随着国内新能源汽车市场份额的不断提高,消费者更加关注新能源汽车的使用安全。动力电池作为新能源汽车三电系统的核心组成部分,直接影响新能源汽车的主要性能指标,其安全性往往决定了汽车的可靠性,成为电池制造商、汽车制造商甚至消费者关注的焦点。
动力电池的安全性是什么?
对于新能源汽车的日常使用,动力电池安全主要包括结构安全、电力安全、热安全和环境安全。其中,结构安全是指由外部机械冲击引起的内部结构变化,导致热失控风险;电气安全是指灰尘污染、涉水、洪水等短路,导致电击风险;热安全是指由外部高温或大阻抗引起的热失控,造成燃烧或爆炸事故;环境安全是指由外部温度变化和海拔高度影响的热失控风险。
不难发现,虽然影响电力电池安全的因素非常复杂,但核心因素是电气安全和热安全,主要反映在短路电击、热失控燃烧或爆炸上。因此,加强电池的防水性能,遏制热失控已成为提高电力电池安全性的关键。
二、规范动力电池安全 国内外安全标准有哪些?
由于国内新能源汽车研发时间较早,动力电池安全相关国家标准也相对完善。2020年,工业和信息化部除了早期六项电池、模块和电池组安全推荐标准外,还组织制定了包括GB在内的三项强制性国家标准
18384-2020《电动汽车动力电池安全要求》、GB 30381-2020年电动汽车安全要求及GB
电动客车安全要求38032-2020。在保证动力电池基本安全性能要求的基础上,三项强制性国家标准增加了动力电池系统热事件报警信号要求。同时,要求动力电池单体热失控后,系统在5分钟内不起火或爆炸,为乘客预留安全逃生时间。
另外,根据GB4208\IEC\EN60529标准,建议动力电池在整个生命周期内防尘防水等级不低于IP67。其中,6代表防尘等级,完全防止灰尘侵入;7代表防水等级,即1米深的水,浸泡不少于30min。
国际动力电池安全标准为ISO(international
organization for standardization,国际标准化组织)、IEC(international
electrotechnical commission,国际电工委员会)、SAE International(society of
automotive
engineers,国际自动机工程师协会发布的标准是根据具体情况制定的参考依据。其中,ISO在动力电池方面的标准是ISO
12405-3∶2014年电动驱动车辆-锂离子动力电池组系统测试规程 第3部分:
根据动力电池的安全性能要求,为整车厂提供可选的试验项目和试验方法。欧盟对动力电池的强制性安全标准是UN ECE
R100包括整车电气安全要求和零部件级车载充电储能系统(REESS)安全要求。
三、国内整车厂动力电池安全测试有多严格?
虽然国内外安全标准对动力电池的安全性作了更全面的规定,但目前的测试更多的是针对电池本身,车辆级别的测试更少。为了加强动力电池的测试,许多汽车制造商也在积极参与安全测试,与国家标准要求相比,国内汽车制造商对动力电池的测试更加严格和复杂。
早在2020年3月,比亚迪就首次公布了“刀片电池”顺利通过“针刺试验”的完整试验视频。视频显示,在相同的测试条件下,三元锂电池在针刺时温度变化剧烈,表面温度迅速超过500℃,开始剧烈燃烧;传统磷酸铁锂块电池无明火、烟雾,表面温度达到200℃-400℃。虽然没有明显的火灾,但高温可能会点燃附近的可燃材料。相比之下,“刀片电池”穿透后无明火、无烟,电池表面温度仅为60℃。这意味着“刀片电池”在严重损坏的情况下不会着火。
与BYD的“针灸试验”相比,2022年10月,欧拉闪电猫从日常生活中遇到的更多事故场景中进行了“高速螺旋滚落挑战”,测试电池的安全性能。挑战模拟车辆在高速公路或城市快环高架公路上失控冲出护栏,从高架公路坠落,撞击地面,造成车辆滚动,电池组挤压、变形、穿刺等损坏。在试验过程中,欧拉闪电猫在猛烈撞击落地和螺旋滚动后,“无忧电池”迅速高压断电,最终无电解质泄漏、火灾自燃、车辆泄漏等情况,电气安全评价项目顺利通过。
与电池安全性能相关的最新测试来自广汽埃安。2023年3月,广汽埃安进行了“弹匣电池2.0”枪击试验,在15米处射击预留射击开口的全电池包。子弹穿透电池时,速度可达针刺的97.5万倍,伤口直径为针刺的7-8倍。在本次试验中,“弹匣电池2.0”枪击后未发生火灾和爆炸。拆卸电池系统外壳后,整体结构完整,只损坏了三个电池。静置24小时后,温度恢复到正常温度,枪击试验顺利通过。
四、如何保证和提高动力电池的安全性?
通过严格的安全测试,证明动力电池的安全性取得了显著进展。那么,电池制造商和汽车制造商如何确保动力电池的安全呢?
1、在硬件方面,从动力电池结构的角度来看,主要包括电池材料、模块设计、全包Pack设计和被动保护。
首先是电池材料的选择。一般来说,磷酸铁锂和钛酸锂的安全系数相对较高,其次是三元材料、锰酸锂和钴酸锂。以比亚迪的“刀片电池”为例,它使用磷酸铁锂电池,具有耐高温、安全性高的优点。
其次是模块设计。模块的安全设计通常是基于阻断热传递,如在电池中间添加导热系数低、化学稳定性高的保温材料,以防止热传播。目前常用的防火保温材料主要有气凝胶、云母、防火涂料、热陶瓷等。其中,气凝胶是电池保温最理想的材料,不仅重量轻,强度高,而且是传统保温材料的2-5倍。
三是整包Pack设计。组装电池模块时,一层绝缘板(一般采用云母片)会粘附在其上下表面,防止热失控。云母板具有耐高温绝缘性,最高耐高达1000℃,性价比好。此外,整包Pack设计还具有耐腐蚀性,保证密封性和足够的强度。广汽的“弹匣电池”是通过网状纳米孔保温材料和耐高温上壳形成超保温安全舱,使三元电池的热失控不蔓延到相邻电池,电池组上壳的耐温性高达1400℃以上。
最后是被动保护措施。除上述基于动力电池本体设计的安全效果外,动力电池还可以通过车身结构进行保护。例如,增加保护外壳,提高电池的抗冲击性,或增加底盘保护梁,防止车身变形和挤压动力电池,并添加底部装甲,以避免损坏动力电池。
2、在软件方面,主要通过电池管理系统BMS来保障动力电池的安全。在动力电池工作过程中,BMS实时监测或计算电压、温度、工作电流、电池电量等一系列相关参数,防止动力电池过充或过放,通过内部测量传感器采集的单个电池的电压值和温度变化,实时监测高压系统的绝缘状态是否正常。
此外,在新能源汽车的日常使用中,车主也需要时刻关注动力电池的安全。例如,避免车辆与充电桩长期连接,降低过充电造成的电力电池热失控的安全风险;尽量避免频繁的快速加速或快速减速,因为这可能会导致电力电池温度过高。动力电池一旦发生过热报警,应停车冷却电池,待过热报警灯熄灭后继续行驶。如果电池过热报警或电池故障报警灯经常亮起,专业人员应及时排除故障。严禁非专业人员拆卸电池组,以免造成人身伤害。
总结:动力电池安全是一个复杂的系统问题,涵盖了电池材料选择、制造工艺、安全测试和日常使用等因素。在国家相关标准的指导下,电池制造商和汽车制造商通过不断优化电池材料、制造工艺和软件算法,提高了测试强度和测试难度,使动力电池安全取得了巨大进展,新能源汽车可靠性进一步提高。作为车主,我们不能忽视日常使用对电力电池安全的影响。建议我们养成良好的汽车习惯,共同创造环保、节能、安全的新能源汽车使用环境。
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