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国标再升级,车企如何保证电池“不起火、不爆炸”

36氪汽车  · 公众号  ·  · 2024-09-26 17:16

正文

当“不起火、不爆炸”成为新国标,电池依旧安全吗?


电车起火的原因有很多,各种角度的机械碰撞,超出常规的电池滥用,不一而足。车企与电池企业已经在防火上费尽心思,但总有极端例子超出了车辆本身的开发工况。

随着新能源车保有量越来越多,电池安全问题的关注度也变得更大,想要更广泛的解决问题,仅靠车企与电池企业努力是不够的,政策端也应该不遗余力。

近期,工信部发布了GB 38031 《电动汽车用动力蓄电池安全要求(《征求意见稿》)》,一改上一版国标的留给乘客5分钟逃生时间,将“不起火、不爆炸”升级为国家强制性标准。

这与一些在研发初期就注重电池安全的车企不谋而合,比亚迪的刀片电池就是最好的例子。

2020年,刀片电池横空出世,顺利通过针刺实验。消费者也第一次用肉眼直观的感受到了新能源车的安全性。

如今,搭载刀片电池的车型已经月销三十余万台,比亚迪也成为了新能源车全球销冠。在比亚迪的带动下,以安全为卖点的电池产品不断出现。

但问题是,在《征求意见稿》的要求下,这些产品依旧能够出色吗?

当下的新能源车市场竞争日趋激烈,在赢得竞争的同时,如何保证电池安全,是每一家车企难以逃避的拷问。


「“不起火,不爆炸”,成为强制性标准?」

电车自燃,是新能源车行业最为敏感的禁忌话题。由于起火事故千奇百怪,很多案例无法溯源,因此除了极个别情况有官方通报以外,车企和消防部门都不会公开详细的调查报告。

但随着新能源车渗透率愈发深入,对于起火的忧虑始终是消费者从油车转向电车的心理障碍,电池又是其中的关键。在电池技术突破的同时,法规层面也要逐步完善。

2020年,中国新能源车渗透率首次超过5%的关键转折点,达到5.4%。我国新能源车产业正式跨过导入期,迈入成长期。

这一年,我国发布了GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》、GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》等首批三项新能源汽车的强制性国家标准。

其中GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》是专门针对动力电池设立的标准。

该标准取消了电池单体针刺试验,仅作为单体热失控的触发条件,并增加电池系统热扩散试验,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。

这一标准于2021年正式实施,这也意味着新能源车行业对于整车安全的认识由单体安全转向系统安全,也就是说单体针刺是否通过已不重要,关键要看单体热失控后是否可以及时控制蔓延,单体热失控和系统热扩散的概念被区分开来。

车企和电池企业正是基于热扩散实验,将隔热用的气凝胶和云母片等材料大规模的用于电池系统之中。这样的设计让新能源车销量即便呈爆发式增长,但社会上的起火事件仍在可控范围之内。

电芯生产现场
到了今天,2024年上半年,中国新能源车市场渗透率已经来到了35.2%,国家强制性标准再一次升级。

5月27日,工业和信息化部发布GB 38031 《电动汽车用动力蓄电池安全要求(《征求意见稿》)》(以下简称“《征求意见稿》”)

《征求意见稿》在既有标准基础上进一步加严了对动力电池热扩散测试要求,强调动力电池系统在电池单体热失控情况下的防护能力,将热扩散要求从“起火、爆炸前5分钟报警”提升至“不起火、不爆炸”。并且在热失控触方式上,增加内加热触发作为推荐方式之一。

《征求意见稿》的出现, 意味着所有在路行驶的新能源车,都应该做到电芯热失控后,仍能“不起火、不爆炸”。这对能量密度更大,活性更高的三元锂电池来说,尤为苛刻。但对磷酸铁锂电池来说,则较为容易做到。

工信部有数据显示,截止至2024年2月,已有78%的企业已具备“不起火、不爆炸”技术储备。这一数据的现实基础是,今年上半年,我国动力电池累计装机量为203.3GWh,其中,磷酸铁锂电池占总装机量的比例达到了69.3%。

比亚迪刀片电池由于空间利用率提高,使得单体电芯能量密度为180Wh/kg的磷酸铁锂电芯,装配成电池包后系统能量密度仍有140Wh/kg,搭载刀片电池的比亚迪汉,在通过电芯针刺实验的基础上,仍实现了超过600公里的续航。

正是看到刀片电池的性能,新能源车行业开始重新审视磷酸铁锂这一材料体系,再加上近两年的锂价波动,以及车市价格战等多重因素,磷酸铁锂已经成为当下的主流,这也为《征求意见稿》的发布,奠定了基础。


「刀片电池,仍能“安”天下」


谈及刀片电池,就不得不提及针刺实验。这是一个在300多项电池安全检测试验中,被公认为最严苛、最难达成的测试项目。

针刺实验的过程并不复杂,先把电芯充满电,再用一根耐高温的钢针将其垂直刺穿,钢针停留在电芯中观察1小时,如果能做到不起火、不爆炸就算合格。

2020年初,比亚迪的刀片电池顺利通过针刺试验,引发行业热议。从单体针刺试验结果来看,三元锂电池剧烈燃烧,表面温度超过500℃;而比亚迪磷酸铁锂刀片电池无明火、无烟,表面温度30℃-60℃。

比亚迪做针刺试验的核心目的就是要让电池内短路,以便观察电池的热失控情况及制定更好的安全防护策略。
当然,比亚迪也公开过热扩散实验的相关资料。比亚迪强制引发位于电池包中间的电芯热失控,该电芯最高温度约为350℃,此时邻近位置的电池温度仅有80℃,刀片电池只出现了冒烟现象,既没有着火也没有爆炸。

这也意味着,刀片电池在2020年发布之时,就已经考虑到了更深层次的系统层级要求。当然,这也跟比亚迪的安全设计相关。

磷酸铁锂材料体系本身就产热较少,再加上长薄刀片型的电池设计,天生散热较快,这让刀片电池在发布之初就已经具备了较好的对热扩散控制能力。

但磷酸铁锂材料的低温性能相对较弱,为了提高刀片电池低温性能,比亚迪在热管理系统方面做了很多改进。

比如在电池包的结构设计上增加保温材料,在热管理系统外侧再布置一层保温棉等。再加上比亚迪专有的智能双环流电池直冷直热技术,比亚迪专门为磷酸铁锂打造了一个热管理系统,以此来提高刀片电池的冬季使用性能。

比亚迪的刀片电池系统

除了电池热管理系统设计,比亚迪也着重于电芯间超级吸热材料的专利布局,如《冷却组件以及具有其的电池包以及车辆》(申请日:2023.02.28)、《吸热组件、电池模组、电池包及车辆》(申请日:2023.02.28)、《包体,电芯之间设置相变件》(申请日:2023.02.27)等专利。

比亚迪在电池系统中导入高吸热材料、相变件,通过吸热+隔热等组合方式抑制热扩散,进一步降低动力电池包产生热扩散的风险,提高动力电池包的安全性与可靠性。

这是如今动力电池都在追求的技术方向,尤其是在快充的趋势下,吸热与隔热材料更为重要。

比亚迪的专利信息透露,其相变填充材料主要为亲液性高分子材料和液态相变介质,和骨架组成的冷却组件具备不易发生形变,散热效率高,散热响应快,排气效果好等特点。

据介绍,该技术的关键点在于采用高吸热材料,并利用该材料的气化潜热,使得电芯间吸热能力极大提升,可以完全吸收一个电芯热失控传递到下一个电芯的全部热量,从而有可能解决多个电池热失控以及极端工况下多节电池被破坏导致的热扩散问题。且技术方案能够覆盖全部电芯尺寸与不同电芯体系。






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