電動車碰撞和電池安全

沃爾沃曾經(jīng)做過一個整車后碰實(shí)驗(yàn),電池位于后備箱(下圖),

安裝在后背箱的電池并沒有像想象中的那樣受到垂直碰撞而發(fā)生嚴(yán)重形變,而是與電池安裝連接部分的車身結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的變形,把電池拱了起來(下圖),

這在一定程度上減小了電池受到的擠壓力,使得電池在碰撞過程中并沒有受到類似下圖所示的嚴(yán)重?cái)D壓變形,這說明車身結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)也可以在一定程度上減小了電池受到碰撞擠壓的風(fēng)險(xiǎn)。

聯(lián)想到在GB/T 31467.3-2015的7.6節(jié)擠壓實(shí)驗(yàn)要求制定過程中,在200kN的擠壓力要求上發(fā)生過較大的爭議,很多企業(yè)反映該擠壓力要求過大,不符合實(shí)際整車設(shè)計(jì)情況。在該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施一段時(shí)間后,又發(fā)布了GB/T 31467.3-2015第一號修改單,標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)這次接受的企業(yè)的反饋,考慮了車身結(jié)構(gòu)對于電池的保護(hù)作用,將200kN的要求調(diào)低到100kN,這也與國際上現(xiàn)行的ECE R100和ISO12405-3的要求保持了一致。

在整車級別的碰撞測試中,針對電池碰撞安全比較經(jīng)典的測試法規(guī)要求是美國的FMVSS 305 (Federal Motor Vehicle Safety Standard No.305),它要求在碰撞測試中:

·儲能系統(tǒng)不侵入乘客倉內(nèi),能夠保持在原來位置

·儲能系統(tǒng)的絕緣等級不小于500歐姆/伏

·泄露的電解液不能進(jìn)入乘客倉,并且乘客倉外泄露的電解液不能超過5L

由于動力電池自身帶有能量,所以在進(jìn)行電動汽車碰撞測試時(shí),除了傳統(tǒng)汽車碰撞需要的安全準(zhǔn)備之外,IIHS還針對電動汽車推薦了其他需要確認(rèn)的安全事宜,例如:

·手動維修開關(guān)的位置

·儲能系統(tǒng)的安裝位置和高壓線束

·檢測儲能系統(tǒng)絕緣電阻測試電路的連接位置

·儲能系統(tǒng)的充放電方法

·電池冷卻液的化學(xué)屬性

·電池及其組件的MSDS

·針對測試電動車儲能系統(tǒng)的特殊危害信息

IIHS在1992年開設(shè)了汽車研究中心(VehicleResearch Center ,VRC),通過評定車輛的防撞性能,幫助消費(fèi)者選擇更加安全的汽車,同時(shí)也幫助汽車制造商改進(jìn)汽車安全設(shè)計(jì)。2004年開始,美國IIHS和澳大利亞ANCAP(Australasian New Car Assessment Program)對混合電動車和電動車展開了防撞測試(crashworthiness test)研究,測試項(xiàng)目主要包括:

· 25%重疊率正面偏置碰撞Smalloverlap frontal,時(shí)速64km/h

· 40%重疊率正面偏置碰撞 Moderate overlap frontal,時(shí)速64km/h(圖2)

·側(cè)面碰撞Side,時(shí)速50km/h

·車頂強(qiáng)度 Roof strength

這些測試項(xiàng)目與汽油車的防撞測試基本類似,但是電動汽車的測試更關(guān)注于高壓電氣系統(tǒng)的危害,尤其是高壓電池在碰撞后可能帶來的潛在危險(xiǎn):高壓漏電、電池電解液泄露、著火。根據(jù)電池的受損程度和電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的快慢程度,電池造成的危害有時(shí)候可以直接表現(xiàn)出來,有時(shí)候卻不能直接表現(xiàn)出來,這也給我們處理這類碰撞車輛時(shí)帶來了一定的挑戰(zhàn)。這里我們回顧幾個電動汽車發(fā)生著火的經(jīng)典案例,分別展示了三種不同的電池失效模型。

2011年,通用汽車的Volt電動車在位于威斯康星的MGAResearch進(jìn)行了18英里/小時(shí)的側(cè)面碰撞測試。三個星期之后,Volt的鋰離子電池才開始著火了,大火迅速蔓延到鄰近的三輛車子。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn),當(dāng)時(shí)做完碰撞測試之后,有少量的電池冷卻液滲透到電池箱內(nèi),造成了電池內(nèi)部短路,最后發(fā)展成電池的熱失控。

2012年,美國新澤西的颶風(fēng)Sandy造成了港口的16輛Fisker Karma電動車的泡水、著火。事故后的分析顯示,泡水造成了其中一輛Karma電動車的鋰離子電池的熱失控和著火,大火蔓延開來后點(diǎn)燃了鄰近的15輛電動車(該案例可能與碰撞的相關(guān)性不大,因?yàn)檎{(diào)查結(jié)果沒有談到颶風(fēng)是否造成了車輛的碰撞等外部機(jī)械沖擊)。

2013年,兩輛特斯拉Model S發(fā)生著火:第一輛車是在華盛頓的路上行駛時(shí)撞到了地面的金屬物,第二輛是在田納西州撞到了橫在路上的拖車拴鉤(trailer hitch)。這兩個事故都是由于道路上的碎片或雜物在汽車高速行駛中刺穿車輛底盤和電池包,造成了電池失效和熱失控。特斯拉后來在底盤上加裝了防護(hù)板用于保護(hù)電池。2014年,一位偷車賊在駕駛偷來的特斯拉電動車時(shí),電動車發(fā)生碰撞后被解體成兩半,電池包被甩出車子并且起火。

這幾個案例(除了第二個沒有直接證據(jù)顯示跟碰撞有關(guān))都對電池的防撞安全性能提出了挑戰(zhàn),迫使電池制造商或者整車制造商在電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段就需要考慮到各種可能碰撞安全隱患,從而設(shè)定相應(yīng)的解決方案。隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累,針對這些電池的安全性隱患/問題,已經(jīng)有了很多標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)來規(guī)范它的安全性。例如,SAE J2464、J2929、J2380,ECER100。我們國家也制定了相應(yīng)的國標(biāo),例如,GB/T 18384-2015、31467.3-2015、31498-2015。這些標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)介紹了各種測試驗(yàn)證方法,用于模擬不同環(huán)境下電池系統(tǒng)可能遇到的機(jī)械、電氣危害,并且在每項(xiàng)測試中,標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)通常要求電池不發(fā)生漏液、破裂、著火和爆炸,還有些項(xiàng)目要求絕緣電阻要大于100歐姆/伏或更高。

常見的安全測試包括:

·振動

·熱沖擊

·機(jī)械沖擊、碰撞

·防火

·外部短路

·過充保護(hù)

·過溫保護(hù)

作者129Lab