Desenvolvimento, situação atual e perspectivas das normas de segurança para baterias de energia na China.

Autores: Ji Ran, Li Hongwei

Centro de Tecnologia e Pesquisa Automotiva da China, China-Auto Data Co., Ltd.

Como fonte de energia para veículos de novas energias, a segurança das baterias não pode ser ignorada. A composição e o princípio de reação das baterias de íon-lítio determinam que elas apresentam certos riscos durante o uso: o eletrólito utiliza principalmente solventes orgânicos, que são em sua maioria inflamáveis ​​e explosivos. Se ocorrer vazamento devido a colisões ou outras situações, há grande probabilidade de incêndios e explosões, colocando em risco a vida dos ocupantes do veículo. Durante o processo de ciclagem, os íons de lítio tendem a se depositar na superfície do eletrodo, formando dendritos. Se os dendritos continuarem a crescer, podem perfurar o separador e causar curtos-circuitos localizados, levando a consequências graves, como a fuga térmica. Por isso, a China implementou diversas normas e regulamentações para o desenvolvimento de baterias desde 2000.

A evolução das normas de segurança de baterias para veículos de novas energias na China passou por três fases:

Fase 1: 2006 - 2014

No início dos anos 2000, o grupo de especialistas do Projeto Principal de Veículos Elétricos do Programa 863 da China propôs e estabeleceu a rota técnica "Três Verticais e Três Horizontais", lançando as bases para a estratégia de desenvolvimento da indústria chinesa de veículos de baixo consumo e novas energias. Em 2006,QC/T 743-2006 "Baterias de íon-lítio para veículos rodoviários elétricos" Foi lançada e implementada, fornecendo explicações sobre a classificação, os requisitos e os métodos de teste de baterias de íon-lítio para baterias de energia. Os objetos de teste da norma QC/T 743-2006 incluem células individuais e Módulo de bateriaA norma especifica as condições básicas, o desempenho elétrico e os requisitos de segurança, bem como os métodos de teste para cada tipo de objeto testado. Os itens de teste de segurança na norma incluem segurança elétrica (sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito, perfuração por agulha), segurança mecânica (queda, esmagamento) e segurança ambiental (aquecimento). Dentre esses, o teste de queda aplica-se apenas a células individuais, enquanto os demais itens devem ser testados tanto em células individuais quanto em módulos.

A norma QC/T 743-2006 foi uma das primeiras normas mundiais a abordar os requisitos de segurança para baterias de veículos elétricos e teve grande importância durante a fase inicial da indústria de veículos de novas energias na China. No entanto, como a promoção em larga escala de veículos de novas energias ainda não havia sido alcançada na época de seu lançamento, e a indústria carecia de experiência prática, melhorias adicionais foram necessárias.

Fase 2: 2015 - 2019

Em 2015, a produção e as vendas de veículos de nova energia (NEV) na China ocuparam o primeiro lugar global, com um estoque de veículos próximo a 600.000 unidades. Os veículos de nova energia da China entraram no período de industrialização. Portanto, a China emitiu e implementou simultaneamente duas normas:

GB/T 31485-2015 "Requisitos de segurança e métodos de teste para baterias de veículos elétricos"

GB/T 31467.3-2015 "Bateria de íon-lítio para veículos elétricos" Pacote de bateriasSistemas e componentes - Parte 3: Requisitos de segurança e métodos de teste"

Entre eles, GB/T 31485-2015 Foram estipulados e explicados os requisitos de segurança, os métodos de teste e as regras de inspeção para baterias e módulos de energia individuais. Os itens de teste para baterias e módulos individuais eram os mesmos, incluindo itens de segurança elétrica (sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito, perfuração), itens de segurança mecânica (queda, compressão) e itens de segurança ambiental (imersão em água do mar, ciclos de temperatura, baixa pressão, aquecimento), etc.

GB/T 31467.3-2015 Foi a primeira norma nacional especificamente voltada para a segurança de sistemas de baterias de energia. Os itens de teste incluíam segurança elétrica (sobrecarga, descarga excessiva, sobretemperatura, curto-circuito), segurança mecânica (queda, compressão, vibração, impacto mecânico, tombamento, colisão simulada) e segurança ambiental (imersão em água do mar, choque térmico, ciclos de calor úmido, fogo externo, névoa salina, altitude elevada), etc. Comparada com GB/T 31485-2015Os itens de teste foram mais abrangentes e a realização de testes mais dimensionais e rigorosos no sistema de baterias de energia estava mais de acordo com os cenários de uso reais.

Fase 3: 2020 - Presente

Baseado em GB/T 31485 e GB/T 31467.3,A China sintetizou de forma abrangente as conquistas inovadoras e as experiências práticas do desenvolvimento da indústria chinesa de veículos de nova energia e coordenou plenamente diversos padrões internacionais em áreas correlatas. Em 1º de janeiro de 2021, GB 38031-2020 "Requisitos de segurança para baterias de veículos elétricos"Foi lançada e implementada. Esta é a primeira norma nacional obrigatória que abrange os requisitos de segurança e os métodos de teste para baterias individuais, módulos e sistemas de baterias de potência. Está totalmente em conformidade com as regulamentações globais sobre segurança de veículos elétricos das Nações Unidas (UN GTR 20).

Os objetos de teste de GB 38031-2020Inclui baterias individuais, módulos e sistemas (entre os quais os módulos não são submetidos a testes obrigatórios), e os itens de teste para baterias individuais incluem segurança elétrica (sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito), segurança mecânica (compressão) e segurança ambiental (ciclos térmicos, aquecimento), enquanto os itens de teste para sistemas incluem segurança elétrica (sobrecarga, descarga excessiva, sobrecorrente, sobretemperatura, curto-circuito), segurança mecânica (compressão, vibração, impacto mecânico, simulação de colisão) e segurança ambiental (choque térmico, ciclos térmicos em ambiente úmido, névoa salina, altitude elevada, imersão em água, difusão de calor). Comparado com a versão anterior da norma, GB 38031-2020 Reforça ainda mais os requisitos de segurança para o sistema de baterias de potência, o que também está em consonância com o consenso da indústria sobre os requisitos de segurança para esse tipo de sistema:

• Para atender às demandas de desenvolvimento de produtos, novas tecnologias como CTP (célula para embalagem), CTC (célula para chassi), CTB (célula para corpo)Surgiram inovações no campo da energia de baterias. A estrutura original de três níveis da energia de baterias (célula - módulo - sistema) foi simplificada em aplicações práticas. Portanto, os requisitos de segurança do módulo deixaram de ser itens de inspeção obrigatórios e, para baterias ou sistemas encapsulados pela carroceria do veículo e que formam a caixa da bateria, os testes podem ser realizados na própria caixa ou na carroceria do veículo. Os objetos e métodos de teste são mais flexíveis e adequados às situações reais, estabelecendo as bases para a conformidade e o desenvolvimento sustentável de novas tecnologias.
• A norma GB 38031 concentra-se nas questões de segurança durante a utilização de baterias. Portanto, na definição dos itens de teste, os itens de segurança para outros aspectos, como produção, transporte, manutenção e reciclagem de baterias (como teste de queda, teste de baixa pressão, etc.), foram removidos e novos itens de teste, como sobrecorrente e choque térmico, que estão mais de acordo com os cenários propensos a falhas no uso real, foram adicionados.
• Em resposta à ocorrência frequente de problemas de fuga térmica que causam incêndios em baterias e colocam em risco a segurança dos passageiros nos últimos anos, a norma GB 38031-2020 adicionou o teste de difusão térmica do sistema de alimentação por bateria e ajustou o controverso teste de perfuração, que vinha sendo utilizado recentemente, para uma das formas de desencadear a difusão térmica. A norma exige que o sistema de alimentação por bateria emita um sinal de alarme 5 minutos antes de a cabine de passageiros estar em risco devido à difusão térmica, a fim de avaliar de forma mais abrangente e eficaz a segurança do sistema.

Perspectivas para o desenvolvimento de normas de segurança para baterias de energia na China:

1. Requisitos de segurança ao longo do ciclo de vida da bateria:

Com o rápido desenvolvimento da indústria de veículos de novas energias, o progresso tecnológico dos produtos de baterias acelerou e seu desempenho, como densidade de energia e vida útil, melhorou significativamente. O ciclo de vida das células de bateria foi gradualmente estendido. Atualmente, as normas de segurança e os procedimentos de teste relacionados às células de bateria em seu estágio inicial são aplicáveis ​​principalmente. No entanto, estudos mostraram que a temperatura de decomposição da película SEI em baterias de íon-lítio diminui com o aumento do número de ciclos e a estabilidade térmica das células de bateria declina gradualmente [1]. Portanto, da perspectiva de todo o ciclo de vida, os estágios intermediário e final podem ser o "período de pico" para reações de fuga térmica das células de bateria, sendo necessárias medidas especiais de prevenção e controle. Para melhorar a segurança das células de bateria, é necessário formular normas de segurança científicas, razoáveis ​​e viáveis ​​para células de bateria ao longo de todo o seu ciclo de vida.

1. Critérios para determinar os resultados por meio de testes quantitativos

Com base nas disposições da norma GB 38031-2020, após o teste da bateria, o estado é definido apenas como vazamento (fenômeno em que substâncias visíveis vazam da célula, módulo, conjunto de baterias ou sistema para o exterior do objeto de teste), ruptura da carcaça (dano mecânico à carcaça da célula, módulo, conjunto de baterias ou sistema devido a fatores internos ou externos, resultando na exposição ou transbordamento de substâncias internas), incêndio (combustão contínua em qualquer parte da célula, módulo, conjunto de baterias ou sistema (duração da chama única superior a 1 segundo). Faíscas e arcos elétricos não são considerados combustão) e explosão (liberação repentina de energia suficiente para gerar ondas de pressão ou projéteis, que podem causar danos estruturais ou físicos à área circundante). Essas definições e descrições são relativamente amplas e vagas, baseando-se principalmente em julgamento subjetivo por meio de observação visual, carecendo de critérios de determinação quantificáveis. Em contraste, normas estrangeiras fornecem descrições mais detalhadas para a avaliação dos resultados dos testes, introduzindo mais parâmetros para tornar a determinação dos resultados mais rigorosa. Por exemplo, a norma IEC 62660 divide os resultados dos testes em 8 níveis e fornece descrições mais detalhadas dos fenômenos após cada nível de teste; as normas UL1642 e UN38.3 introduzem a temperatura da carcaça da bateria como um indicador nos requisitos para testes de curto-circuito externo, o que permite quantificar e comparar os resultados dos testes de forma eficaz.

Conclusão:

A segurança das baterias de energia é fundamental para o desenvolvimento sustentável e saudável da indústria de veículos elétricos. O sistema de normas de segurança para baterias de energia na China vem sendo desenvolvido há mais de uma década, com itens de teste mais abrangentes e mais alinhados às condições reais de operação. Com o avanço da tecnologia e o acúmulo contínuo de experiência prática, a segurança sistêmica das baterias de energia tornou-se um consenso na indústria. Olhando para o futuro, espera-se que os requisitos para a segurança ao longo de todo o ciclo de vida e a quantificação dos resultados dos testes sejam a próxima direção de desenvolvimento das normas de segurança para baterias de energia.

https://leva-eu.com/china-introduces-worlds-first-ev-battery-safety-law-requiring-fire-prevention/