新能源汽车电池热安全
近期安徽某高速发生的一起电动汽车的车祸致死事件引发了社会广泛关注,虽然具体原因仍等待相关部门的最终报告,但公众的疑虑和讨论却远未平息,其中涉事车辆碰撞后迅速起火燃烧尤其引发了公众对新能源汽车电池热安全性的担忧。
电池性能与安全性的权衡
制造一个安全的电池系统不难,然而现实生活中电池的选择和设计往往和性能、成本、安全性等考量相关,而这些考量因素之间是相互牵制的。
例如铅酸电池安全且便宜,但它们不具备高容量存储应用所需的能量密度;许多原型电池声称具有良好的安全性和性能,但由于高成本,到目前为止还不具备商用性;而人们通常希望充电时间短、续航里程高,这就意味着电池的能量密度高。
三元锂电池能量密度比磷酸铁锂电池高,但热失控触发温度更低,且分解时释放氧气加剧燃烧。因此在选择电池时,需要根据具体的应用场景和需求来综合考虑各种因素,往往是能量密度、安全性能、循环寿命、充放电性能等多个维度上的权衡。
电池热失控
热失控是引发电池燃烧甚至爆炸的主要因素之一,它是一种自持续放热的级联反应过程,一旦启动,几乎不可能通过外部手段阻止。在最坏情况下,它会导致电池温度骤升至800°C以上,释放有毒气体,甚至引发爆炸。
引发热失控的因素包括机械外力(如碰撞、挤压、针刺等)、不当充电(如快充或过充)、电池过热(如高镍正极材料的应用导致正极释活性氧与负极反应产生热量)和内部制造缺陷或材料劣化。
前三种因素对应的测试分别为机械滥用、电滥用和热滥用。
EV+ ARC中的电池热滥用热失控试验
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电池热安全测试与研究
正因为热失控的危害大,所以电池的热安全测试与研究尤为重要。
国际上,UN GTR 20对电动汽车电池提出了严格的安全要求;中国的GB 38031标准明确规定了电池热扩散试验的具体参数;美国SAE J2464也对电池滥用测试提出了详细流程。这些标准都要求制造商进行全面的热安全测试。
此外,热安全测试还能为改进电池设计、采用更先进的电池管理系统,或者研发新的电池技术提供基础数据。例如《Study on Thermal Runaway Behavior of Li-Ion Batteries Using Different Abuse Methods》[1]使用THT绝热量热仪(EV-ARC)研究了不同滥用方法下锂离子电池的热失控行为。
1、Study on Thermal Runaway Behavior of Li-Ion Batteries Using Different Abuse Methods. Batteries 2022, 8, 201.
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相比于DSC、DTA及TG等传统热分析测试方法,绝热量热法具有以下优点:
1
检测灵敏度高
0.005℃/min~0.02℃/min。
2
测样灵活
不同规格大小的 ARC 可以兼容电池材料以及各种规格大小的电池、电芯及模组的测试。
3
实时同步获取多数据
能同步获得温度、压力随时间变化的动态数据曲线,并可通过数据分析,得到初始分解温度、放热速率、反应热、活化能和压升速率等多种热特性参数。
4
可配套拓展多功能模块
可搭配多功能测试模块,实现电池的电滥用测试、机械滥用测试、产气检测分析及比热容测试等。
EVx ARC 绝热加速量热仪
目前市场上具代表性的绝热量热仪来自英国 THT (Thermal Hazard Technology)公司。它具有以下特点和优势:
1
具有极佳的绝热效果
绝热效果不好,会导致样品自生热起始温度检测偏高,自生热总量偏低,低估被测试体系的“安全性”,这一点对热安全测试至关重要。THT ARC通过先进的绝热控制技术,能确保外部热损失几乎为零,从而真实还原电池的热失控特性。
2
具有极高的检测灵敏度
量热器尺寸越大,控温能力相对越差,这一点对绝热加速量热仪生产厂商是个巨大挑战。得益于精确的绝热控制,THT ARC 的大尺寸量热器(EV+/EVx/EVL)仍然具有极高的检测灵敏度。
3
模块化设计
THT ARC 控制单元和量热器分开,可以实现一套控制系统控制多套量热器,节约成本的同时,也便于维修和维护。
4
丰富的可选附件
针对不同科研和测试需求,可方便地增配比热容测试、集成循环、气体收集、高速采集、多点温度场、红外摄像、针刺挤压、腔中腔测试等功能。
5
安全防护设计
THT ARC 采用增强钢防爆箱,耐受各类锂电失效造成的损伤。此外还有三重安全防护设计:气压实时监测与自动泄压系统、热联锁装置确保防爆箱在测试过程中不被打开、智能气体处理系统可自动排除有毒气体,为测试人员和设备提供足够的安全保障。
6
行业认可度高
THT ARC 序列产品在全球500多个安全实验室使用,得到国际广泛认可。全球排名前十的电池制造商中有七家使用THT ARC进行关键安全测试,彰显了其在电池热安全测试领域的实力和可靠性。THT ARC 无论在多样化的学术研究还是严苛的工业应用中均表现卓越。
EVL 绝热加速量热仪
史上最严电池安全令
近日,工信部正式发布GB 38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,将于2026年7月1日实施,新规将动力电池“不起火、不爆炸”改为了强制性要求,还新增了底部撞击测试和快充循环后安全测试等内容,被称为“史上最严电池安全令”。
业内人士认为,动力电池安全标准正在改写行业游戏规则,新规实施后,将倒逼车企重新设计电池包结构,强化底部防护和热管理系统,甚至开辟新电池类型赛道,进一步提升电池安全性能,通过严苛测试保障电池安全,缓解公众对新能源车自燃风险的担忧。
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