Entwicklung, aktueller Stand und Perspektiven der Sicherheitsstandards für Antriebsbatterien in China
Autoren: Ji Ran, Li Hongwei
China Automotive Technology & Research Center, China-Auto Data Co., Ltd.
Als Energiequelle für Elektrofahrzeuge darf die Sicherheit von Antriebsbatterien nicht vernachlässigt werden. Zusammensetzung und Reaktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien bergen gewisse Gefahren im Betrieb: Der Elektrolyt besteht hauptsächlich aus organischen Lösungsmitteln, die meist brennbar und explosiv sind. Tritt Elektrolyt durch äußere Einwirkungen oder andere Ereignisse aus, besteht Brand- und Explosionsgefahr, wodurch die Fahrzeuginsassen gefährdet werden. Während des Lade- und Entladevorgangs neigen Lithium-Ionen dazu, sich an der Elektrodenoberfläche abzulagern und Dendriten zu bilden. Wachsen diese Dendriten weiter, können sie den Separator durchdringen und lokale Kurzschlüsse verursachen, was schwerwiegende Folgen wie ein thermisches Durchgehen zur Folge haben kann. Aus diesem Grund hat China seit dem Jahr 2000 zahlreiche Regeln und Vorschriften für die Batterieentwicklung erlassen.
Die Entwicklung der chinesischen Batteriesicherheitsstandards für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben hat drei Phasen durchlaufen:
Phase 1: 2006 - 2014
Anfang 2000 entwickelte und etablierte die Expertengruppe des chinesischen 863-Programms im Rahmen des Großprojekts für Elektrofahrzeuge den technischen Ansatz der „Drei Vertikalen und Drei Horizontalen“ und legte damit den Grundstein für die Entwicklungsstrategie der chinesischen Industrie für energiesparende und alternative Antriebe. Im Jahr 2006QC/T 743-2006 „Lithium-Ionen-Batterien für elektrische Straßenfahrzeuge“ wurde veröffentlicht und implementiert und liefert Erläuterungen zur Klassifizierung, den Anforderungen und den Prüfmethoden von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Zu den Prüfobjekten von QC/T 743-2006 gehören Einzelzellen und BatteriemodulDie Norm legt die grundlegenden Bedingungen, die elektrischen Eigenschaften sowie die sicherheitsrelevanten Anforderungen und Prüfmethoden für jeden Prüfobjekttyp fest. Zu den in der Norm enthaltenen Sicherheitsprüfungen gehören die elektrische Sicherheit (Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss, Nadelstich), die mechanische Sicherheit (Falltest, Quetschtest) und die Umweltsicherheit (Erwärmung). Der Falltest ist nur für Einzelzellen anwendbar, während die anderen Prüfungen sowohl für Einzelzellen als auch für Module erforderlich sind.
QC/T 743-2006 war einer der weltweit ersten Standards, der Sicherheitsanforderungen für Antriebsbatterien festlegte und in der Anfangsphase der chinesischen Elektrofahrzeugindustrie von großer Bedeutung war. Da die breite Markteinführung von Elektrofahrzeugen zum Zeitpunkt der Veröffentlichung jedoch noch nicht erreicht war und der Branche praktische Erfahrung fehlte, waren weitere Verbesserungen erforderlich.
Phase 2: 2015 - 2019
Im Jahr 2015 belegte China mit einem Fahrzeugbestand von fast 600.000 Einheiten weltweit den ersten Platz in Produktion und Absatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben (NEV). Chinas Markt für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben trat in die Industrialisierungsphase ein. Daher erließ und implementierte China gleichzeitig zwei Standards:
GB/T 31485-2015 „Sicherheitsanforderungen und Prüfverfahren für Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge“
GB/T 31467.3-2015 „Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Elektrofahrzeuge“ AkkuSysteme und Anlagen – Teil 3: Sicherheitsanforderungen und Testmethoden“
Darunter, GB/T 31485-2015 Die Sicherheitsanforderungen, Prüfmethoden und Inspektionsregeln für einzelne Antriebsbatterien und Module wurden festgelegt und erläutert. Die Prüfpunkte für einzelne Batterien und Module waren identisch und umfassten elektrische Sicherheitsaspekte (Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss, Durchstoß), mechanische Sicherheitsaspekte (Falltest, Drucktest) sowie Umweltsicherheitsaspekte (Eintauchen in Meerwasser, Temperaturwechseltests, Unterdrucktests, Erhitzungstests) usw.
GB/T 31467.3-2015 war der erste nationale Standard, der sich speziell mit der Sicherheit von Antriebsbatteriesystemen befasste. Die Prüfpunkte umfassten elektrische Sicherheit (Überladung, Tiefentladung, Überhitzung, Kurzschluss), mechanische Sicherheit (Falltest, Kompression, Vibration, mechanischer Aufprall, Umkippen, simulierte Kollision) und Umweltsicherheit (Eintauchen in Meerwasser, Temperaturschock, Wechsel zwischen feuchter und heißer Umgebung, externes Feuer, Salznebel, große Höhe) usw. Im Vergleich zu GB/T 31485-2015Die Testgegenstände waren umfassender, und die Durchführung dimensionalerer und strengerer Tests am Antriebsbatteriesystem entsprach eher den tatsächlichen Anwendungsszenarien.
Phase 3: 2020 – heute
Bezogen auf GB/T 31485 und GB/T 31467.3,China hat die innovativen Errungenschaften und praktischen Erfahrungen der Entwicklung der chinesischen Industrie für neue Energiefahrzeuge umfassend zusammengefasst und zahlreiche internationale Standards in verwandten Bereichen vollständig koordiniert. Am 1. Januar 2021 GB 38031-2020 „Sicherheitsanforderungen an Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge“wurde veröffentlicht und implementiert. Dies ist der erste verbindliche nationale Standard, der Sicherheitsanforderungen und Prüfverfahren für einzelne Batterien, Module und Antriebsbatteriesysteme umfasst. Er steht vollständig im Einklang mit den globalen Vorschriften der Vereinten Nationen zur Sicherheit von Elektrofahrzeugen (UN GTR 20).
Die Testobjekte von GB 38031-2020Die Prüfungen umfassen einzelne Batterien, Module und Systeme (wobei Module nicht obligatorisch geprüft werden). Die Prüfpunkte für einzelne Batterien beinhalten elektrische Sicherheit (Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss), mechanische Sicherheit (Kompression) und Umweltsicherheit (Temperaturwechsel, Erwärmung). Die Prüfpunkte für Systeme umfassen elektrische Sicherheit (Überladung, Tiefentladung, Überstrom, Übertemperatur, Kurzschluss), mechanische Sicherheit (Kompression, Vibration, mechanischer Schlag, simulierte Kollision) und Umweltsicherheit (Temperaturschock, Wechsel zwischen feuchter und heißer Umgebung, Salznebel, große Höhe, Eintauchen in Wasser, Wärmediffusion). Im Vergleich zur vorherigen Version der Norm… GB 38031-2020 verschärft die Sicherheitsanforderungen an das Antriebsbatteriesystem zusätzlich, was auch dem Branchenkonsens über die Sicherheitsanforderungen an das Antriebsbatteriesystem entspricht:
- Um den Anforderungen der Produktentwicklung gerecht zu werden, werden neue Technologien wie beispielsweise CTP (Zelle zu Verpackung), CTC (Zelle zu Chassis), CTB (Zelle zu Karosserie)Im Bereich der Batterietechnologie haben sich neue Entwicklungen ergeben. Die ursprüngliche dreistufige Struktur der Batterietechnologie (Zelle – Modul – System) wurde in der Praxis vereinfacht. Daher sind die Sicherheitsanforderungen an Module nicht mehr zwingende Prüfpunkte, und bei Batteriepacks oder -systemen, die in die Fahrzeugkarosserie integriert sind und den Batteriekasten, den Batteriekasten oder die Fahrzeugkarosserie bilden, können Prüfungen durchgeführt werden. Die Prüfobjekte und -methoden sind flexibler und besser an die Realität angepasst, wodurch die Grundlage für die Konformität und die gesunde Entwicklung neuer Technologien geschaffen wird.
- GB 38031 konzentriert sich auf die Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Batteriestrom. Daher wurden bei der Festlegung der Prüfpunkte Sicherheitsprüfpunkte für andere Aspekte wie Produktion, Transport, Wartung und Recycling von Batteriestrom (wie Falltests, Niederdrucktests usw.) entfernt und neue Prüfpunkte wie Überstrom- und Temperaturschocktests hinzugefügt, die besser zu den im tatsächlichen Gebrauch ausfallgefährdeten Szenarien passen.
- Als Reaktion auf die in den letzten Jahren häufiger aufgetretenen Probleme mit thermischem Durchgehen, die Batteriebrände verursachen und die Sicherheit der Passagiere gefährden, wurde in GB 38031-2020 der Test der thermischen Diffusion von Batteriesystemen eingeführt. Der in den letzten Jahren umstrittene Durchstoßtest wurde als eine der Methoden zur Auslösung der thermischen Diffusion angepasst. Demnach muss das Batteriesystem fünf Minuten vor Eintritt einer Gefährdung der Passagierkabine durch thermische Diffusion ein Alarmsignal ausgeben, um die Sicherheit des Batteriesystems umfassender und effektiver zu bewerten.
Perspektiven für die Entwicklung chinesischer Sicherheitsstandards für Energiebatterien:
- Sicherheitsanforderungen über den gesamten Batterielebenszyklus:
Mit der rasanten Entwicklung der Elektromobilitätsbranche hat sich der technologische Fortschritt bei Batterien beschleunigt und deren Leistungsfähigkeit, beispielsweise hinsichtlich Energiedichte und Zyklenlebensdauer, deutlich verbessert. Die Lebensdauer von Batteriezellen hat sich dadurch kontinuierlich verlängert. Aktuell gelten die Sicherheitsstandards und zugehörigen Prüfverfahren hauptsächlich für Batteriezellen im Anfangsstadium. Studien haben jedoch gezeigt, dass die Zersetzungstemperatur der SEI-Schicht in Lithium-Ionen-Batterien mit zunehmender Zyklenzahl sinkt und die thermische Stabilität der Batteriezellen allmählich abnimmt [1]. Daher stellen die mittleren und späteren Phasen des Lebenszyklus möglicherweise die kritische Phase für thermische Durchgehreaktionen in Batteriezellen dar, weshalb spezielle Präventions- und Kontrollmaßnahmen erforderlich sind. Um die Sicherheit von Batteriezellen weiter zu verbessern, ist es notwendig, wissenschaftlich fundierte, angemessene und praktikable Sicherheitsstandards für Batteriezellen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg zu entwickeln.
- Kriterien zur Ermittlung der Ergebnisse durch quantitative Tests
Gemäß den Bestimmungen der Norm GB 38031-2020 wird der Status nach dem Batterietest lediglich wie folgt definiert: Leckage (Austritt sichtbarer Substanzen aus der Batteriezelle, dem Batteriemodul oder dem System nach außen), Gehäusebruch (mechanische Beschädigung des Batteriegehäuses durch interne oder externe Faktoren, die zum Austritt oder Überlaufen interner Substanzen führt), Brand (andauerndes Brennen in einem beliebigen Teil der Batteriezelle, des Moduls, des Batteriemoduls oder des Systems (Einzelflammendauer länger als 1 Sekunde). Funken und Lichtbögen zählen nicht zur Verbrennung) und Explosion (plötzliche Freisetzung von ausreichend Energie zur Erzeugung von Druckwellen oder Geschossen, die strukturelle oder physische Schäden in der Umgebung verursachen können). Diese Definitionen und Beschreibungen sind relativ allgemein und vage und basieren größtenteils auf subjektiven Beurteilungen durch visuelle Beobachtung; es fehlen quantifizierbare Bestimmungskriterien. Im Gegensatz dazu bieten ausländische Normen detailliertere Beschreibungen zur Auswertung der Testergebnisse und führen weitere Parameter ein, um die Ergebnisbestimmung strenger zu gestalten. Beispielsweise unterteilt IEC 62660 die Testergebnisse in 8 Stufen und liefert nach jeder Teststufe detailliertere Beschreibungen der Phänomene; UL1642 und UN38.3 führen die Temperatur des Batteriegehäuses als Indikator in den Anforderungen für externe Kurzschlussprüfungen ein, wodurch die Testergebnisse effektiv quantifiziert und verglichen werden können.
Abschluss:
Die Sicherheit von Antriebsbatterien ist die Grundlage für eine nachhaltige und gesunde Entwicklung der NEV-Branche. Das Sicherheitsnormensystem für Antriebsbatterien in China wurde über mehr als ein Jahrzehnt weiterentwickelt und umfasst heute umfassendere Prüfverfahren, die besser auf reale Betriebsbedingungen abgestimmt sind. Dank des technologischen Fortschritts und der kontinuierlichen Sammlung praktischer Erfahrungen hat sich die Systemsicherheit von Antriebsbatterien zu einem branchenweiten Konsens entwickelt. Zukünftig dürften die Anforderungen an die Sicherheit über den gesamten Lebenszyklus und die Quantifizierung der Prüfergebnisse die nächste Entwicklungsrichtung der Sicherheitsstandards für Antriebsbatterien darstellen.
https://leva-eu.com/china-introduces-worlds-first-ev-battery-safety-law-requiring-fire-prevention/