我國電動汽車動力電池安全標準現狀及展望*

舒 強，王藝帆，梁 元

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062）

前言

受益于國家政策支持和技術進步，近年來我國新能源汽車產業持續快速發展。截至2021年底，國內新能源汽車保有量達784萬輛，其中純電動汽車640萬輛，占總量的82%［1］。目前電動汽車基本采用鋰離子動力電池。動力電池的制造成本約占電動汽車整車制造成本的40%［2］，對電動汽車的安全性、動力性、續航里程和使用壽命起著決定性作用，是最關鍵的核心部件。但當前動力電池安全隱患問題突出，因其燃燒爆炸導致的電動汽車火災事故是行業關注的焦點。

標準化工作在促進產業升級、保障產品質量安全等方面起著重要作用。電動汽車的動力電池是關系到生命財產安全的產品，更需要建立完善的安全標準體系，以保證產品質量穩定、性能可靠。從20世紀90年代，全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會便開展了動力電池標準化的研究工作［3］。20多年間，伴隨著產業化進程推進、技術工藝創新、產品迭代升級、應用管理經驗積累等，國內先后制、修訂了20多項動力電池安全相關標準，涉及動力電池的安全性與測試方法、管理系統、遠程服務與管理、電池箱、整車碰撞、消防安全和應急救援等多個方面，為保障電動汽車運行安全發揮了重要作用，同時也推動了國內動力電池安全標準研究躋身于國際領先行列。2018年我國曾作為非正式工作組的副主席國家主導完成了電動汽車動力電池安全全球技術法規（UN GTR 20）的制、修訂工作。

但受限于整體安全技術研究水平，動力電池安全尤其是熱安全仍然是當前研究的熱點，也是制約動力電池乃至電動汽車行業發展的瓶頸。安全標準一般滯后于行業和技術發展，在動力電池安全領域具體表現為現有標準絕大多數為推薦性標準，這些標準要兼顧行業的平均技術水平，執行效力不強［4］。鑒于鋰離子電池是當前電動汽車最主要的動力電池類型，本文中梳理了鋰離子電池行業和安全技術發展情況，分析了相關安全標準發展歷史沿革、面臨挑戰和完善建議，展望并提出了安全標準發展意見。

1 動力電池行業和安全標準狀況

1.1 動力電池行業發展狀況

國內電動汽車動力電池的發展先后經歷了鉛酸電池、鎳鎘與鎳氫電池和鋰離子電池的歷程［5］。鋰離子電池是以碳材料為負極、含鋰化合物為正極、在充放電過程中只有鋰離子存在的一種蓄電池［6］，具有循環壽命長、輸出電壓高、能量密度高、無記憶效應、自放電率低、可快速充放電等優點［7］。按照正極材料不同，鋰離子電池主要有三元電池、磷酸鐵鋰電池等。2021年，國內動力電池總裝機量為154.5 GW·h，其中三元電池為74.3 GW·h，占比48.1%；磷酸鐵鋰電池為79.8 GW·h，占比51.7%［8］。得益于制造工藝提升、新材料應用，近年來鋰離子電池能量密度顯著提升。2020年電動乘用車電池系統平均能量密度達152.6 W·h∕kg，平均續航里程391.4 km，比2017年分別提升了46.3%和85.0%［9］。電動汽車產業快速發展對汽車的動力性、續航里程的要求不斷增高，將推動動力電池的能量密度繼續提升。

1.2 動力電池安全問題

鋰離子電池能量密度提升受限于安全問題。隨著能量密度提升，鋰離子電池運行過程中的產熱和溫升會相應提高［10］；隨著循環使用次數增加，鋰離子電池熱穩定性將逐漸下降［11］，因此能量密度越大，安全性越差。近年來涉及鋰離子電池的新能源汽車火災事故時有發生［12］，僅2020年被媒體公開報道的就有124起，相比2019年的99起有明顯提升［13］。電動汽車火災事故基本是由動力電池熱失控引發的［14］。當單體電池發生內短路、內部產熱遠大于散熱，將導致內部溫度快速升高，觸發熱失控［15］。影響熱失控的因素可分為內外兩方面，內因包括動力電池的本征安全和產品質量，外因是指動力電池使用過程中的機械和電氣等濫用。

1.2.1 內部因素

鋰離子電池充放電時的脫嵌鋰會產生材料形變，內阻會產生焦耳熱，使得內部出現機械應力與熱應力，這是引發內短路及電化學性能衰退的重要原因［16］；其關鍵組成材料電解液、隔膜、負極等均有易燃性，且大量單體電池緊湊串并聯運行在封閉空間，更增加了安全風險。高能量密度、正負極嵌入反應、組成材料易燃、工作空間緊湊密封等特征，決定了鋰離子電池先天性存在熱失控安全隱患。另外，鋰離子電池是大面積薄膜類電化學器件，生產一致性受材料、工藝、質控能力等多因素影響，各種因素產生的不一致性還會累加［17］。單體電池的不一致性外在呈現在容量、電阻、電壓等電性能參數上。容量、電壓的差異會導致充放電深度不同，電阻的差異會導致產熱不均，造成電池衰減水平分化，加劇單體電池間的不一致性，加速電池組老化，擴大電池系統的安全風險［18］。

1.2.2 外部因素

鋰離子電池在使用過程中，誘發熱失控的主要原因是機械濫用和電濫用。鋰離子電池單體會因碰撞、擠壓產生機械濫用。當電池受損程度輕時，損傷會在后續循環使用中放大，導致失效，嚴重時會造成殼體開裂、電解液泄漏，甚至內短路進而發生起火、爆炸［19］；電濫用主要有過充電、過放電、外短路等情形，其中過充電最容易引發熱失控，在過充電過程中，將先后出現電壓不斷上升、正極材料破壞、容量下降、溫度快速上升，嚴重時內部將產生大量氣體，導致電池膨脹、破裂，甚至起火、爆炸。

1.3 動力電池安全技術研究情況

對于鋰離子電池熱安全，近年來國內外開展了大量研究，取得了一定的理論和試驗成果。在本征安全和產品質量方面，研究方向涉及正負極、電解液、隔膜等使用更安全的材料，以及材料顆粒、極片微結構、電極平面、單體電芯等不同尺度的生產一致性；在安全管理方面，研究方向主要是動力電池的運行狀態評估、故障預警和干預，以及發生熱失控后的延緩擴展和蔓延等。但鋰離子電池內部的電化學反應非常復雜，通常是電、機、熱等多種應力相互耦合共同作用的結果［20］，現有研究仍處于探索發展階段，無法從根本上解決熱失控問題［21］。

1.4 動力電池安全標準概況

標準化建設和技術發展相輔相成，技術發展是標準化的前提，標準化是提高整體技術水平的保障。從熱安全問題產生原因及危害影響分析，動力電池安全除了受產品本身安全性影響外，還與使用過程中的維護管理，以及整車、電池箱、消防系統等關聯部件有關，是個系統工程，但受限于技術研究水平，目前無法從任何單一方面解決。因此，國內相關單位從提高動力電池安全性，確保運行在安全區間，提高機械安全防護，以及發生熱事故后乘員保護、消防滅火等方面出發，制定標準，形成了動力電池安全標準體系。

國內標準體系通常采用強制性標準體系和推薦性標準體系相結合的形式［22］。強制性標準是指國家強制性標準，一般涉及人身和財產安全的標準為強制性國家標準；推薦性標準是指能夠滿足基礎通用、對行業起引領作用、與強制性標準配套的標準，包括國家推薦性標準和行業推薦性標準。行業標準是國家標準的補充，用于統一單個行業的技術要求。長期以來，國內動力電池安全標準基本為推薦性標準，在2020年才發布實施第1批國家強制性標準。根據標準規定的技術要求的發生時機，可以將動力電池安全標準劃分本征安全、主動防護安全、被動防護安全等3個類別。其中，本征安全是動力電池能夠抑制外界擾動而引起不安全行為的能力［23］，旨在從根本上解決熱失控等安全問題；主動防護安全是應用電池管理系統、遠程運營服務和監管等技術，控制動力電池在符合其本征安全的環境下運行，預警可能的安全風險，并采取干預措施；被動防護安全是指動力電池發生熱失控后，及時采取滅火降溫等措施，控制電池熱量釋放、擴散，保護駕乘人員安全，以及在發生碰撞事故時，保護動力電池系統免受機械損壞等。圖1為動力電池安全標準體系框架。

圖1 動力電池安全標準體系框架

2 本征安全標準現狀及存在問題

鋰離子電池自20世紀90年代便開始規模化商業應用，但直到近幾年才開始作為電動汽車的主要動力電池應用［24］。國內鋰離子電池本征安全標準發展經過了4個階段。2001年國家發布了指導性標準GB∕Z 18333.1—2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》和推薦性標準GB∕T 18384.1—2001《電動汽車安全要求第1部分：車載儲能裝置》；2006年，汽車行業對鋰離子電池單體和電池組的安全性提出更全面的要求，推出行業標準QC∕T 743—2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》；隨著技術進步和大規模應用實踐，鋰離子電池安全標準開始呈體系化發展，2015年國家發布了6項鋰離子電池相關推薦性標準，包括GB∕T 31467.1.2.3電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統高功率、高能量、安全性要求及測試規程等系列標準，GB∕T 31484、GB∕T 31485、GB∕T 31486電動汽車用動力蓄電池循環壽命、安全要求、性能要求和試驗方法等；2020年，基于對國內外電動汽車安全事故總結和實測試驗數據，并通過與GTR20、ECE R100、ISO 6469-1、IEC62660-2∕3等最新國際標準法規協調，在 原 有 國 家 推 薦 性 標 準GB∕T 31485、GB∕T 31467.3的基礎上，我國制定了首個動力電池國家強制性標準GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》［25］，強化了動力電池包和系統的安全性，要求動力電池包或系統通過熱穩定性、機械安全、使用環境安全、功能安全等4個方面的16項可能導致安全風險的測試項目。測試項目模擬了動力電池包或系統的實際應用場景，測試條件和要求更符合電動汽車實際運行安全需求。相比國外IEC 62660-2：2018等同類標準，該標準增添了外部火燒、熱擴散保護、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環、浸水、溫度沖擊、鹽霧、高海拔，以及過溫、過流、外部短路、過充電、過放電保護等安全性要求［26］。考慮到電動客車載客較多，國家強制性標準GB 38032—2020《電動客車安全要求》［27］還要求電動客車動力電池系統必須通過加熱觸發熱失控安全性試驗。表1為鋰離子動力電池不同發展階段的安全性及其測試要求。

表1 鋰離子動力電池不同發展階段的安全性和測試要求

上述標準對突發事件或濫用情況下的新出廠動力電池本征安全給出了統一要求［28］。但鋰離子電池在循環使用過程中，會因內阻上升和容量下降引發緩變故障，使電池呈持續的性能衰減。同時隨著運營里程增加和容量衰減，電池累計高溫工況會逐漸增加，影響電池的健康度［29］。因此，從全生命周期來看，運行中后期是動力電池發生熱失控的高發期，需要著重預防［30］。目前缺少適用于在用動力電池安全性及測試的標準。

另外，動力電池生產一致性與其內阻、容量、溫度、SOC和老化程度有強關聯性［31］，是產品質量可靠性的重要指標。目前動力電池生產一致性問題難以避免［32］，通常由各電池企業通過自身質量控制體系將生產一致性問題控制在合理范圍，但行業內還沒有統一的標準或規范，各電池企業的產品質量參差不齊。工業和信息化部在2018、2020年先后組織了兩次電動汽車動力電池安全隱患抽查行動［33］，并于2021年修訂了《鋰離子電池行業規范條件（2021版）》，提出了電極涂覆、烘干、毛刺控制、注液環境控制，以及單體電池電壓、電阻一致性控制精度等生產工藝和質量管理意見。但這些意見是引導性的，未強制要求電池企業執行。

3 主動防護安全標準現狀及存在問題

應用電池管理系統等主動防護安全技術，實現動力電池熱失控研判預警，是當前提高鋰離子電池運行安全的可行措施［34］。

3.1 電池管理系統

電池管理系統是管理動力電池工作條件的設備，用于實時采集電池系統運行狀態數據，分析是否超過安全閾值，實現對動力電池運行安全監測和預警［35］。2011年汽車行業就發布了行業推薦性標準QC∕T 897—2011《電動汽車用電池管理系統技術條件》，2020年又升級為兩項國家推薦性標準GB∕T 38661—2020《電動汽車用電池管理系統技術條件》［36］、GB∕T 39086—2020《電動汽車用電池管理系統功能安全要求及試驗方法》［37］，要求電池管理系統能夠獲取電池單體或系統電壓、系統電流和溫度等運行狀態信息，具有故障診斷、記錄、處理等功能，實現防止電池單體過充、過放后再充電、過溫以及電池系統過流等安全目標。

但現有電池管理系統標準不是國家強制性標準，也沒有相關政策性文件要求強制執行［38］。要實現主動防護安全，對于狀態檢測、性能評估、安全保護等功能需求也有待完善。在狀態監測方面，受制于成本限制，無法采集全部單體電池溫度，實際的溫度最高點位置很可能與標準規定的預設溫度采集點位置不一致；同時由于鋰離子電池外部特性與內部機理關聯研究還不成熟，采集的電池表面溫度難以準確反映內部真實狀態。在狀態評估方面，標準未要求電池管理系統要具有功率狀態（state of power，SOP）的估算功能。在安全保護方面的重點是保證動力電池系統在安全區域運行，如鋰離子電池適宜工作溫度在25～45℃之間，過高過低都會對安全性產生影響［39］，但標準未要求具備相應的熱管理功能。

3.2 遠程服務與管理要求

為加強電動汽車運行安全監管，實現實時監測，對發現的故障預警及時處置，2016年國家發布實施了《電動汽車遠程服務與管理系統技術規范》系列推薦性標準，由3部分組成，分別規定了電動汽車遠程服務與管理系統的技術要求［40］、車載終端的技術要求和試驗方法［41］，以及系統協議結構、通信連接、數據包結構與定義和數據單元格式與定義［42］等。依托該系列標準建立的國家電動汽車遠程服務與管理平臺能夠收集7類共計約61項車端信號，包括了電流、電壓、溫度等12項涉及安全故障的數據。2017年工業和信息化部發布進一步做好新能源汽車推廣應用安全監管工作的通知，要求國內電動汽車企業搭建企業端平臺，并完成與國家平臺的對接。截至2022年1月，國家電動汽車遠程服務與管理平臺累計接入車輛突破710萬輛，日均上線率為68.8%，日均總行駛里程超過3億km［43］。

電動汽車遠程服務與管理平臺具備實時接收動力電池運行狀態監測數據的功能，能夠累積形成動力電池全生命周期運行狀態大數據。相關機構應用監測數據預測電動汽車安全隱患準確度達到80%［44］。但現有標準僅要求采集動力電池運行數據的采樣周期不大于1 s，同時基于隱私保護要求，對于私家車只有在故障預警時才將完整的監測數據傳遞到平臺，運行數據采集頻次低，對于占絕大多數的私家車運行數據采集不連續、歷史數據嚴重缺失等，導致無法實施有效的安全監管和安全事故分析［45］。如2020年發生的電動汽車無征兆類自燃事故占比高達90%，但無法通過運行監測數據分析認定事故原因［46］，監測數據顆粒度不足是重要原因之一。

4 被動防護安全標準現狀及存在問題

4.1 機械安全防護

電動汽車在運行時難免會發生碰撞事故，這要求整車和動力電池系統必須具有對于機械濫用情況的容限［16］。電池箱是用于承載動力電池系統的機械結構，對保護動力電池系統的機械安全，并在出現安全風險時隔絕危險源與駕乘人員發揮著重要作用［45］。2014年，汽車行業制定了行業推薦性標準QC∕T 989—2014《電動汽車用動力蓄電池箱通用要求》［47］，規定了電池箱的一般要求、安全要求、機械強度、外觀與尺寸、耐環境要求、組裝要求、試驗方法等，明確了對動力電池系統的安全防護能力。2015年發布實施的國家推薦性標準GB∕T 31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》［48］規定了電動汽車發生正面和側面碰撞時對動力電池的安全防護要求，包括碰撞試驗結束30 min內動力電池不起火、不爆炸，從電池溢出的電解液不應超過5 L，不應有電解液溢出到乘員艙；乘員艙內的動力電池保持在安裝位置、電池部件保持在其外殼內，乘員艙外的不進入乘員艙等，這對電動汽車整車結構、電池箱等對電池系統機械安全的防護能力提出了更高要求；考慮到部分電動汽車動力電池位于車輛后部，2019年又啟動該標準的修訂工作，增加了電動汽車發生后部碰撞時對動力電池安全防護要求。另外，考慮到客車側翻事故多發，GB 38032—2020《電動客車安全要求》還要求客車上部結構強度要滿足在側翻試驗條件下對動力電池系統的安全防護要求。

電動汽車絕大多數是乘用車型，其動力電池系統一般安裝在車輛中部位置的底盤上。但底盤是乘用車最容易受到磕碰損傷的部位，目前還沒有標準明確發生底盤磕碰事故時對電池系統的安全防護要求。

4.2 消防安全和救援

動力電池發生熱失控后會出現溫度升高、噴出煙霧氣體等現象，因此火災消防領域通過監測元件探測電池箱內溫度、氣體、煙霧等實時數據判斷是否發生熱失控，以實現熱失控及時預警，盡可能早地啟動滅火降溫裝置［49］。交通運輸行業推薦性標準JT∕T 1026—2021《純電動城市客車通用技術條件》［50］要求純電動城市客車的動力電池系統（或安裝艙體）應配置具有火災報警功能及滅火功能的自動滅火裝置。公安部消防產品合格評定中心制定的消防產品技術鑒定通用技術條件CCCF∕XFJJ-01《電動客車動力鋰離子電池箱火災防控裝置通用技術要求》［51］，適用于安裝在電動客車磷酸鐵鋰動力電池箱內的火災防控裝置的技術鑒定，要求火災防控裝置能對電池箱內有可能引發火災的一氧化碳氣體濃度、電池表面溫度等危險源征兆進行探測，根據一氧化碳氣體濃度進行預警，根據電池表面溫度啟動火災抑制介質噴放功能。另外，國家推薦性標準GB∕T 38283—2019《電動汽車災害事故應急救援指南》［52］規定了電動汽車動力電池發生火災事故時的滅火和救援指導，包括消防滅火劑使用、滅火戰術等，適用于救援人員開展電動汽車著火事故的救援工作。

從上述標準來看，現有動力電池消防安全標準適用的車型和動力電池類型較少，同時考慮到不同的電池故障析出的氣體類型和析出氣體的先后順序不同，現有消防標準也無法兼容動力電池的各類事故案例［50］。

5 動力電池安全標準完善意見和展望

5.1 動力電池安全標準完善意見

（1）在本征安全方面，對于在用的鋰離子動力電池，亟需建立合理可行的安全性檢測評價要求，明確檢測評價指標、方法、周期等，為實現全生命周期安全性測試評估提供依據；生產一致性是影響動力電池產品質量可靠的關鍵因素，需要明確生產一致性問題嚴重程度的合理閾值，達成行業共識，形成統一標準或規范，為電池企業組織生產和主管部門實施監管提供依據。

（2）在主動防護安全方面，須進一步完善電池管理系統的狀態監測、性能評估、安全保護等功能，重點提高溫度數據采集的準確性和科學性，完善SOP估算、均衡管理、熱管理等功能要求；在動力電池遠程服務和監管方面，須增加動力電池運行狀態數據的采集、上傳頻次，以提高采集數據的實用價值。

（3）在被動防護安全方面，須完善電動乘用車底盤和動力電池系統電池箱底部的碰撞安全性，以及適用于不同車型、電池類型、事故情形的電池箱自動滅火裝置配置要求。

5.2 展望

目前還沒有從根本上解決動力電池安全問題的技術方案，動力電池全生命周期都存在熱失控安全風險，這一風險還會隨著使用年限的延長而增大。應用現有標準的方法、設備、環境等，檢測動力電池的安全性存在費用高、時間長、不便利、具有破壞性等問題，對于在用的電動汽車可操作性不強，無法有效實施。目前動力電池行業內將“預防為主、滅火為輔”作為熱失控安全防護的設計原則。在研究領域，通過實時獲取動力電池運行狀態信息，配合車輛基礎數據、運行環境、交通條件等數據，應用大數據分析技術，實現數據驅動下的動力電池系統故障診斷、預警，是當前研究的熱點［53］，被認為是改善動力電池熱安全問題的可行技術路線［54］，這在國家政策方面得到認同。2021年，工業和信息化部將提升動力電池熱失控報警、完善電動汽車遠程服務與管理系列標準等納入2022年汽車標準化工作要點；2022年3月，工業和信息化部、公安部等五部委發布《關于進一步加強新能源汽車企業安全體系建設的指導意見》，將研究動力電池運行安全閾值邊界，應用安全預警方法、熱失控實時監測預警裝置、早期抑制及滅火措施，以及挖掘運行數據提高運行安全狀態監測平臺效能等，作為提高電動汽車安全性的重要措施。

現有電動汽車遠程服務與管理平臺為開展數據驅動的動力電池健康度估算、故障診斷和預警提供了基礎條件。但挖掘應用這些海量數據的實用價值，還需要做好以下工作：

（1）研制動力電池安全監測預警標準。在提高動力電池運行狀態監測數據采集、上傳頻次的基礎上，研究完善動力電池運行狀態監測數據項、采集方法、安全狀態邊界閾值、安全風險評估模型和預警處置措施等，制定專用標準“動力電池運行安全動態監測預警技術”，將對實現動力電池全生命周期的安全監管有著重要意義。

（2）創新動力電池安全檢驗模式。機動車“年檢”是我國機動車安全管理的基本制度，具有強制性實車檢驗的特點，但適用于機動車“年檢”的GB 38900—2020《機動車安全技術檢驗項目和方法》［55］僅將動力電池系統外殼完好性和電解液是否泄漏納入了定期檢驗項目，對動力電池安全性檢驗能力不足。考慮到遠程監測預警技術也有待完善，當前可以充分發揮線上監測評估和線下實車檢驗的技術優勢，采取線上建立大數據視角下的評估預警，為線下實車檢驗提供更加精準的安全隱患識別指引，提高線下檢驗的針對性和科學性，形成“線上主動預警、線下隱患消除”的動力電池安全檢驗新模式。