探究电池召回事件背后的安全要求

2021-07-10朱相欢王彩娟

电池 2021年3期

朱相欢,王彩娟

( 1. 苏州市吴江区检验检测中心,江苏苏州 215200; 2. 中华人民共和国吴江海关,江苏苏州 215200 )

小到儿童玩具用电池、大到车用动力电池,各领域的电池相关产品都发生过召回事件[1-4]。据统计,自2018 年以来,美国消费品安全协会(CPSC)对我国实施的与电池相关产品的召回达30 余起。 2020 年8 月11 日,福特宣布因发生自燃必须召回20 500 台Kuga 插电混合动力汽车(PHEV)(国内版称翼虎),并要求车主不要在家充电[1]。 2020 年10月13 日,由于PHEV 车型使用的电池存在发热的情况,可能引发自燃,宝马在全球范围内召回26 700 台PHEV,并建议受涉及的车主不要进行充电,而宝马和福特这两起召回事件,涉及的电池均来自于同一供应商[1]。 2020 年10 月16日,现代汽车宣布将从韩国市场召回25 564 辆Kona 电动汽车(EV),原因初步判定是电芯存在起火风险[2]。 2020 年11月13 日,由于所用的动力电池存在起火隐患,通用汽车宣布召回68 677 辆Bolt 电动车[3]。这距离现代汽车涉及同一电池产品的同一理由召回,还不到1 个月的时间。

有必要探究事件背后折射出的电池质量问题,为电池制造和使用企业提供参考,避免产品在销售时因出现电池质量问题而发生召回。

本文作者分析近3 年美国CPSC 召回和2020 年车用电池召回的原因,针对电池产品质量提升提出一些应对性建议,供相关机构参考。

1 召回原因分析

1.1 CPSC 召回

分析表1 中所列出的近3 年美国CPSC 对我国实施的30 余起与电池相关产品的召回事件可知[4],主要原因是在使用过程中,电池或充电器件出现过热现象,造成了火灾和烧伤危害。

表1 2018 年以来电池相关消费品的CPSC 召回Table 1 Consumer Product Safety Committee(CPSC)recalls of battery-related consumer goods since 2018

造成这些电池相关产品“过热”的原因主要有:

①用电产品较低端,以无线或便携设备为主,电路设计简单。由于缺少有效的电池管理系统(BMS),产品在充电、使用或因电器内部金属件导致电池外部短路时,无法监控和管理电池(特别是锂离子电池)充放电过程中的温度、电流和电压等,可能出现电池“过热”,构成火灾和爆炸危害。

②为节约成本,制造商选配的电池品质不高,实际使用时在环境变化或滥用(过充、撞击和外部短路等)情况下,材料极易发生不良化学反应,引发“过热”,导致起火、爆炸。

③目前我国未对出口电池实施法定检验,而美国保险商试验(UL)认证是自愿性认证。部分企业没有主动对标美国UL 标准进行产品设计和测试,不对用电产品实施模拟测试,以监控包括“过热”在内的质量问题,就不能通过提升产品设计,预先规避“过热”等风险。

1.2 车用动力电池召回

2020 年以来,福特、宝马和通用等知名汽车制造商相继因车用电池安全隐患实施了汽车召回。这些涉及新能源汽车厂商的召回事件,反映出车用动力电池的技术瓶颈问题。新能源汽车市场快速扩张,对车用动力电池的需求量不断增加,目前,大多数电池厂家往往通过升级便携设备用电池的工艺,来研发车用动力电池技术,可能存在隐患。

生产工艺存在缺陷。大规模量产下的车用动力电池生产流程管理不规范,导致生产过程有杂质(金属、颗粒物)进入电池内部。在充放电过程中,杂质导致电池发生内部短路,引发热失控,进而引起自燃。魏洪兵等[5]提出,在评价锂离子电池的安全性能时,内部短路实验是一种有效的方法。电池发生内部短路时,一股极高的电流通过短路位置,并产生大量的热,由此可能在电池内部产生热失控现象,甚至导致起火、爆炸。由于车用动力电池单体密集排布,个别有工艺缺陷的单体电池一旦出现热失控,就容易引发连锁反应,甚至导致起火、爆炸。

车用动力电池使用环境复杂。与便携设备用电池产品相比,车用动力电池使用环境不同,测试标准的要求也有较大差异。目前,车用动力电池标准体系还在不断建立、完善中,车用动力电池制造商若未及时进行对标测试,就可能出现质量问题。王彩娟等[6]研究了车用动力电池标准与常规便携设备用电池标准的差异,指出:车用动力电池标准中的测试项目更多地结合实际使用场景(湿热循环、浸水、盐雾测试、外部火烧和热扩散)进行设置,在参数设定上与便携设备用电池有较大差别。车用动力电池的研发要更多地考虑复杂恶劣的使用环境,进一步提升在滥用环境下的安全性。

车用动力电池的BMS 研发相对落后。相比便携设备用BMS,车用动力电池的BMS 除了需要更精密的电压和电流控制功能外,还需要强大的温度控制系统。一旦温度控制系统的设计存在缺陷,导致动力电池在充放电和运行过程中温度过高,那么在长时间运行后,内部电芯材料就会发生不同程度的老化,导致电压和内阻的一致性变差,电池就可能发生漏液、起火,甚至爆炸。目前车用动力电池的BMS 研发和测试深度都有待提高,车用动力电池生产和使用企业应尽快完善热事件报警信号和报警阈值的研究,在产品设计阶段就优化调整BMS,并进行必要的模拟测试,以保证使用安全。

2 电池管理系统(BMS)

消费品用电池携带的能量较少,“过热”问题产生的危害性相对较小,往往可通过提高电池材料性能和提升散热系统(温度热敏电阻、泄气阀和温控软件)的灵敏度来实现热稳定。出口美国的消费品用电池,通过对标相应的UL 标准进行产品设计和测试,就能在很大程度上规避“过热”的风险。

车用电池体量大、能量密度高,在行驶过程中热稳定性异常时的扑救困难,必须通过软硬件控制,保证乘车人员拥有充足的逃离时间。 2021 年1 月1 日实施的强制性国家标准GB 38031--2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》[7],为考量车用动力电池的热稳定性能,专门设置了热稳定性测试,包括外部火烧和热扩散两个测试项目。 2020 年4 月1 日实施的国家标准GB/T 39086--2020《电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法》[8],规定了电动汽车用动力电池BMS 的功能安全要求及试验方法,以便对动力电池的安全运行进行监控和保护。危害分析和风险评估可确定BMS 的安全目标及属性,防止单体电池过充电、过放电后的再充电和过温,以及动力电池系统过流导致的热失控。这两个标准从电池材料安全和BMS 安全两个方面,分别进行了规定,对车用动力电池的规范化生产和管理十分重要。