。

車用電池體量大、能量密度高,在行駛過程中熱穩(wěn)定性異常時的撲救困難,必須通過軟硬件控制,保證乘車人員擁有充足的逃離時間。 2021 年1 月1 日實施的強(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》[7],為考量車用動力電池的熱穩(wěn)定性能,專門設(shè)置了熱穩(wěn)定性測試,包括外部火燒和熱擴(kuò)散兩個測試項目。 2020 年4 月1 日實施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39086--2020《電動汽車用電池管理系統(tǒng)功能安全要求及試驗方法》[8],規(guī)定了電動汽車用動力電池BMS 的功能安全要求及試驗方法,以便對動力電池的安全運行進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。 危害分析和風(fēng)險評估可確定BMS 的安全目標(biāo)及屬性,防止單體電池過充電、過放電后的再充電和過溫,以及動力電池系統(tǒng)過流導(dǎo)致的熱失控。 這兩個標(biāo)準(zhǔn)從電池材料安全和BMS 安全兩個方面,分別進(jìn)行了規(guī)定,對車用動力電池的規(guī)范化生產(chǎn)和管理十分重要。

3 建議

為減少電池召回事件的發(fā)生,需要制造及使用企業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和第三方檢測機(jī)構(gòu)協(xié)同發(fā)揮作用。

相關(guān)制造及使用企業(yè)應(yīng)充分重視電池及用電產(chǎn)品的熱管理性能,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,完善電池及用電產(chǎn)品的設(shè)計。 持續(xù)加強(qiáng)品質(zhì)管控,嚴(yán)控不良品率,降低發(fā)生安全事故的風(fēng)險。

相關(guān)監(jiān)管部門應(yīng)不斷完善電池及用電產(chǎn)品的召回預(yù)警機(jī)制,及時向企業(yè)發(fā)布預(yù)警信息和風(fēng)險分析,幫助企業(yè)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量,避免再次發(fā)生同類型的召回。

相關(guān)檢驗檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)持續(xù)提升檢驗檢測水平,緊跟電池相關(guān)法規(guī)的要求,深入解讀國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異,為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計提供參考,提高不同用電產(chǎn)品與相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的符合性。