聚焦动力电池安全 你需要了解这些

随着国内新能源汽车市场占有率不断提升，消费者更加关注新能源汽车的使用安全问题。作为新能源汽车三电系统中最核心的部件，动力电池直接影响着新能源汽车的主要性能指标，其安全性往往决定着整车的可靠性，因而成为了电池厂商、整车厂乃至消费者关注的焦点。一、何为动力电池安全性？对于新能源汽车日常使用来说，动力电池安全性主要包括结构安全、电安全、热安全和环境安全。其中，结构安全是指动力电池受到外部机械冲击所导致的内部结构变化，引发热失控风险；电安全是指动力电池因灰尘污染、涉水、水淹等所出现的短路情况，进而引发电击风险；热安全是指动力电池因外部高温或大阻抗所导致的热失控，引发燃烧或爆炸事故；而环境安全是指动力电池受到外部温度变化、海拔高度影响所产生的热失控风险。 不难发现，虽然影响动力电池安全性的因素十分复杂，但最核心的因素当属电安全和热安全，主要体现为短路电击、热失控燃烧或爆炸。因此，加强电池的防水性能和遏制热失控成为提升动力电池安全性的关键。二、规范动力电池安全性 国内/外都有哪些安全标准？由于国内新能源汽车研发时间较早，关于动力电池安全性的相关国家标准也比较完善。除了早期针对电芯、模组、电池包安全性的6项推荐标准之外，2020年，工业和信息化部还组织制定了三项强制性国家标准，包括GB 18384-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》、GB 30381-2020《电动汽车安全要求》和GB 38032-2020《电动客车安全要求》。三项强制性国家标准在保障动力电池基本安全性能要求的基础上，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发生热失控后，系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。此外，对于动力电池的防尘防水性能，依据GB4208IECEN60529标准，建议动力电池在全生命周期防尘防水等级不低于IP67。其中，6代表防尘等级，是完全防止灰尘侵入；7代表的是防水等级，即1米深的水，浸泡不少于30min。动力电池安全性国际标准是以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，国际自动机工程师学会）发布的标准为参考依据，各国各地区根据具体情况进行调整而制定的。其中，ISO在动力电池方面制定的标准有ISO 12405-3∶2014《电驱动车辆——锂离子动力电池包及系统测试规程 第3部分: 安全性要求》，针对动力电池安全性能要求，为整车厂提供可选择的测试项和测试方法。欧盟针对动力电池的强制性安全标准是UN ECE R100，包含整车车辆电气安全的要求以及针对零部件级别车载可充电储能系统(REESS)的安全要求。三、国内整车厂动力电池安全测试究竟有多严苛？ 虽然国内/外安全标准对动力电池安全性做了较为全面的规定，但目前的测试更多是针对电池本身，整车级别的测试较少。为了加强动力电池的测试力度，不少整车厂也在积极参与安全测试，并且相比国标要求，国内头部整车厂针对动力电池的测试更加严苛、复杂。早在2020年3月，比亚迪便首次对外公布了“刀片电池”顺利通过“针刺试验”的完整测试视频。根据视频显示，在同样的测试条件下，三元锂电池在针刺瞬间出现剧烈的温度变化，表面温度迅速超过500℃并开始剧烈燃烧；传统磷酸铁锂块状电池无明火、有烟，表面温度达到200℃-400℃，虽然没有明显的起火，但是这种高温有可能引燃附近的可燃物。相比之下，“刀片电池”在穿透后无明火、无烟，电池表面的温度只有60℃。这意味着，“刀片电池”在破损严重的情况下也不会起火。相比于比亚迪“针刺试验”，欧拉闪电猫在2022年10月进行了“高速螺旋翻滚跌落挑战”，从更多日常生活中会遇到的事故场景中来测试电池的安全性能。挑战模拟车辆在高速路或城市快环高架路上失控冲出护栏，从高架跌落并撞击地面，造成整车翻滚，同时电池包受到挤压、形变、穿刺等多方面的伤害。试验过程中，欧拉闪电猫经过猛烈撞击落地和螺旋翻滚后，“无忧电池”快速高压断电，最终没有发生电解液泄漏、起火自燃、车辆漏电等情况，电安全评价项目顺利通过。而最近的一次与电池安全性能相关的测试来自于广汽埃安。2023年3月，广汽埃安进行了“弹匣电池2.0”枪击试验，在15米处对预留射击开口的满电电池整包进行射击，当子弹穿透电芯时，速度可达针刺的97.5万倍，创口直径是针刺的7-8倍。本次试验中，“弹匣电池2.0”整包枪击后未发生起火和爆炸，拆开电池系统外壳后，整体结构完整，仅有三个电芯爆裂性损坏，静置24小时后温度恢复至常温，顺利通过了枪击试验。四、如何保障和提升动力电池安全？能够通过严苛的安全测试，证明如今的动力电池安全性已经取得了令人瞩目的进步。那么，电池厂商和整车厂是如何保障动力电池安全性的呢？ 1、硬件方面，从动力电池结构来看，主要包括电芯材料、模组设计、整包Pack设计以及被动防护等。首先是电芯材料的选择。通常来说，磷酸铁锂和钛酸锂安全系数相对较高，三元材料、锰酸锂、钴酸锂次之。以比亚迪“刀片电池”为例，其采用的便是磷酸铁锂电芯，具备耐高温优势，安全性较高。其次是模组设计。模组的安全设计通常是基于阻断热传递来考虑的，比如在电芯中间添加低导热系数、高化学稳定性的隔热材料防止热蔓延，目前常用的防火隔热材料主要有气凝胶、云母、防火涂料、热陶瓷等。其中，气凝胶是电芯隔热最理想的材料，不仅质量轻、强度高，隔热效果也是传统隔热材料2-5倍。第三是整包Pack设计。在电池模组装配的时候，其上下表面都会粘附一层绝缘板（一般采用云母片），以防止热失控。云母板具有耐高温绝缘性能，最高耐温高达1000℃，具有良好的性价比。此外，整包Pack设计还要具备耐腐蚀特性，保证密封和足够的强度。广汽的“弹匣电池”就是通过网状纳米孔隔热材料和耐高温上壳体，形成超强隔热安全舱，实现三元电芯热失控不蔓延至相邻电芯，电池包上壳体耐温高达1400℃以上。最后是被动防护措施。除了以上基于动力电池本体设计所达到的安全效果，还可以借助车体结构来保护动力电池。比如，增加防护外壳提升电池的抗冲击性能，或增加底盘防护梁防止车身变形挤压动力电池，还可以添加底部装甲使动力电池免受损伤等。2、软件方面，主要通过电池管理系统BMS来保驾护航动力电池安全。在动力电池工作过程中，BMS对电压、温度、工作电流、电池电量等一系列相关参数进行实时监控或计算，可以防止动力电池过充或过放，并且通过内部测量传感器所采集到的单个电芯的电压值和温度值变化，实时监控高压系统的绝缘状态是否正常等。除此之外，在新能源汽车日常使用方面，同样需要车主时刻关注动力电池安全。比如，避免车辆长时间与充电桩连接，减小因过充带来的动力电池热失控安全风险；驾车过程中尽量避免频繁急加速或急减速，因为这样可能会导致动力电池温度过高。一旦出现动力电池过热报警时，应停车给电池降温，待过热警示灯熄灭后再继续行驶。如果电池过热报警或电池故障警告灯常亮，应请专业人员及时排除故障，非专业人员严禁自行拆装电池组，以免造成人身伤害。总结：动力电池安全性是复杂的系统性问题，涵盖电池选材、制造工艺、安全测试以及日常使用等多方面因素。在国家相关标准的指导下，电池厂商和整车厂更加明确了动力电池安全性的目标，通过不断优化电芯材料、制造工艺和软件算法，同时加大测试力度和测试难度，使得动力电池安全性取得了长足的进步，新能源汽车整车可靠性也得到了进一步提升。而作为车主，同样不能忽视日常使用对动力电池安全性所造成的影响，建议大家养成良好的用车习惯，共同营造环保、节能、安全的新能源汽车使用环境。