我國(guó)動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程及展望

冀然　李宏偉

摘 要：動(dòng)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(guó)動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)體系歷經(jīng)十余年發(fā)展，測(cè)試項(xiàng)目更加豐富，更加貼合實(shí)際工況。伴隨技術(shù)進(jìn)步和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，動(dòng)力電池的系統(tǒng)安全成為產(chǎn)業(yè)共識(shí)，我國(guó)也于2020年最新發(fā)布并實(shí)施了首個(gè)涵蓋動(dòng)力電池單體、模塊及系統(tǒng)安全要求和試驗(yàn)方法的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》。展望未來(lái)，全生命周期安全性要求和測(cè)試結(jié)果判定依據(jù)的量化有望成為動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)下一步的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 發(fā)展歷程

1 引言

動(dòng)力電池作為新能源汽車的動(dòng)力源，其安全問(wèn)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(xiǎn)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(xiǎn)，危害人身安全;在循環(huán)過(guò)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(zhǎng)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(dòng)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(guó)在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期就發(fā)布了涉及動(dòng)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(guó)動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)體系不斷豐富和完善，更加貼近實(shí)際使用情況和整車需求。

2 我國(guó)動(dòng)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(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)專家組提出并確立“三縱三橫”技術(shù)路線，構(gòu)建起我國(guó)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(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池》發(fā)布并實(shí)施，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的分類、要求、試驗(yàn)方法等作出說(shuō)明。

QC/T 743-2006的試驗(yàn)對(duì)象包括單體蓄電池和蓄電池模塊，對(duì)每種試驗(yàn)對(duì)象的基本情況、電性能和安全性相關(guān)要求和試驗(yàn)方法做出說(shuō)明。標(biāo)準(zhǔn)中安全性測(cè)試項(xiàng)目包括電安全（過(guò)充電、過(guò)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(yàn)僅針對(duì)單體蓄電池外，其他項(xiàng)目單體、模塊均需測(cè)試。

QC/T 743-2006是全球范圍內(nèi)較早發(fā)布的涉及動(dòng)力電池安全要求的標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)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(shí)我國(guó)新能源汽車還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣，產(chǎn)業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相對(duì)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(cái)政部、發(fā)改委、工信部共同啟動(dòng)“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入示范推廣期。2015年，我國(guó)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(wàn)輛，我國(guó)新能源汽車進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化時(shí)期。2015年，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 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(cè)試方法》同時(shí)發(fā)布并實(shí)施，并在2018年因被CQC-C1101-2018《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)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(yàn)、電池單體/模塊的針刺試驗(yàn)暫不執(zhí)行）。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施，共同構(gòu)建起涵蓋單體、模塊和系統(tǒng)的動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)體系，也是首批專門針對(duì)動(dòng)力電池安全性要求而制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 31485-2015對(duì)動(dòng)力電池單體和模塊的安全要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則做了規(guī)定和說(shuō)明。對(duì)單體和模塊的測(cè)試項(xiàng)目范圍相同，包括電安全項(xiàng)目（過(guò)充電、過(guò)放電、短路、針刺）、機(jī)械安全項(xiàng)目（跌落、擠壓）、環(huán)境安全項(xiàng)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(diǎn)在于：（1）為模擬動(dòng)力電池復(fù)雜多變的實(shí)際使用環(huán)境，新增了多個(gè)環(huán)境安全測(cè)試項(xiàng)目;（2）充電從1/3C變?yōu)?C，更加嚴(yán)格;（3）多數(shù)項(xiàng)目測(cè)試試驗(yàn)結(jié)束后需觀察1小時(shí)后判定有無(wú)異常，要求更加嚴(yán)格的同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)測(cè)試人員安全的保護(hù)。

GB/T 31467.3-2015是首個(gè)針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試項(xiàng)目包括電安全（過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)溫、短路）、機(jī)械安全（跌落、擠壓、振動(dòng)、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(cè)試項(xiàng)目總體更加豐富，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行更多維度、更嚴(yán)格的測(cè)試也更加符合實(shí)際使用情況。

2.3 第三階段（2020至今）

2016年，全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)上報(bào)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》計(jì)劃。2020年，GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)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(shí)施，是首個(gè)涵蓋動(dòng)力電池單體、模塊及系統(tǒng)安全要求和試驗(yàn)方法的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

GB 38031-2020以GB/T 31485和GB/T 31467.3為基礎(chǔ)，與我國(guó)牽頭制定的聯(lián)合國(guó)電動(dòng)汽車安全全球法規(guī)（UN GTR 20）全面接軌，綜合總結(jié)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并充分協(xié)調(diào)了相關(guān)領(lǐng)域多項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。GB 38031-2020測(cè)試對(duì)象包括動(dòng)力電池單體、模塊和系統(tǒng)（其中模塊非必測(cè)項(xiàng)），單體測(cè)試項(xiàng)目包括電安全（過(guò)充電、過(guò)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(cè)試項(xiàng)目包括電安全（過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)流、過(guò)溫、短路）、機(jī)械安全（擠壓、振動(dòng)、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(dòng)力電池系統(tǒng)安全要求，這也更符合產(chǎn)業(yè)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全需求的共識(shí)：（1）為適應(yīng)產(chǎn)品發(fā)展需求，動(dòng)力電池領(lǐng)域CTP/CTC等新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，原有動(dòng)力電池三級(jí)結(jié)構(gòu)（單體-模組-系統(tǒng)）在實(shí)際應(yīng)用中趨于簡(jiǎn)化，因此模塊安全要求不再作為必檢項(xiàng)目，且對(duì)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(cè)試，測(cè)試對(duì)象及方法都更加靈活、貼合實(shí)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(dòng)力電池使用過(guò)程的安全性問(wèn)題，因而在測(cè)試項(xiàng)目的設(shè)置上，去掉了動(dòng)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(cè)試項(xiàng)目（如跌落、低氣壓等），新增了過(guò)流、溫度沖擊等更加貼合實(shí)際使用中易失效情景的測(cè)試項(xiàng)目;（3）針對(duì)近年來(lái)頻繁發(fā)生的引發(fā)動(dòng)力電池起火，危及乘員人身安全的熱失控問(wèn)題，GB 38031-2020加入了動(dòng)力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散測(cè)試，將近年來(lái)頗具爭(zhēng)議的針刺測(cè)試調(diào)整為引發(fā)熱擴(kuò)散的方式之一，要求動(dòng)力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)前5min應(yīng)提供報(bào)警信號(hào)，以更全面、有效地評(píng)估動(dòng)力電池系統(tǒng)安全。

3 動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池生命周期逐漸延長(zhǎng)。目前我國(guó)動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)要求及相關(guān)測(cè)試規(guī)程主要針對(duì)新鮮動(dòng)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(dòng)力電池?zé)岱€(wěn)定性逐漸下降[1]。因此，從全生命周期來(lái)看，中后期或?qū)⑹莿?dòng)力電池?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(dòng)力電池產(chǎn)品的安全性，有必要面向全生命周期的動(dòng)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(cè)試結(jié)果判定依據(jù)

GB 38031-2020中，電池測(cè)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(yàn)對(duì)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(shí)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(huì)對(duì)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(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試結(jié)果等級(jí)評(píng)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(duì)測(cè)試結(jié)果分為8個(gè)等級(jí)，對(duì)每個(gè)等級(jí)的測(cè)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(duì)外部短路試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王芳，林春景，劉磊，劉仕強(qiáng).動(dòng)力電池安全性的測(cè)試與評(píng)價(jià)[J].儲(chǔ)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(dòng)力電池國(guó)內(nèi)外安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].金屬功能材料，2020，27（06）：34-39.