新能源汽車鋰離子動力電池安全性分析

關鍵詞：新能源汽車；電池測試；鋰離子電池；汽車動力電池

0 前言

近年來，隨著我國可持續發展需求及綠色環保理念的不斷提出和落實，我國各行各業都陸續走上了綠色發展之路，其中以汽車行業為代表的新能源汽車銷量不斷提升，逐步替代傳統的燃油汽車，成為了我國汽車行業發展過程中的重要產品。但與此同時，新能源汽車的安全性也成為行業的重點研究課題，在我國新能源汽車獲得廣泛運用的同時，電動汽車安全事故也頻繁出現，不僅使新能源汽車行業的發展受阻，更對人們的人身安全帶來了極大的威脅［1］。因此，應重點研究新能源汽車的動力電池安全性，科學合理地進行檢測與分析，保障電池性能的安全可靠，從根本上降低事故風險［2-3］。

1 新能源汽車動力鋰離子電池事故原因

1. 1 內部因素

由于電因素所導致的新能源電池安全問題，主要以鋰枝晶刺穿內短路、過度充電、過度放電為主［4］。調查研究表明，在我國大量的電動汽車安全事故中，出現概率最高的是電池起火。動力電池著火分為動力電池自燃、充放電過程起火燃燒及碰撞起火燃燒3 種不同類型［5］。電池本身自燃大多由短路引起，在電池進行制造和使用時，其中帶入了一定的金屬顆粒，同時電解液分布不均勻、使用方式不合理，會導致出現局部滲透，將隔膜劃破，最終誘發局部短路。在局部短路之后，一定程度的熱量堆積，會引發電池起火。充放電起火涉及內容較多，其中包括過度充電、過度放電及非正常充電。大多數充電起火都是由于在正常充電時電池熱量太高，進而引發起火甚至爆炸［6-7］。

1. 2 外部因素

1. 2. 1 機械因素

由于機械問題所引發的電池安全問題包括振動、擠壓和碰撞。在駕駛電動汽車時，出現交通事故碰撞，可能會導致電磁波在外界壓力的影響下引起電池內部出現短路和漏電，進而引發安全事故。若是此時電動汽車為停放在原地的狀態，在靜態擠壓的影響下，有可能會出現電解液泄漏，導致電池內部短路。在電動汽車行駛時，其面對的不確定性因素較多，路況較為復雜，例如車輛的劇烈振動及在道路中的大幅度跌落，都會引發電動汽車的電池鼓包、起火問題。碰撞是導致電池起火的重要原因之一，在電池出現碰撞的一瞬間，電池劇烈變形，在遇到明火之后，引發起火甚至出現爆炸。碰撞問題的出現，除了會引發火災，甚至會導致高壓電池漏電，因此為進一步確保出現碰撞之后動力電池不會出現爆炸問題，需要進行相應的測試，發揮預防工作的價值。

1. 2. 2 環境因素

環境因素也會引發的動力電池安全問題，其中包括鹽霧、淋雨、涉水等。在電動汽車駕駛和停放在原地時，可能會由于外界因素引發高溫明火，這時電池溫度劇烈升高，內部熱量失控。尤其是在我國個別地區，地質地貌較為特殊，海拔高度越高，大氣壓強越低，空氣中的含氧量就越小。雖然第二環境不會對電池性能本身帶來影響，但是壓強差的劇烈轉變，可能會導致電池內部結構出現變化，對其擠壓后引發短路問題。鹽霧環境會腐蝕鋰電池金屬材料，同時鹽霧中氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫中并取代氯化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態表面變成活潑表面進而造成動力電池損壞；淋雨和涉水主要表現為動力電池被水浸泡，進而造成電池發生起火、斷路甚至爆炸［8］。由于電動汽車動力鋰離子電池電壓高、容量大，如果發生熱失控情況，電池將釋放大量能量，不僅會影響汽車正常行駛，而且也會造成汽車起火甚至爆炸，嚴重威脅了駕駛人員的生命安全。

2 新能源汽車動力鋰離子電池的安全性測試

2. 1 電池充放電性能檢測

對于單節鋰離子電池來說，其最高的充電電壓為3.65～4.35 V，不可過度充電，否則將直接導致當前電池報廢，喪失其使用性能。通常，通過運用電池充放電機設備，針對鋰離子電池的電池組進行充電。一般情況下，充電2～3 h 后，對電池總容量的保持率進行檢測，明確其是否在初始總量的100%。

在進行電池放電性能檢測時，使用設備為電池充放電機設備；為進一步確保鋰電池放電極留有部分鋰離子，需要嚴格控制放電終止最低電壓，若是處于常規溫度條件下，其標準充放電電流為1C（C 為電池容量），充放電循環500 次時，要求其容量保持率不超過初始容量的90%。

2. 2 電池生產測試

作為整個新能源電動汽車的重要硬件，動力電池系統在測試上，主要劃分為多個部分，分別為電池管理系統的測試、電池包本體測試、低溫耐久測試、高溫耐久性測試、高濕環境的耐久性測試。

（1） 電池包本體測試。其涉及內容較多，包括機械、溫度和外部環境，以及低壓電器測試。可以運用針刺測試辦法，將電池受到某種尖銳物體刺穿之后的場景進行動態模擬，要求在異物刺入之后，內部不可出現短路，明確其是否出現起火、爆炸問題；也可以運用鹽水浸泡測試辦法，用5%（質量分數）的鹽水進行長時間的浸泡測試，明確其電池功能是否正常?，F階段，新能源電池的防水測試包括2 種方式：① 將動力電池包放置于質量分數為3.5% 的氯化鈉溶液中浸泡2 h；② 在電池包安裝狀態下將其浸沒于水中30 min，然后將電池包取出，在試驗環境下靜置觀察2 h。另外，也可運用外部火燒測試，外部火燒試驗主要分為4 個步驟：① 預熱，即將電池包放置在距離火源3 m 處，然后預熱60 s；② 直接燃燒，即將電池包放置于火焰下70 s；③ 間接燃燒，即將電池包放置于耐火隔板上燃燒60 s；④ 離開火源，即將電池包遠離火源，并在試驗環境溫度下觀察2 h，或者將電池包放置于正常環境中，使電池包表面溫度降至45 ℃以下，如電池不出現爆炸和起火，同時未出現火苗殘留，即可認定電池符合要求。

（2） 電池管理系統測試。其主要測試內容為軟件測試，一般情況下，在軟件功能開發時，相關工作人員已經測試完成。

（3） 低溫耐久測試。其主要測試內容為電池的制冷啟動性能。在電池包在低溫環境下的充電能力、放電能力，以及低溫環境下對電池的保護效果。同時，保證最終的測試結果維持在我國相關標準范圍之內。

（4） 高溫耐久性測試。其主要測試內容為電池基于高溫環境下的充電能力、放電能力，以及電磁波的冷卻速度，同時明確其過熱保護策略的科學合理性。

（5） 高濕環境的耐久性測試。其內容大多在海水中進行，需要明確電池在海水環境下，是否具備充足的耐久性和抗腐蝕性。

3 鋰離子電池安全性試驗

近年來，隨著新能源汽車的普及，由動力電池引發的安全問題也日益突出，對新能源汽車安全性也產生了質疑。新能源汽車電動發生爆炸、燃燒等安全事故，嚴重威脅著人們的生命安全和財產安全。新能源汽車動力電池出現安全問題，主要由內部和外部因素引起，包括碰撞、鹽霧、針刺等，因此對動力電池進行試驗研究，對了解和掌握動力電池故障問題具有重要意義。

3. 1 碰撞試驗

碰撞試驗主要模擬動力電池在工作環境中所受碰撞效應，以驗證動力電池在重復沖擊情況下所引起的損傷是否會影響電池性能，同時檢查電池是否存在起火或爆炸現象。

當新能源汽車無法滿足動力電池安全性試驗條件時，可以根據新能源汽車運行速度、電池系統、車輛質量、車體結構、材料剛度等對動力鋰離子電池進行模擬碰撞仿真試驗，在仿真分析過程中，要求動力電池系統在碰撞試驗中不會出現大距離位移或結構松動等情況。

3. 2 針刺試驗

針刺試驗主要評估動力電池在針刺傷害時電池的穩定性和安全性，試驗要求見表1。試驗過程中主要利用鋼針以一定角度和速度貫穿動力電池，破壞電池隔膜和電極，使電池內部出現斷路釋放熱量。針刺試驗要求在動力電池針刺試驗后不出現爆炸或起火現象。

3. 3 鹽霧試驗

鹽霧試驗主要評估新能源汽車動力電池系統耐鹽霧腐蝕性，同時驗證動力電池系統的安全性。動力電池鹽霧試驗主要將動力電池系統放置于密閉的試驗容器中，并保持試驗容器內部溫度為35 ℃，然后將pH 為6.5～7.2 的鹽溶液噴灑在動力電池系統上，試驗持續96 h。試驗結束后利用自來水將動力電池系統沖洗干凈，然后利用飲用水或蒸餾水將動力電池系統進行漂洗，待動力電池系統干燥后放在標準大氣環境中1～2 h。鹽霧試驗過程中要求動力電池系統無外殼劈裂、無銹蝕、無起火或爆炸、無泄漏等情況發生。

4 結語

近年來，隨著我國新能源市場的高速發展，鋰離子電池在我國新能源市場中的使用也變得越發廣泛，但由此引發的新能源汽車安全事故問題不容忽視。相關工作人員應從問題的源頭著手，對動力電池性能進行全方位的檢測和分析，明確電池性能是否達標，確保鋰電池的檢測技術完善，優化電池的使用壽命，對推動我國新能源汽車市場的發展和進步具有一定的現實意義。