Développement, état actuel et perspectives des normes de sécurité des batteries électriques en Chine
Auteurs : Ji Ran, Li Hongwei
Centre de recherche et de technologie automobile de Chine, China-Auto Data Co., Ltd.
En tant que source d'énergie des véhicules à énergies nouvelles, la sécurité des batteries ne peut être négligée. La composition et le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion présentent certains risques lors de leur utilisation : l'électrolyte est principalement composé de solvants organiques, majoritairement inflammables et explosifs. En cas de fuite, notamment suite à des chocs ou autres incidents, le risque d'incendie et d'explosion est très élevé, mettant en danger la vie des occupants du véhicule. Lors des cycles de charge et de décharge, les ions lithium ont tendance à se déposer à la surface des électrodes pour former des dendrites. Si ces dendrites continuent de croître, elles peuvent perforer le séparateur et provoquer des courts-circuits, pouvant entraîner des conséquences graves telles qu'un emballement thermique. C'est pourquoi la Chine a mis en place de nombreuses réglementations encadrant le développement des batteries depuis 2000.
L'évolution des normes chinoises de sécurité des batteries pour les véhicules à énergies nouvelles s'est déroulée en trois étapes :
Phase 1 : 2006 - 2014
Au début des années 2000, le groupe d'experts du projet majeur « Véhicules électriques » du programme chinois 863 a proposé et mis en place la voie technique des « trois verticales et trois horizontales », jetant ainsi les bases de la stratégie de développement de l'industrie chinoise des véhicules à économie d'énergie et à énergies nouvelles. En 2006,QC/T 743-2006 « Batteries lithium-ion pour véhicules routiers électriques » La norme QC/T 743-2006 a été publiée et mise en œuvre, fournissant des explications sur la classification, les exigences et les méthodes d'essai des batteries lithium-ion. Les objets d'essai de la norme QC/T 743-2006 comprennent les cellules individuelles et Module de batterieLa norme spécifie les conditions de base, les performances électriques, les exigences de sécurité et les méthodes d'essai pour chaque type d'objet testé. Les essais de sécurité comprennent la sécurité électrique (surcharge, décharge excessive, court-circuit, perforation par aiguille), la sécurité mécanique (chute, écrasement) et la sécurité environnementale (échauffement). L'essai de chute s'applique uniquement aux cellules individuelles, tandis que les autres essais doivent être réalisés aussi bien sur les cellules individuelles que sur les modules.
La norme QC/T 743-2006 fut l'une des premières au monde à traiter des exigences de sécurité relatives aux batteries de puissance et revêtit une importance capitale lors des débuts de l'industrie chinoise des véhicules à énergies nouvelles. Toutefois, comme la promotion à grande échelle de ces véhicules n'avait pas encore eu lieu au moment de sa publication et que l'industrie manquait d'expérience pratique, des améliorations supplémentaires s'avéraient nécessaires.
Phase 2 : 2015 - 2019
En 2015, la Chine occupait la première place mondiale en termes de production et de ventes de véhicules à énergies nouvelles (VEN), avec un parc automobile avoisinant les 600 000 unités. Le secteur chinois des VEN est alors entré dans sa phase d'industrialisation. Par conséquent, la Chine a simultanément publié et mis en œuvre deux normes :
GB/T 31485-2015 « Exigences de sécurité et méthodes d'essai des batteries de puissance pour véhicules électriques »
GB/T 31467.3-2015 « Batterie lithium-ion pour véhicules électriques Bloc-batterie« Systèmes et équipements - Partie 3 : Exigences de sécurité et méthodes d’essai »
Parmi eux, GB/T 31485-2015 Le document stipulait et expliquait les exigences de sécurité, les méthodes d'essai et les règles d'inspection applicables aux batteries et modules de puissance individuels. Les essais étaient identiques pour chaque type de batterie et de module et portaient notamment sur la sécurité électrique (surcharge, décharge excessive, court-circuit, perforation), la sécurité mécanique (chute, compression) et la sécurité environnementale (immersion en eau de mer, cycles de température, basse pression, chauffage), etc.
GB/T 31467.3-2015 Il s'agissait de la première norme nationale ciblant spécifiquement la sécurité des systèmes de batteries de puissance. Les tests portaient notamment sur la sécurité électrique (surcharge, décharge excessive, surchauffe, court-circuit), la sécurité mécanique (chute, compression, vibration, impact mécanique, renversement, collision simulée) et la sécurité environnementale (immersion en eau de mer, choc thermique, cycles thermiques humides, incendie externe, brouillard salin, haute altitude), etc. GB/T 31485-2015Les éléments testés étaient plus complets, et la réalisation de tests plus dimensionnels et plus rigoureux sur le système de batterie était plus conforme aux scénarios d'utilisation réels.
Phase 3 : 2020 – aujourd’hui
Basé sur GB/T 31485 et GB/T 31467.3,La Chine a dressé un bilan exhaustif des réalisations novatrices et des expériences pratiques en matière de développement de son industrie des véhicules à énergies nouvelles et a pleinement harmonisé de nombreuses normes internationales dans les domaines connexes. Le 1er janvier 2021, GB 38031-2020 « Exigences de sécurité relatives aux batteries de puissance pour véhicules électriques »Cette norme a été publiée et mise en œuvre. Il s'agit de la première norme nationale obligatoire couvrant les exigences de sécurité et les méthodes d'essai des batteries individuelles, des modules et des systèmes de batteries de puissance. Elle est pleinement conforme à la réglementation internationale des Nations Unies sur la sécurité des véhicules électriques (UN GTR 20).
Les objets de test de GB 38031-2020Les tests portent sur les batteries individuelles, les modules et les systèmes (les modules n'étant pas soumis à des tests obligatoires). Les tests sur les batteries individuelles incluent la sécurité électrique (surcharge, décharge excessive, court-circuit), la sécurité mécanique (compression) et la sécurité environnementale (cycles de température, échauffement). Les tests sur les systèmes incluent la sécurité électrique (surcharge, décharge excessive, surintensité, surchauffe, court-circuit), la sécurité mécanique (compression, vibrations, impact mécanique, simulation de collision) et la sécurité environnementale (choc thermique, cycles de chaleur humide, brouillard salin, haute altitude, immersion dans l'eau, diffusion thermique). Par rapport à la version précédente de la norme, GB 38031-2020 renforce encore les exigences de sécurité du système de batteries de puissance, ce qui est également conforme au consensus de l'industrie sur les exigences de sécurité du système de batteries de puissance :
- Pour répondre aux exigences du développement de produits, de nouvelles technologies telles que CTP (cellule à pack), CTC (cellule à châssis), CTB (cellule à boîtier)Dans le domaine de l'énergie par batterie, de nouvelles approches ont émergé. La structure initiale à trois niveaux (cellule - module - système) a été simplifiée dans les applications pratiques. Par conséquent, les exigences de sécurité des modules ne constituent plus des points d'inspection obligatoires, et les tests peuvent être effectués sur les packs ou systèmes de batteries encapsulés dans la carrosserie du véhicule et formant le boîtier de batterie, le boîtier lui-même ou la carrosserie. Les objets et les méthodes de test sont plus flexibles et mieux adaptés aux situations réelles, jetant ainsi les bases de la conformité et du développement harmonieux des nouvelles technologies.
- La norme GB 38031 se concentre sur les questions de sécurité liées à l'utilisation de l'énergie des batteries. Par conséquent, dans la définition des éléments de test, les éléments de test de sécurité relatifs à d'autres aspects tels que la production, le transport, la maintenance et le recyclage de l'énergie des batteries (tels que les tests de chute, les tests de basse pression, etc.) ont été supprimés, et de nouveaux éléments de test tels que les surintensités et les chocs thermiques, plus conformes aux scénarios susceptibles de provoquer des défaillances en utilisation réelle, ont été ajoutés ;
- Face à la fréquence accrue des emballements thermiques, à l'origine d'incendies de batteries et mettant en danger la sécurité des passagers, la norme GB 38031-2020 intègre désormais un test de diffusion thermique du système d'alimentation par batterie et remplace le test de perforation, controversé ces dernières années, comme méthode de déclenchement de cette diffusion. Elle exige que le système d'alimentation par batterie émette un signal d'alarme 5 minutes avant que la cabine ne soit menacée par la diffusion thermique, afin d'évaluer plus précisément et efficacement sa sécurité.
Perspectives de développement des normes de sécurité des batteries en Chine :
- Exigences de sécurité tout au long du cycle de vie de la batterie :
Avec le développement rapide de l'industrie des véhicules à énergies nouvelles, les progrès technologiques des batteries se sont accélérés, et leurs performances, telles que la densité énergétique et la durée de vie, se sont considérablement améliorées. Le cycle de vie des cellules de batterie s'est progressivement allongé. Actuellement, les normes de sécurité et les procédures de test associées s'appliquent principalement aux cellules en phase initiale. Cependant, des études ont montré que la température de décomposition du film SEI dans les batteries lithium-ion diminue avec l'augmentation du nombre de cycles, et que la stabilité thermique des cellules décline progressivement [1]. Par conséquent, du point de vue du cycle de vie complet, les phases intermédiaire et finale pourraient constituer la « période critique » pour les réactions d'emballement thermique des cellules, et des mesures de prévention et de contrôle spécifiques sont nécessaires. Afin d'améliorer la sécurité des cellules de batterie, il est indispensable de formuler des normes de sécurité scientifiques, raisonnables et applicables à l'ensemble de leur cycle de vie.
- Critères de détermination des résultats par des tests quantitatifs
Conformément aux dispositions de la norme GB 38031-2020, après le test de la batterie, l'état est défini uniquement comme suit : fuite (phénomène de fuite de substances visibles provenant de l'élément, du module, du bloc-batterie ou du système vers l'extérieur de l'objet testé), rupture de l'enveloppe (dommage mécanique à l'enveloppe de l'élément, du module, du bloc-batterie ou du système, dû à des facteurs internes ou externes, entraînant l'exposition ou le débordement de substances internes), incendie (combustion continue dans n'importe quelle partie de l'élément, du module, du bloc-batterie ou du système (durée de la flamme supérieure à une seconde). Les étincelles et les arcs électriques ne sont pas considérés comme une combustion), et explosion (libération soudaine d'énergie suffisante pour générer des ondes de pression ou des projectiles, susceptibles de causer des dommages structurels ou physiques à la zone environnante). Ces définitions et descriptions sont relativement générales et imprécises, et reposent principalement sur une appréciation subjective par observation visuelle, sans critères de détermination quantifiables. En revanche, les normes étrangères fournissent des descriptions plus détaillées pour l'évaluation des résultats des tests, en introduisant davantage de paramètres afin de rendre la détermination des résultats plus rigoureuse. Par exemple, la norme IEC 62660 divise les résultats des tests en 8 niveaux et fournit des descriptions plus détaillées des phénomènes après chaque niveau de test ; les normes UL1642 et UN38.3 introduisent la température de l’enveloppe de la batterie comme indicateur dans les exigences relatives aux tests de court-circuit externe, ce qui permet de quantifier et de comparer efficacement les résultats des tests.
Conclusion:
La sécurité des batteries de puissance est essentielle au développement durable et sain de l'industrie des véhicules électriques. En Chine, le système de normes de sécurité des batteries de puissance a évolué pendant plus d'une décennie, intégrant des tests plus complets et mieux adaptés aux conditions réelles d'utilisation. Grâce aux progrès technologiques et à l'accumulation continue d'expérience pratique, la sécurité des systèmes de batteries de puissance fait désormais consensus au sein de l'industrie. À l'avenir, les exigences relatives à la sécurité tout au long du cycle de vie et la quantification des résultats des tests devraient constituer les prochaines orientations du développement des normes de sécurité des batteries de puissance.
https://leva-eu.com/china-introduces-worlds-first-ev-battery-safety-law-requiring-fire-prevention/