朱相歡,王彩娟

( 1. 蘇州市吳江區(qū)檢驗(yàn)檢測(cè)中心,江蘇 蘇州 215200; 2. 中華人民共和國(guó)吳江海關(guān),江蘇 蘇州 215200 )

小到兒童玩具用電池、大到車用動(dòng)力電池,各領(lǐng)域的電池相關(guān)產(chǎn)品都發(fā)生過(guò)召回事件[1-4]。 據(jù)統(tǒng)計(jì),自2018 年以來(lái),美國(guó)消費(fèi)品安全協(xié)會(huì)(CPSC)對(duì)我國(guó)實(shí)施的與電池相關(guān)產(chǎn)品的召回達(dá)30 余起。 2020 年8 月11 日,福特宣布因發(fā)生自燃必須召回20 500 臺(tái)Kuga 插電混合動(dòng)力汽車(PHEV)(國(guó)內(nèi)版稱翼虎),并要求車主不要在家充電[1]。 2020 年10月13 日,由于PHEV 車型使用的電池存在發(fā)熱的情況,可能引發(fā)自燃,寶馬在全球范圍內(nèi)召回26 700 臺(tái)PHEV,并建議受涉及的車主不要進(jìn)行充電,而寶馬和福特這兩起召回事件,涉及的電池均來(lái)自于同一供應(yīng)商[1]。 2020 年10 月16日,現(xiàn)代汽車宣布將從韓國(guó)市場(chǎng)召回25 564 輛Kona 電動(dòng)汽車(EV),原因初步判定是電芯存在起火風(fēng)險(xiǎn)[2]。 2020 年11月13 日,由于所用的動(dòng)力電池存在起火隱患,通用汽車宣布召回68 677 輛Bolt 電動(dòng)車[3]。 這距離現(xiàn)代汽車涉及同一電池產(chǎn)品的同一理由召回,還不到1 個(gè)月的時(shí)間。

有必要探究事件背后折射出的電池質(zhì)量問(wèn)題,為電池制造和使用企業(yè)提供參考,避免產(chǎn)品在銷售時(shí)因出現(xiàn)電池質(zhì)量問(wèn)題而發(fā)生召回。

本文作者分析近3 年美國(guó)CPSC 召回和2020 年車用電池召回的原因,針對(duì)電池產(chǎn)品質(zhì)量提升提出一些應(yīng)對(duì)性建議,供相關(guān)機(jī)構(gòu)參考。

1 召回原因分析

1.1 CPSC 召回

分析表1 中所列出的近3 年美國(guó)CPSC 對(duì)我國(guó)實(shí)施的30 余起與電池相關(guān)產(chǎn)品的召回事件可知[4],主要原因是在使用過(guò)程中,電池或充電器件出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象,造成了火災(zāi)和燒傷危害。

表1 2018 年以來(lái)電池相關(guān)消費(fèi)品的CPSC 召回Table 1 Consumer Product Safety Committee(CPSC)recalls of battery-related consumer goods since 2018

造成這些電池相關(guān)產(chǎn)品“過(guò)熱”的原因主要有:

①用電產(chǎn)品較低端,以無(wú)線或便攜設(shè)備為主,電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 由于缺少有效的電池管理系統(tǒng)(BMS),產(chǎn)品在充電、使用或因電器內(nèi)部金屬件導(dǎo)致電池外部短路時(shí),無(wú)法監(jiān)控和管理電池(特別是鋰離子電池)充放電過(guò)程中的溫度、電流和電壓等,可能出現(xiàn)電池“過(guò)熱”,構(gòu)成火災(zāi)和爆炸危害。

②為節(jié)約成本,制造商選配的電池品質(zhì)不高,實(shí)際使用時(shí)在環(huán)境變化或?yàn)E用(過(guò)充、撞擊和外部短路等)情況下,材料極易發(fā)生不良化學(xué)反應(yīng),引發(fā)“過(guò)熱”,導(dǎo)致起火、爆炸。

③目前我國(guó)未對(duì)出口電池實(shí)施法定檢驗(yàn),而美國(guó)保險(xiǎn)商試驗(yàn)(UL)認(rèn)證是自愿性認(rèn)證。 部分企業(yè)沒(méi)有主動(dòng)對(duì)標(biāo)美國(guó)UL 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試,不對(duì)用電產(chǎn)品實(shí)施模擬測(cè)試,以監(jiān)控包括“過(guò)熱”在內(nèi)的質(zhì)量問(wèn)題,就不能通過(guò)提升產(chǎn)品設(shè)計(jì),預(yù)先規(guī)避“過(guò)熱”等風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 車用動(dòng)力電池召回

2020 年以來(lái),福特、寶馬和通用等知名汽車制造商相繼因車用電池安全隱患實(shí)施了汽車召回。 這些涉及新能源汽車廠商的召回事件,反映出車用動(dòng)力電池的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。新能源汽車市場(chǎng)快速擴(kuò)張,對(duì)車用動(dòng)力電池的需求量不斷增加,目前,大多數(shù)電池廠家往往通過(guò)升級(jí)便攜設(shè)備用電池的工藝,來(lái)研發(fā)車用動(dòng)力電池技術(shù),可能存在隱患。

生產(chǎn)工藝存在缺陷。 大規(guī)模量產(chǎn)下的車用動(dòng)力電池生產(chǎn)流程管理不規(guī)范,導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程有雜質(zhì)(金屬、顆粒物)進(jìn)入電池內(nèi)部。 在充放電過(guò)程中,雜質(zhì)導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)部短路,引發(fā)熱失控,進(jìn)而引起自燃。 魏洪兵等[5]提出,在評(píng)價(jià)鋰離子電池的安全性能時(shí),內(nèi)部短路實(shí)驗(yàn)是一種有效的方法。電池發(fā)生內(nèi)部短路時(shí),一股極高的電流通過(guò)短路位置,并產(chǎn)生大量的熱,由此可能在電池內(nèi)部產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象,甚至導(dǎo)致起火、爆炸。 由于車用動(dòng)力電池單體密集排布,個(gè)別有工藝缺陷的單體電池一旦出現(xiàn)熱失控,就容易引發(fā)連鎖反應(yīng),甚至導(dǎo)致起火、爆炸。

車用動(dòng)力電池使用環(huán)境復(fù)雜。 與便攜設(shè)備用電池產(chǎn)品相比,車用動(dòng)力電池使用環(huán)境不同,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求也有較大差異。 目前,車用動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)體系還在不斷建立、完善中,車用動(dòng)力電池制造商若未及時(shí)進(jìn)行對(duì)標(biāo)測(cè)試,就可能出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。 王彩娟等[6]研究了車用動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)便攜設(shè)備用電池標(biāo)準(zhǔn)的差異,指出:車用動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試項(xiàng)目更多地結(jié)合實(shí)際使用場(chǎng)景(濕熱循環(huán)、浸水、鹽霧測(cè)試、外部火燒和熱擴(kuò)散)進(jìn)行設(shè)置,在參數(shù)設(shè)定上與便攜設(shè)備用電池有較大差別。 車用動(dòng)力電池的研發(fā)要更多地考慮復(fù)雜惡劣的使用環(huán)境,進(jìn)一步提升在濫用環(huán)境下的安全性。

車用動(dòng)力電池的BMS 研發(fā)相對(duì)落后。 相比便攜設(shè)備用BMS,車用動(dòng)力電池的BMS 除了需要更精密的電壓和電流控制功能外,還需要強(qiáng)大的溫度控制系統(tǒng)。 一旦溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在缺陷,導(dǎo)致動(dòng)力電池在充放電和運(yùn)行過(guò)程中溫度過(guò)高,那么在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,內(nèi)部電芯材料就會(huì)發(fā)生不同程度的老化,導(dǎo)致電壓和內(nèi)阻的一致性變差,電池就可能發(fā)生漏液、起火,甚至爆炸。 目前車用動(dòng)力電池的BMS 研發(fā)和測(cè)試深度都有待提高,車用動(dòng)力電池生產(chǎn)和使用企業(yè)應(yīng)盡快完善熱事件報(bào)警信號(hào)和報(bào)警閾值的研究,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就優(yōu)化調(diào)整BMS,并進(jìn)行必要的模擬測(cè)試,以保證使用安全。

2 電池管理系統(tǒng)(BMS)

消費(fèi)品用電池?cái)y帶的能量較少,“過(guò)熱”問(wèn)題產(chǎn)生的危害性相對(duì)較小,往往可通過(guò)提高電池材料性能和提升散熱系統(tǒng)(溫度熱敏電阻、泄氣閥和溫控軟件)的靈敏度來(lái)實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定。 出口美國(guó)的消費(fèi)品用電池,通過(guò)對(duì)標(biāo)相應(yīng)的UL 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試,就能在很大程度上規(guī)避“過(guò)熱”的風(fēng)險(xiǎn)。

車用電池體量大、能量密度高,在行駛過(guò)程中熱穩(wěn)定性異常時(shí)的撲救困難,必須通過(guò)軟硬件控制,保證乘車人員擁有充足的逃離時(shí)間。 2021 年1 月1 日實(shí)施的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 38031--2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》[7],為考量車用動(dòng)力電池的熱穩(wěn)定性能,專門設(shè)置了熱穩(wěn)定性測(cè)試,包括外部火燒和熱擴(kuò)散兩個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。 2020 年4 月1 日實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39086--2020《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)功能安全要求及試驗(yàn)方法》[8],規(guī)定了電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池BMS 的功能安全要求及試驗(yàn)方法,以便對(duì)動(dòng)力電池的安全運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。 危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可確定BMS 的安全目標(biāo)及屬性,防止單體電池過(guò)充電、過(guò)放電后的再充電和過(guò)溫,以及動(dòng)力電池系統(tǒng)過(guò)流導(dǎo)致的熱失控。 這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)從電池材料安全和BMS 安全兩個(gè)方面,分別進(jìn)行了規(guī)定,對(duì)車用動(dòng)力電池的規(guī)范化生產(chǎn)和管理十分重要。

3 建議

為減少電池召回事件的發(fā)生,需要制造及使用企業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)協(xié)同發(fā)揮作用。

相關(guān)制造及使用企業(yè)應(yīng)充分重視電池及用電產(chǎn)品的熱管理性能,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,完善電池及用電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 持續(xù)加強(qiáng)品質(zhì)管控,嚴(yán)控不良品率,降低發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。

相關(guān)監(jiān)管部門應(yīng)不斷完善電池及用電產(chǎn)品的召回預(yù)警機(jī)制,及時(shí)向企業(yè)發(fā)布預(yù)警信息和風(fēng)險(xiǎn)分析,幫助企業(yè)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量,避免再次發(fā)生同類型的召回。

相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)持續(xù)提升檢驗(yàn)檢測(cè)水平,緊跟電池相關(guān)法規(guī)的要求,深入解讀國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異,為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考,提高不同用電產(chǎn)品與相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的符合性。