不起火、不爆炸！动力电池安全标准与技术趋势“解密”

2024年的新能源汽车市场，虽然得益于动力电池安全技术的进步，起火事故较此前大幅减少，但仍时有发生。 导致动力电池起火的原因很多，例如电池设计缺陷、电池管理系统故障、外部物理损伤、不当使用和维护、环境因素等，不一而足。 可喜的是，无论是政策端还是企业端，全社会都在致力于解决动力电池的安全问题。 动力电池安全标准演变 动力电池安全标准对新能源汽车的发展，起着保驾护航的作用。 2020年我国发布了GB 38031—2020电动汽车用动力蓄电池安全要求、GB 18384-2020电动汽车安全要求、GB 38032-2020电动客车安全要求等首批三项新能源汽车的强制性国家标准。 其中，GB 38031—2020电动汽车用动力蓄电池安全要求专门针对电动汽车用动力蓄电池（包括单体、电池包或系统）的安全要求和试验方法进行规定，删除电池单体针刺试验，仅作为单体热失控的触发条件，增加电池系统热扩散试验，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。 图1.（GB38031—2020）安全测试项目、方法、要求（部分） 该标准于2021年1月1日实施，标志着对于整车安全的认识由单体安全转向系统安全，也就是说单体针刺是否通过已不重要，关键要看单体热失控后是否可以及时控制蔓延，单体热失控和系统热扩散的概念被区分开来。 2024年5月27日，为进一步提升动力电池安全性，工业和信息化部发布GB 38031 电动汽车用动力蓄电池安全要求（征求意见稿）。 该征求意见稿在既有标准基础上进一步加严了对动力电池热扩散测试要求，主要包括提升热扩散要求、新增热事件预警要求、完善热扩散测试方法等。征求意见稿强调动力电池系统在电池单体热失控情况下的防护能力，将热扩散要求从“起火、爆炸前5分钟报警”提升至“不起火、不爆炸”。并且在热失控触方式上，增加内加热触发作为推荐方式之一。 图2.征求意见稿关于热扩散试验判定流程 根据行业标准定义，热失控是指电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。热扩散则是指电池包或系统内由一个电池单体热失控引发的其余电池单体接连发生热失控的现象。 从比亚迪技术方案看动力电池热安全技术趋势 作为动力电池及新能源汽车生产制造销售一体化，并且稳居新能源汽车销量世界第一的企业，比亚迪在动力电池方面的技术方案，为行业树立了标杆，值得深入分析与学习。 一个里程碑式的事件是，2020年初，比亚迪推出刀片电池以及公布电池的针刺试验。从单体针刺试验结果来看，三元锂电池剧烈燃烧，表面温度超过500℃；而比亚迪磷酸铁锂刀片电池无明火、无烟，表面温度仅30℃-60℃。据称比亚迪推出的刀片电池针刺试验核心目的就是要让电池内短路，以便观察电池的热失控情况及制定更好的安全防护策略。 其后，根据比亚迪公开的热扩散试验资料，强制引发位于中间的电池热失控，最高温度约为350℃。而此时邻近位置的电池温度仅有80℃，刀片电池只出现了冒烟现象，既没有着火也没有爆炸。 由此可见，基于磷酸铁锂材料体系（产热少）和长薄型刀片电池设计（散热快），刀片电池在发布之初既已具备较好的对热扩散的控制能力。 图3.比亚迪发布针刺试验对比 刀片电池使用的是磷酸铁锂材料，理论上其低温性能相对较弱。为了提高刀片电池低温性能，首先在热管理系统方面做了很多改进，比如说刀片电池的结构设计上增加保温材料，在热管理系统外侧再布置一层保温棉，整个构成刀片电池的一个完整的热管理系统。同时首创智能双环流电池直冷直热技术，提高了刀片电池冬季使用性能。 图4.比亚迪刀片电池热管理方案 除了电池热管理系统设计，2023年2月，比亚迪着重进行电芯间超级吸热材料的专利布局，如冷却组件以及具有其的电池包以及车辆（申请日：2023.02.28）、吸热组件、电池模组、电池包及车辆（申请日：2023.02.28）、包体，电芯之间设置相变件（申请日：2023.02.27）、一种电池包冷却件的防护结构及加工方法、电池包（申请日：2023.03.28）等专利，在电池系统中导入高吸热材料、相变件，通过吸热+隔热等组合方式抑制热扩散，进一步降低动力电池包产生热扩散的风险，提高动力电池包的安全性与可靠性。 据专利信息，透漏相变填充材料主要为亲液性高分子材料和液态相变介质，和骨架组成的冷却组件具备不易发生形变，散热效率高，散热响应快，排气效果好等特点。 图5.相关专利附图 该技术的关键点在于采用高吸热材料，并利用该材料的气化潜热，使得电芯间吸热能力极大提升，可以完全吸收一个电芯热失控传递到下一个电芯的全部热量，从而有可能解决多个电池热失控以及极端工况下多节电池被破坏导致的热扩散问题，且技术方案能够覆盖全部电芯尺寸与不同电芯体系。 图6.电芯间填充相变材料（专利截图） 图7.比亚迪的刀片电池 比亚迪刀片电池2020年“出鞘安天下”，因通过针刺试验而一举成名。而4年多以来，比亚迪又不断以创新性的热安全技术，特别是以电芯间高吸热材料在刀片电池中应用，从而令刀片电池系统的热安全能力足以应对征求意见稿的“不起火，不爆炸”。 维科网锂电注意到，最近的9月13日，比亚迪获得一项重要发明专利，专利名称为“电池系统及电动汽车”，申请号为CN201711332873.2，此专利的授权标志着公司在电池技术领域又迈出了坚实的一步。 总结 据统计，截至9月中旬，比亚迪今年以来在专利授权方面成果显著，已新获得2607个专利授权，相比去年同期增长了25.4%。 技术实力持续突飞猛进的背后，是研发投入的支撑。比亚迪2024年中报财务数据显示，期内，比亚迪研发投入高达196.21亿元，同比增长41.82%，为上半年A股上市公司研发费用投入最多的企业。这进一步证明了比亚迪对研发和创新的高度重视。 而在创新技术的“防护”下，比亚迪的动力电池以及新能源汽车，都将具备更强的安全性与竞争力！