GB 38031與美國動力蓄電池標準中關(guān)于機械安全試驗的差異分析

吳廣順,鄭義，李真鐵

(天津內(nèi)燃機研究所,天津 300072)

0 引言

為了適應(yīng)越來越嚴格的環(huán)保要求，新能源汽車尤其是電動汽車已經(jīng)成為未來汽車的發(fā)展方向[1]。電動汽車在歐洲、美國和日本得到了快速發(fā)展，美國汽車制造商特斯拉于2020年交付了50萬輛電動汽車，成為全球最大電動汽車制造商。在中國制造2025和汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃的指引之下，純電動汽車在我國也得到了迅速發(fā)展[2]。

動力蓄電池是關(guān)系到電動汽車安全的重要部件，必須經(jīng)過一系列安全測試，才能在電動汽車上應(yīng)用[3-4]。而鋰離子電池憑借其高比能量、高比功率以及使用壽命較長等方面的優(yōu)點，在電動汽車市場中占據(jù)了支配地位。本文作者對中國和美國電動汽車動力鋰離子電池標準中涉及的機械安全測試項目進行了分析和歸納，對標準中存在的問題進行了探討。

1 電動汽車用動力蓄電池的測試標準法規(guī)介紹

電動汽車雖然得到了迅速發(fā)展，同時也暴露出很多由于動力電池導致的起火、爆炸等安全問題，為此各國紛紛制定了相應(yīng)的電動汽車動力蓄電池標準[3-4]。這些電動汽車動力蓄電池標準是保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)，也是規(guī)范市場秩序和推動技術(shù)進步的重要手段。標準中都規(guī)定了相應(yīng)的測試方法，這些安全測試是為了識別電池在非正常狀況時的潛在弱點和脆弱性，并確定電池在惡劣條件下的表現(xiàn)。由于篇幅所限，文中僅討論GB 38031—2020《電動車車用動力蓄電池安全要求》[11]和美國關(guān)于純電動汽車用動力鋰離子動力蓄電池的機械安全測試項目。

涉及電動汽車動力鋰離子電池機械安全測試的美國標準主要包括：UL 2580：2020《安全標準，電動汽車用電池》[5]，SAND 2005—3123：FreedomCAR《電動和混合動力汽車中電動儲能系統(tǒng)濫用測試手冊》[6]，SAE J2464：2009《電動和混合動力電動汽車可再充能量儲存系統(tǒng)的安全和濫用性測試》[7]，SAE J2929：2013《電動和混合動力蓄電池系統(tǒng)安全標準-鋰基可充電電池》[8]。

為了適應(yīng)國內(nèi)電動汽車及動力蓄電池的發(fā)展，2015年國家標準化委員會頒布了一系列標準，其中涉及電池安全測試的標準包括GB/T 31485—2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》[12]、GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)包和測試規(guī)程第3部分安全性要求與測試方法》[13]。隨著電動汽車及動力蓄電池技術(shù)的發(fā)展，2016年國務(wù)院強調(diào)五大安全體系建設(shè)，其中包括建立新能源汽車安全的法規(guī)體系建設(shè)。動力蓄電池作為電動汽車的重要部件，與車輛安全密切相關(guān)，有必要建立相應(yīng)的安全強制標準。2020年5月國家標準化委員會發(fā)布了GB 38031—2020《電動車車用動力蓄電池安全要求》[11]，代替GB/T 31485—2015和GB/T 31467.3—2015，并于2021年1月1日實施，使電動汽車動力蓄電池標準上升為國家強制標準。該標準是基于對近幾年電動汽車安全事故的經(jīng)驗總結(jié)，同時基于對國內(nèi)外電動汽車安全失效與方法機制的進一步理解，并充分考慮國內(nèi)外相關(guān)標準的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)。GB 38031—2020在制定過程中主要與ECE R100、ISO 6469—1、IEC 62660—3:2016等最新的電動汽車動力蓄電池標準進行對標，但基本未涉及美國標準。

2 動力鋰離子電池機械安全測試分析

動力鋰離子蓄電池必須通過一系列安全測試，滿足相應(yīng)的標準，才能在電動汽車中使用。測試標準中的一些測試是用于評估動力蓄電池在非正常狀況的表現(xiàn)，如擠壓、針刺、翻轉(zhuǎn)、跌落等，在這些情況下是否會產(chǎn)生熱失控，熱失控可能給車輛乘員帶來巨大風險。文中主要分析討論中美關(guān)于動力鋰離子蓄電池作為純電動汽車零部件的機械安全測試的標準和法規(guī)，未涉及汽車整車的測試標準及法規(guī)。根據(jù)被測對象的不同，將被測對象分為電池單體(C)、電池模塊(M)、電池包或系統(tǒng)(P)[5,7-8,11]。表1總結(jié)了電動汽車用動力鋰離子電池相關(guān)的美國標準和國標規(guī)定的最常見的機械安全性能測試項目。其中有的國內(nèi)標準規(guī)定：在某些情況下，可以根據(jù)制造商和客戶之間的協(xié)議進行試驗。

表1 動力鋰離子電池機械性能測試項目

GB 38031—2020將“不著火”“不爆炸”“不破裂”“不泄漏”作為試驗通過的接收準則[11]。SAE J2464：2011和FreedomCAR：2005將試驗后的動力蓄電池的危害程度劃分成8個等級，第0級為沒有影響、沒有功能損失，第7級未爆炸[6-7]。此分級標準與歐洲汽車研究與技術(shù)發(fā)展委員會(EUCAR)的蓄電池危害分級評價標準一致。UL2580：2020將蓄電池試驗后的不合規(guī)情況分為8種，又與SAE J2464：2011和FreedomCAR：2005有所不同[5]。

2.1 翻轉(zhuǎn)測試

翻轉(zhuǎn)測試也稱為旋轉(zhuǎn)測試，它模擬可能在事故中發(fā)生的車輛傾覆。表2列出了不同標準和法規(guī)的試驗參數(shù)的比較。試驗時，將電池模塊或電池包緩慢旋轉(zhuǎn)(例如360(°)/min)，以評估是否存在以下情況：任何泄漏(例如電池電解液，冷卻液)或通風孔。然后將被測對象以90°的增量旋轉(zhuǎn)一次，在每個位置停留1 h再旋轉(zhuǎn)一整圈[5-8]。不同測試標準和法規(guī)測試方法基本一致，但旋轉(zhuǎn)步長增量、每個位置觀察時間有所不同。盡管翻車事故時有發(fā)生，但翻車事故在我國交通事故中的比重較低。另外，翻轉(zhuǎn)試驗并不能準確模擬實際車載狀態(tài)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)事故時電池包或系統(tǒng)經(jīng)受的真實情況，這些可能是GB 38031未將旋轉(zhuǎn)測試納入標準中的原因。

表2 翻轉(zhuǎn)測試

2.2 振動測試

車輛在正常行駛過程中都會發(fā)生振動，但振動可能會傷害電池，因此所有標準和法規(guī)都包含了振動試驗。試驗的目的是從耐久性、確定設(shè)計缺陷的角度來評估長期振動對電池的影響。標準和法規(guī)中使用的振動曲線為正弦波和隨機振動曲線。正弦掃頻測試通常用于識別產(chǎn)品共振，而隨機振動則模擬了被測對象會經(jīng)歷的日常行駛中的情況。表3列出了不同標準和法規(guī)的試驗參數(shù)的比較。

表3 振動試驗測試

GB 38031—2020的振動曲線是通過建立振動試驗與車輛實際道路行駛狀況之間的關(guān)聯(lián)獲得的，代表了我國電動汽車實際行駛中電池包或系統(tǒng)的振動水平[11]。SAE J2929：2013、UL 2580：2020和FreedomCAR：2005標準中的隨機振動都選擇了SAE J2380：2009 中定義的隨機振動曲線，相當于車輛正常使用160 934.4 km(100 000英里)[9]，但SAE J2464標準對振動不要求測試。美標中的振動曲線都是從適用于傳統(tǒng)常規(guī)燃油車輛選取的，并不是專門針對電動汽車電池的，不能作為電池壽命的機械耐久性測試[9]。而且由于測試條件不能代表電池及其在車輛中的位置，因此該試驗與評估電池在行駛條件下的振動不相關(guān)。中美標準在振動測試中的試驗條件相差較大，側(cè)重點也不盡相同，很難對試驗結(jié)果進行橫向比較。

2.3 機械沖擊測試

機械沖擊測試旨在評估車輛突然加速、減速以及發(fā)生碰撞時電池的堅固性。在試驗期間，被測對象會承受標準中規(guī)定的由加速度和沖擊持續(xù)時間定義的沖擊力。從電動汽車正常使用中的駕駛，緊急情況下的加速、減速，以及行駛中軋到路緣石上，到車輛撞車等。如表4所示，各種標準規(guī)定中的測試條件(方向、峰值加速度、持續(xù)時間等)有很大的差異。FreedomCAR標準將沖擊測試分為低級(對DUT無損壞)和中級(在測試后DUT可能無法使用)[6]。盡管所有考慮的標準和法規(guī)都要求半正弦波，但FreedomCAR還允許其他脈沖形狀，這些形狀將可能更精確地模擬實際的沖擊情況。SAE J2464：2009和SAE J2929：2013遵循UN 38.3：2015運輸法規(guī)，是所有標準和法規(guī)中要求最嚴格，即小于0.5 kg的電池的峰值加速度(150g)，對于較重的系統(tǒng)，條件有所放寬[7-8]。我國的標準中GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》只對電池包和系統(tǒng)僅要求在z軸方向沖擊3次，是要求這些標準和法規(guī)中要求較低的[11]。但又在模擬碰撞試驗中規(guī)定了在x向、y向進行沖擊試驗，沖擊時間也是這些標準中較長的[11]。

表4 機械沖擊測試

這些標準和法規(guī)中定義的沖擊參數(shù)是從常規(guī)汽車測試中提取的，對于電動汽車而言，安裝在車輛中的電池由于有殼體、車架和底盤等的保護，其所經(jīng)歷的加速度可能會有所不同。

2.4 跌落測試

跌落測試模擬了從電動汽車上卸下電池或?qū)⑵浒惭b到電動汽車中時意外掉落的情況。表5列出了對跌落表面類型、跌落高度和電池荷電狀態(tài)(SOC)的要求。在測試過程中，讓被測設(shè)備(被測對象)掉落在剛性平坦的表面(例如混凝土地面)上或掉落在鋼制的圓柱形物體上[5-8]。該圓柱形物體的形狀應(yīng)該代表電線桿或類似物體。跌落高度在各種標準和法規(guī)中變化很大。因此，可以預(yù)期測試的結(jié)果會有所較大差別。雖然在電池包或系統(tǒng)生產(chǎn)、安裝、運輸過程中可能發(fā)生跌落的情況，但GB 38031—2020標準并不適用于生產(chǎn)、安裝、運輸過程，因此未包括跌落測試[11]。

表5 跌落測試

2.5 擠壓測試

在擠壓測試中，施加的擠壓力模擬了車輛事故或任何可能損壞電池盒并導致其變形的外部負載力。在試驗中，將通常帶有紋理或有肋的電絕緣板向下壓到電池上，直到達到一定的壓縮程度(例如壓縮到85%)，在5 min后繼續(xù)破碎至初始尺寸的50%或直至觀察到突然的電壓降(例如，降低原始電池電壓的1/3)[5-8,11]。通常使用兩種標準化的擠壓壓盤，即A型和B型。通常，對于電池單體水平測試(圓柱或棱柱形)一般采用A型壓盤。對于電池模塊或電池包，通常建議使用B型，GB 38031—2020對于電池包或系統(tǒng)的壓盤提供了A型、B型兩種選項[11]。

SAE J2464和FreedomCAR在擠壓試驗中施加的力為電池質(zhì)量的1 000倍，但可能存在小于電池質(zhì)量1 000倍的最大作用力可能不足以實現(xiàn)所需的壓縮(例如電池尺寸的50%)的情況[6-7]。SAE J2929和GB 38031對于電池包或系統(tǒng)則要求具有固定的力(例如100 kN)，與被測電池的尺寸無關(guān)[8,11]。

不同標準和法規(guī)施加的擠壓力、擠壓速度、擠壓方向、最終擠壓變形量等有較大差別，不同試驗之間的試驗結(jié)果可能不具有可比性。

另一個需要引起關(guān)注的方面是動力蓄電池作為汽車零部件測試和其在整車上的測試結(jié)果之間的可比性。對現(xiàn)實中關(guān)于車輛事故中在選定位置發(fā)生變形的研究表明，最大接觸載荷通常小于100 kN。在零部件和車輛整車上對被測對象施加的壓緊力可能不具有可比性，因為在整車上，電池具有底盤和電池外殼提供的額外保護。此外，由于實際的事故具有動態(tài)性，即電池朝著撞擊區(qū)域移動，這與防撞板朝著靜態(tài)電池移動的零部件級別的測試不同。

表6 擠壓測試

2.6 針刺測試

針刺測試會導致電池中引起機械和電氣損壞，試驗是由一根尖銳的鋼棒以一定的恒定速度穿過電池。盡管測試的結(jié)果是短路，但是這種短路是機械引起的，因此針刺通常被分類為機械測試而不是電氣測試。當穿透電池單體并破壞隔板和電極的完整性時，就會產(chǎn)生短路并因此釋放熱量。由于變形局限于相對較小的區(qū)域，因此散熱受到很大限制，從而產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象。

根據(jù)被測對象不同，穿透深度、穿刺速度和穿刺針的尺寸在不同標準中有所不同。大多數(shù)情況下，對于電池單體需要一根直徑為3 mm鋼棒，而在電池模塊、電池包或系統(tǒng)級別需要一根直徑為20 mm或3～8 mm的鋼棒[6-7,11]。對于電池單體，穿透深度至少要穿過整個電池。對于電池模塊和電池包，要穿過3個電池單體或者至少100 mm[7]。在所有情況下，鋼棒在測試后的觀察期(例如1 h)內(nèi)都保持在原位。對于FreedomCAR：2005則未明確提及[6]。

GB 38031—2020標準中將針刺試驗放在熱擴散試驗中，標準中將針刺試驗作為熱失控觸發(fā)方法之一，可能是認識到現(xiàn)有的針刺試驗方法在可重復(fù)性、可再現(xiàn)性等方面還需進一步完善。熱失控觸發(fā)方法的討論仍在持續(xù)進行。因此，在GB 38031標準的附錄C中，關(guān)于C.3.4.4技術(shù)文件，制造商可根據(jù)各自產(chǎn)品特點與設(shè)計分析，自行提供試驗程序，也可參考附錄C.4所述程序[11]。

由于針刺試驗不能完全代表現(xiàn)實情況下可能發(fā)生的事件，且測試并不能代表發(fā)自內(nèi)部的短路，有很多參數(shù)會嚴重影響測試結(jié)果(如穿刺針的速度、穿刺針的尺寸、穿刺針材料的質(zhì)量和成分、電池的SOC等)，同時該測試存在可重復(fù)性、可再現(xiàn)性等問題。可能正是基于以上原因，UL 2580和SAE J2929沒有將針刺試驗列入標準中[5,8]，如表7所示。

表7 針刺測試

2.7 浸水試驗

浸水試驗是為了評估電池浸入水中或安裝在車輛底部的電池組件被部分淹沒的情況,評估電動汽車遭受洪災(zāi)和水淹是非常重要的。每年的雨季，有很多汽車會被水全部或部分淹沒,并可能導致電池發(fā)生短路、起火甚至爆炸。因此浸水試驗是非常必要的。

表8列出了中美標準中浸水試驗測試條件和要求。

表8 浸水試驗測試條件和要求

為了執(zhí)行此項測試，將電池完全浸入25 ℃的類似于海水(例如3.5%NaCl水溶液)的鹽水中至少1～2 h或直到任何可見的現(xiàn)象發(fā)生(例如氣泡)[5-8,11]。FreedomCAR：2005 中也建議浸入其他液體中，例如發(fā)動機冷卻液或燃料[6]。

GB 38031—2020明確被測對象為經(jīng)過振動試驗后的電池包或系統(tǒng)[11]。可能是考慮到振動試驗后引起螺栓的松動、密封材料的永久變形等問題，這些問題會直接導致電池包的密封性降低,而電池包的密封性對防水安全有重要影響。因此有必要在振動試驗通過后，進行浸水安全試驗。試驗方法可以從對應(yīng)的泡鹽水2 h及清水兩種方法中選擇一種。

3 結(jié)論

文中對比分析了不同美國標準與GB 38031—2020對電動汽車用動力鋰離子電池的機械安全性能測試項目，比較這些標準描述的試驗方法所采用的測試參數(shù)和條件，得出以下結(jié)論：

(1)GB 38031—2020對動力蓄電池試驗結(jié)果的判定依據(jù)較寬泛和單一，將“不著火”“不爆炸”“不破裂”“不泄漏”作為試驗的接收準則。SAE J2464：2011和FreedomCAR：2005將試驗后的動力蓄電池的危害程度劃分成8個等級。此分級標準與歐洲汽車研究與技術(shù)發(fā)展委員會(EUCAR)的蓄電池危害分級評價標準一致。UL2580：2020將蓄電池試驗后的不合規(guī)情況分為8種，又與SAE J2464：2011和FreedomCAR：2005有所不同。由此可以看出，美標對結(jié)果判定相對更科學一些。

(2)不同美國標準與GB 38031—2020在檢驗項目上也有較大差別，可能是不同標準的側(cè)重點不同。這些標準規(guī)定的測試要求和方法基本上是借鑒常規(guī)燃油車輛的法規(guī)要求。顯然，需要針對電動汽車進行更多分析和數(shù)據(jù)評估，以涵蓋電動技術(shù)的特殊性。

(3)由于不同標準試驗要求的測試條件和參數(shù)不盡相同，有些甚至差別很大，這使得不同標準和法規(guī)獲得數(shù)據(jù)的可能不具有可比性。由于最壞的情況通常對應(yīng)于最大SOC，因此在這種情況下執(zhí)行相關(guān)試驗是合乎邏輯的?；旧纤袠藴室呀?jīng)要求100%SOC，但是GB 38031—2020的振動試驗只要求不小于50%SOC進行測試。測試條件參數(shù)的差異可能是由于標準制定者所考慮的場景不同。為了進行公平和等效的測試，建議將試驗的測試參數(shù)、條件等統(tǒng)一。

(4)電池單、體模塊和電池包的組件測試可能相互之間不具有可比性。對于擠壓試驗，當對不同尺寸的被測對象施加單一的壓緊力和壓緊板時，可能會對測試結(jié)果產(chǎn)生類似的影響。在車輛整車測試中，電池具有底盤和電池外殼提供的額外保護。此外，由于實際的事故具有動態(tài)性，即電池朝著撞擊區(qū)域移動，這與防撞板朝著靜態(tài)電池移動的零部件級別的測試不同。