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动力电池测评技术支撑新能源汽车高质量发展

盖世直播 2022-11-24 14:32:12

新能源汽车正处于高速发展期,但频频发生自燃等安全事故,与燃油车相比呈现出新的安全特点。

2022年11月16日,由盖世汽车主办,上海虹桥国际中央商务区管委会、上海闵行区人民政府指导,上海南虹桥投资开发(集团)有限公司协办的2022第二届汽车动力电池论坛上,中国汽研检测事业部赵志伟博士举例表示,2020年发生新能源自燃事故134起,事故高发期为6-9月,集中于高温季节,事故起因中,电池热失控占比65%,还有碰撞、浸水等原因。

因此,电池安全的关注度与日俱增,企业与机构都需要从测试端切入,排除可能的安全性障碍和不稳定因素。赵志伟博士介绍,现阶段的动力电池测试项目已经覆盖单体电池-模块-PACK三层级,覆盖电性能、可靠性、安全性等诸多方面。中国汽研立足于分析事故原因、还原事故场景,建立了较完善的动力电池安全测评体系。

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赵志伟 博士 | 中国汽研检测事业部

以下为演讲内容整理:

新能源汽车消费市场现状

据统计,2021年中国新能源汽车销量达到354.5万辆,2022年1-9月份我国新能源汽车的销量达到456.7万辆,全年有望达到600万辆。

同时,根据中消协统计,新能源汽车及零部件的投诉量也在大幅提升,与新能源汽车的推广和保有量持续增加存在强相关的关系。2021年涉及新能源汽车的投诉涨幅十分明显,并且呈现举证难、维权难的特点。常见的投诉包括冬季续航里程衰减、充电速度减慢等等。

新能源汽车的自燃和起火事故多有发生,引发了整个社会对动力电池安全的空前关注。2020年5月,国家市场监管总局批准发布了《电动汽车安全要求》,《电动客车安全要求》以及《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准法规,这一系列标准的发布和实施将进一步推动技术的进步,提升行业整体安全水平,保障人民群众生命财产安全。

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图片来源:中国汽研

这是我们统计的2020年新能源汽车火灾事故的数据和分析。由于新能源汽车正处在高速发展时期,因此相关的自燃安全事故也时常发生,且与传统的燃油车相比呈现出安全新特点。

根据网络信息,2020年新发生新能源汽车自燃事故134起,多发生于6-8月高温季节,在自燃事故的原因中电池热失控的占比高达65%,其他占据靠前位置的原因还有碰撞、进水等原因导致的热失控。

从车辆的性质上看,事故车辆多为营运性质的车辆,占比75%。从车辆类型来看,乘用车占比为80%。我们认为,这与乘用车的推广量有关,由于乘用车基数大,因此问题数量相对也更多一些。

从事故场景上看,安全事故发生的场景主要是充电和充电后的静置状态,其次是使用状态。最后从事故后果来看,造成人员死亡的为1起,人员受伤为3起。

2021年我们根据应急管理部数据进行统计,2021年共发生3000多起新能源汽车火灾事故;2022年一季度公布的数据显示新能源汽车着火数量约为600多起,同样处在高位水平。

从火灾事故具体的分析上看,整体特征都较为相似。事故发生场景仍然主要为充电及充电后的静置,其次是行驶状态。且已知的事故车辆中,动力电池SOC 85%以上的占比达到75%,换言之即在高SOC的情况下,更容易发生安全事故。

从车辆的用途上看,营运性质的车辆仍占主要部分,我们推测这可能和营运性质车辆的使用工况更恶劣有关。从事故类别来看,乘用车仍占据最主要的部分。

新能源汽车动力电池安全测评技术

保证产品的安全设计是开发的核心部分,同时对其进行测试评价、验证也是必不可少的环节。

目前动力电池的测试项目覆盖了单体电池-模组-PACK三个层级,覆盖维度包括电性能、可靠性、安全性等诸多方面。随着电池的快速发展,测试评价标准也在逐渐完善,目前已经形成了基于各种国际标准、国家标准、行标、团标等较完整的测试评价体系。

动力电池的安全保障是电动汽车的使用中相对核心的因素,由于目前来看动力电池引发的新能源汽车安全事故是不可避免的,因此我们更加需要对现在的动力电池测评体系进行补充和完善,通过测评防止问题产品流入市场。中国汽研立足于分析事故原因、还原事故场景,建立了较完善的动力电池的安全测评体系。

下面介绍几个相关项目,首先是电池一致性的测试规程。我们将测试对象选定为电池系统,采用环境温度,在测试中采用1/3C转1/4C充电的方式,1/3横流放电的模式,同时读取电池内部信号,记录在电池充放电过程中所有最小监控单元的电压和温度等数据。

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图片来源:中国汽研

针对所采集的数据,我们按照规程要求进行电压一致性、温度一致性、内阻一致性以及容量一致性四个维度的分析。每一项指标的得分和权重计算如同表格所示,详细的计算规则可以参考已发布的测评规程。

在电池包防水测试规程中,我们模拟了车辆在遭遇长时间路面振动以及障碍物冲击后导致的电池包外壳密封性损坏情况,在雨天、洗车场景下电池包进水导致短路的安全风险,测试对象仍然是电池包。我们首先将电池包调整至不低于50%的SOC状态,按照国标GB 38031的振动和机械冲击方法,进行振动和冲击的串联测试。完成预处理后,我们将电池包置于防水测试台上,按照GB/T4208中的方法进行IPX9测试,最后进行拆解,对电池包内部结构的完整性、电池包的电气性能和绝缘性进行检测。测量维度包含外观、是否起火爆炸,是否有冷却泄露、有无进水现象,以及绝缘电阻是否正常等。

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图片来源:中国汽研

在高低温充电的测试规程中,我们通过模拟车辆在高低温环境下进行直流充电的场景,进而评估在这种环境下充电过程中电池系统的热管理和充电效率。我们按照常温充电-高温充电-低温充电的顺序进行测试,对应实际使用场景中的夏季、冬季和春秋季节。每次充电前,我们会先按照18386的要求对电池进行放电处理,将车辆在室温下搁置一个小时,在浸车12小时以上后,我们会保证电池系统温度和我们设置的环境温度能够达到平衡。

在正式测试时我们会连接充电桩,在用时最短的充电策略下进行充电,同时记录充电桩和车辆之间的通讯报文,包括单体最高与最低温度、充电桩充电电量、充电电压和电流、电池电荷状态和充电时间等参数。

针对高低温充电的评价,由于高温季节出现问题的概率较大,因此高温充电评分占总分数的60%,低温评分的分值只占40%。我们评分的标准包含热管理的温升和温差,以及充电效率方面的充电速率、充电电量比以及充电经济性等指标。

第三部分是电池包的底部碰撞。当前无论SUV还是轿车的电池包都位于车辆底盘,因此电池包在车辆运行的过程中极有可能遭受冲击,或可能由挤压产生形变。在底部的球击测试中我们更多关注低压产生形变对电池包安全性的影响。

底部球击通常在常温环境下进行,首先我们将电池包调整至不低于50%的SOC状态,用撞击面为150mm的实心半球对电池包的安装点区域内进行静态挤压,我们要关注的评价指标同样包含否决项和得分项两大指标,否决项主要为起火爆炸的情况,后续根据电池包的形变和绝缘阻值的变化对电池包的状态进行评分。

除了静态挤压,还有动态的冲击,我们将动态的冲击设置为托底和刮底两种工况。我们自主开发了专门的设备进行托底测试,同样要求整个电池SOC状态不低于50%。

我们在开发这种测试方法的过程中得到了中国汽车工程学会的支持,《纯电动乘用车底部抗碰撞能力要求及实验方法》标准于2021年底正式发布,目前已行业内产生一定影响力。评价方面,我们按照前刮、后刮、托底三种工况进行措施评价,评价指标包含是否起火爆炸、绝缘、泄露等。

接下来介绍一下前面测评规程得到的测试结果。首先是电池的一致性方面,温度一致性得分差异与冷却方式相关性强,液冷的方式明显优于自然冷却方式。

高低温充电的测试结果显示,低温充电功率限制更有利于保障充电安全。

底部球击测试方面,底部壳体强度高、底部高于副车架的得分较高,电池底部壳体刚度差异较大,低于电池包的副车架对电池有较大保护作用。

新能源在用车动力电池测评技术探究

标准法规更多是针对新电池的状态进行评估,但针对已经在市场上运行的车辆,电池安全应如何进行评估?对此,中国汽研针对在运行纯电动汽车动力电池的安全和健康两大核心痛点开展了很多研究。

在安全问题方面,安全隐患的预测较为困难,起火事故时有发生。

此外,电池健康也是消费者普遍关注的问题。目前在用车的电池健康状态还是存在难以评估、续驶里程衰减、残值无法评价等问题。针对这些痛点亟需开发面向在用车动力电池的专用检测设备,能够准确对动力电池进行评估,从而满足车主车企4S店保险二手车评估各方面的需求,降低车辆使用环节的风险以及评估成本。

中国汽研结合以上需求,开发了线上+线下结合的检测技术体系。线上检测主要是利用检测模型算法对新能源汽车历史数据进行评估,包含电池健康、单体电压的一致性、内阻的一致性、电池安全、单体故障、连接异常、电机电控的异常等。在线下检测部分,我们利用充电检测装备对车辆的电池安全性和性能进行检验,通过电池的充电接口,输入特定的充电工况,并采集充电口和OBD端的数据,利用我们开发的检测模型和算法对电池的安全以及健康状态进行检验,最终得到一个综合的检测结果。

在这方面,中国汽研开发了专业的检测平台,首创线上+线下的检测模式,实现高度的集成和灵活的部署。此外,我们还开发了充电检测设备、便携式检测设备等算法和设备,能够实现5分钟的快速检测。最后,我们的核心是依托大数据和检测数据的智能算法,针对在用纯电汽车的充电检测提供系统性解决方案。目前我们已针对16家主流车企完成了25款车型的实车测试验证。

随着动力电池不断发展,新能源汽车的安全问题需要高度重视。对于动力电池的安全测试和评价技术仍需持续优化和迭代,我认为我们可以从三个方面来提高新能源汽车的动力电池安全测试水平:

第一,关注动力电池全工况、全生命周期的安全。我们需深度分析事故原因,开发新的动力电池安全测评方法;调研实际运行工况,制定科学合理的测评条件;并研究动力电池老化后的安全性及其演变规律。

第二,以整车为载体进行测评。在整车的状态下对电池安全性进行评价,并结合整车使用场景持续开发新的测评项目。

第三,适应动力电池新技术的发展。加强对新化学体系,无钴正极、固态电池、钠离子电池、锰酸锂电池等技术的研究;在新结构方面,无模组电池、刀片电池、C2C等新的结构也在不断进行演变,我们也需持续开发新的测试评价规范,以适应新技术的发展,持续支撑新能源汽车的高质量发展。

(以上内容来自中国汽研检测事业部赵志伟博士于2022年11月16日由盖世汽车主办,上海虹桥国际中央商务区管委会、上海闵行区人民政府指导,上海南虹桥投资开发(集团)有限公司协办的2022第二届汽车动力电池论坛发表的《新能源汽车动力电池测评技术发展》主题演讲。)

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