Развитие, текущее состояние и перспективы стандартов безопасности энергетических батарей в Китае.
Авторы: Цзи Ран, Ли Хунвэй
Китайский центр автомобильных технологий и исследований, Китайская компания по автомобильным данным.
Поскольку литий-ионные батареи являются источником энергии для транспортных средств на новых источниках энергии, безопасность таких батарей нельзя игнорировать. Состав и принцип работы литий-ионных батарей определяют их опасность во время эксплуатации: в электролите в основном используются органические растворители, которые, как правило, легковоспламеняемы и взрывоопасны. Утечка в результате внешних воздействий, столкновений и других ситуаций может привести к пожарам и взрывам, угрожая жизни людей в автомобиле. В процессе циклической работы ионы лития склонны осаждаться на поверхности электрода, образуя «дендриты». Если «дендриты» продолжают расти, они могут пробить сепаратор и вызвать локальные короткие замыкания, что приводит к серьезным последствиям, таким как тепловой разгон. Поэтому с 2000 года Китай ввел множество правил и норм, касающихся разработки батарей.
Эволюция китайских стандартов безопасности аккумуляторных батарей для электромобилей прошла три этапа:
Этап 1: 2006–2014 гг.
К началу 2000 года экспертная группа крупного проекта по электромобилям в рамках китайской программы «863» предложила и разработала технический маршрут «Три вертикали и три горизонтали», заложив основу для стратегии развития китайской индустрии энергосберегающих и новых энергетических транспортных средств. В 2006 году...QC/T 743-2006 «Литий-ионные батареи для электромобилей» Был выпущен и внедрен документ, содержащий пояснения по классификации, требованиям и методам тестирования литий-ионных аккумуляторных батарей. Объектами тестирования QC/T 743-2006 являются отдельные элементы и Аккумуляторный модульВ стандарте определены основные условия, электрические характеристики, требования к безопасности и методы испытаний для каждого типа проверяемого объекта. К испытаниям на безопасность в стандарте относятся: электрическая безопасность (перезарядка, переразрядка, короткое замыкание, прокол иглой), механическая безопасность (падение, раздавливание) и экологическая безопасность (нагрев). Испытание на падение применимо только к отдельным элементам, тогда как остальные испытания должны проводиться как для отдельных элементов, так и для модулей.
Стандарт QC/T 743-2006 был одним из первых в мире стандартов, регулирующих требования безопасности для силовых батарей, и имел большое значение на начальном этапе развития китайской индустрии электромобилей. Однако, поскольку на момент его выпуска масштабное продвижение электромобилей еще не было достигнуто, а отрасли не хватало практического опыта, требовались дальнейшие усовершенствования.
Этап 2: 2015–2019 гг.
В 2015 году производство и продажи новых энергетических автомобилей (NEV) в Китае заняли первое место в мире, достигнув объема в 600 000 единиц. Китай вступил в период индустриализации новых энергетических автомобилей. Поэтому Китай одновременно разработал и внедрил два стандарта:
GB/T 31485-2015 «Требования безопасности и методы испытаний для силовых батарей электромобилей»
GB/T 31467.3-2015 «Литий-ионные батареи для электромобилей» Аккумуляторный блокСистемы и компоненты — Часть 3: Требования безопасности и методы испытаний.
Среди них, GB/T 31485-2015 Были установлены и разъяснены требования безопасности, методы испытаний и правила проверки отдельных силовых батарей и модулей. Предметы испытаний для отдельных батарей и модулей были одинаковыми и включали в себя требования электробезопасности (перезарядка, переразрядка, короткое замыкание, прокол), требования механической безопасности (падение, сжатие) и требования экологической безопасности (погружение в морскую воду, температурные циклы, низкое давление, нагрев) и т. д.
GB/T 31467.3-2015 Это был первый национальный стандарт, специально разработанный для обеспечения безопасности систем силовых батарей. В число испытаний входили вопросы электробезопасности (перезарядка, переразрядка, перегрев, короткое замыкание), механической безопасности (падение, сжатие, вибрация, механический удар, опрокидывание, имитация столкновения) и экологической безопасности (погружение в морскую воду, температурный шок, циклическое воздействие влажного тепла, внешнее возгорание, соляной туман, большая высота) и т. д. По сравнению с GB/T 31485-2015Благодаря этому, перечень тестовых заданий стал более полным, а проведение более детальных и строгих испытаний системы аккумуляторных батарей в большей степени соответствовало реальным сценариям эксплуатации.
Этап 3: 2020 г. - настоящее время
На основе GB/T 31485 и GB/T 31467.3,Китай всесторонне обобщил инновационные достижения и практический опыт развития китайской индустрии электромобилей, а также согласовал множество международных стандартов в смежных областях. 1 января 2021 г. GB 38031-2020 «Требования безопасности к силовым батареям для электромобилей»Был выпущен и внедрен первый обязательный национальный стандарт, охватывающий требования безопасности и методы испытаний для отдельных батарей, модулей и систем силовых батарей. Он полностью соответствует глобальным правилам Организации Объединенных Наций по безопасности электромобилей (UN GTR 20).
Объекты испытаний GB 38031-2020Включает в себя отдельные батареи, модули и системы (причем модули не являются обязательными для тестирования), а испытания отдельных батарей включают в себя электробезопасность (перезарядка, переразрядка, короткое замыкание), механическую безопасность (сжатие) и экологическую безопасность (температурные циклы, нагрев), в то время как испытания систем включают в себя электробезопасность (перезарядка, переразрядка, перегрузка по току, перегрев, короткое замыкание), механическую безопасность (сжатие, вибрация, механический удар, имитация столкновения) и экологическую безопасность (температурный шок, циклы влажного нагрева, соляной туман, большая высота, погружение в воду, тепловая диффузия). По сравнению с предыдущей версией стандарта, GB 38031-2020 дополнительно ужесточает требования безопасности для систем силовых батарей, что также соответствует консенсусу отрасли относительно требований безопасности таких систем:
- Для удовлетворения требований разработки продукции используются новые технологии, такие как... CTP (cell to pack), CTC (cell to chassis), CTB (cell to body)В области аккумуляторных батарей появились новые технологии. Первоначальная трехуровневая структура аккумуляторных батарей (ячейка - модуль - система) была упрощена в практических приложениях. Поэтому требования безопасности модулей больше не являются обязательными пунктами проверки, и для аккумуляторных батарей или систем, заключенных в корпус транспортного средства и образующих аккумуляторный отсек, можно проводить испытания как самого корпуса, так и кузова автомобиля. Объекты и методы испытаний стали более гибкими и соответствуют реальным условиям, закладывая основу для соответствия требованиям и здорового развития новых технологий.
- Стандарт GB 38031 посвящен вопросам безопасности при использовании батарейного питания. Поэтому в перечень испытательных заданий были исключены испытания на безопасность, касающиеся других аспектов, таких как производство, транспортировка, техническое обслуживание и утилизация батарей (например, испытание на падение, испытание при низком давлении и т. д.), и добавлены новые испытания, такие как испытание на перегрузку по току и температурный удар, которые в большей степени соответствуют сценариям, подверженным отказам в реальной эксплуатации.
- В ответ на частые случаи возникновения проблем, связанных с тепловым разгоном, приводящим к возгоранию батарей и представляющим угрозу для безопасности пассажиров в последние годы, в стандарт GB 38031-2020 добавлено испытание на тепловое рассеивание в системе питания батарей, а также скорректирован спорный в последние годы тест на прокол, который теперь является одним из способов инициирования теплового разгона. Теперь требуется, чтобы система питания батарей подавала сигнал тревоги за 5 минут до того, как пассажирский салон окажется в опасности из-за теплового разгона, для более всесторонней и эффективной оценки безопасности системы питания батарей.
Перспективы разработки стандартов безопасности энергетических батарей в Китае:
- Требования безопасности на протяжении всего срока службы батареи:
С быстрым развитием индустрии электромобилей технологический прогресс в области аккумуляторных батарей ускорился, и их характеристики, такие как плотность энергии и срок службы, значительно улучшились. Срок службы аккумуляторных элементов постепенно увеличился. В настоящее время в основном применяются стандарты безопасности и соответствующие процедуры тестирования аккумуляторных элементов на начальном этапе их эксплуатации. Однако исследования показали, что температура разложения SEI-пленки в литий-ионных батареях снижается с увеличением числа циклов, а термическая стабильность аккумуляторных элементов постепенно ухудшается [1]. Поэтому с точки зрения всего жизненного цикла, средний и поздний этапы могут быть «пиковым периодом» для реакций теплового разгона аккумуляторных элементов, и необходимы специальные меры предотвращения и контроля. Для повышения безопасности аккумуляторных элементов необходимо разработать научно обоснованные и осуществимые стандарты безопасности для аккумуляторных элементов на протяжении всего их жизненного цикла.
- Критерии определения результатов с помощью количественных тестов
В соответствии с положениями стандарта GB 38031-2020, после испытания батареи состояние определяется только как утечка (явление, при котором видимые вещества вытекают из элемента батареи, модуля, батарейного блока или системы наружу испытуемого объекта), разрыв оболочки (механическое повреждение элемента батареи, модуля, батарейного блока или оболочки системы вследствие внутренних или внешних факторов, приводящее к обнажению или вытеканию внутренних веществ), возгорание (непрерывное горение в любой части элемента батареи, модуля, батарейного блока или системы (длительность отдельного пламени более 1 секунды). Искра и дуга не относятся к горению) и взрыв (внезапное высвобождение достаточной энергии для генерации ударных волн или снарядов, которые могут вызвать структурные или физические повреждения окружающей среды). Эти определения и описания относительно широкие и расплывчатые, и в основном основаны на субъективной оценке посредством визуального наблюдения, без количественно измеримых критериев определения. В отличие от этого, зарубежные стандарты предоставляют более подробные описания для оценки результатов испытаний, вводя больше параметров, чтобы сделать определение результатов более строгим. Например, стандарт IEC 62660 делит результаты испытаний на 8 категорий и предоставляет более подробное описание явлений после каждой категории испытаний; стандарты UL1642 и UN38.3 вводят температуру корпуса батареи в качестве индикатора в требованиях к испытаниям на внешнее короткое замыкание, что позволяет эффективно количественно оценить и сравнить результаты испытаний.
Заключение:
Безопасность силовых батарей является основой устойчивого и здорового развития индустрии электромобилей. Система стандартов безопасности силовых батарей в Китае развивалась более десяти лет, в ней появились более комплексные критерии тестирования, в большей степени соответствующие реальным условиям эксплуатации. Благодаря развитию технологий и постоянному накоплению практического опыта, безопасность системы силовых батарей стала общепринятой в отрасли. В будущем ожидается, что следующим направлением развития стандартов безопасности силовых батарей станут требования к безопасности на протяжении всего жизненного цикла и количественная оценка результатов испытаний.
https://leva-eu.com/china-introduces-worlds-first-ev-battery-safety-law-requiring-fire-prevention/