探究電池召回事件背后的安全要求

朱相歡,王彩娟

( 1. 蘇州市吳江區檢驗檢測中心,江蘇 蘇州 215200; 2. 中華人民共和國吳江海關,江蘇 蘇州 215200 )

小到兒童玩具用電池、大到車用動力電池,各領域的電池相關產品都發生過召回事件[1-4]。 據統計,自2018 年以來,美國消費品安全協會(CPSC)對我國實施的與電池相關產品的召回達30 余起。 2020 年8 月11 日,福特宣布因發生自燃必須召回20 500 臺Kuga 插電混合動力汽車(PHEV)(國內版稱翼虎),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熱的情況,可能引發自燃,寶馬在全球范圍內召回26 700 臺PHEV,并建議受涉及的車主不要進行充電,而寶馬和福特這兩起召回事件,涉及的電池均來自于同一供應商[1]。 2020 年10 月16日,現代汽車宣布將從韓國市場召回25 564 輛Kona 電動汽車(EV),原因初步判定是電芯存在起火風險[2]。 2020 年11月13 日,由于所用的動力電池存在起火隱患,通用汽車宣布召回68 677 輛Bolt 電動車[3]。 這距離現代汽車涉及同一電池產品的同一理由召回,還不到1 個月的時間。

有必要探究事件背后折射出的電池質量問題,為電池制造和使用企業提供參考,避免產品在銷售時因出現電池質量問題而發生召回。

本文作者分析近3 年美國CPSC 召回和2020 年車用電池召回的原因,針對電池產品質量提升提出一些應對性建議,供相關機構參考。

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CPSC 對我國實施的30 余起與電池相關產品的召回事件可知[4],主要原因是在使用過程中,電池或充電器件出現過熱現象,造成了火災和燒傷危害。

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

造成這些電池相關產品“過熱”的原因主要有:

①用電產品較低端,以無線或便攜設備為主,電路設計簡單。 由于缺少有效的電池管理系統(BMS),產品在充電、使用或因電器內部金屬件導致電池外部短路時,無法監控和管理電池(特別是鋰離子電池)充放電過程中的溫度、電流和電壓等,可能出現電池“過熱”,構成火災和爆炸危害。

②為節約成本,制造商選配的電池品質不高,實際使用時在環境變化或濫用(過充、撞擊和外部短路等)情況下,材料極易發生不良化學反應,引發“過熱”,導致起火、爆炸。

③目前我國未對出口電池實施法定檢驗,而美國保險商試驗(UL)認證是自愿性認證。 部分企業沒有主動對標美國UL 標準進行產品設計和測試,不對用電產品實施模擬測試,以監控包括“過熱”在內的質量問題,就不能通過提升產品設計,預先規避“過熱”等風險。

1.2 車用動力電池召回

2020 年以來,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,反映出車用動力電池的技術瓶頸問題。新能源汽車市場快速擴張,對車用動力電池的需求量不斷增加,目前,大多數電池廠家往往通過升級便攜設備用電池的工藝,來研發車用動力電池技術,可能存在隱患。

生產工藝存在缺陷。 大規模量產下的車用動力電池生產流程管理不規范,導致生產過程有雜質(金屬、顆粒物)進入電池內部。 在充放電過程中,雜質導致電池發生內部短路,引發熱失控,進而引起自燃。 魏洪兵等[5]提出,在評價鋰離子電池的安全性能時,內部短路實驗是一種有效的方法。電池發生內部短路時,一股極高的電流通過短路位置,并產生大量的熱,由此可能在電池內部產生熱失控現象,甚至導致起火、爆炸。 由于車用動力電池單體密集排布,個別有工藝缺陷的單體電池一旦出現熱失控,就容易引發連鎖反應,甚至導致起火、爆炸。

車用動力電池使用環境復雜。 與便攜設備用電池產品相比,車用動力電池使用環境不同,測試標準的要求也有較大差異。 目前,車用動力電池標準體系還在不斷建立、完善中,車用動力電池制造商若未及時進行對標測試,就可能出現質量問題。 王彩娟等[6]研究了車用動力電池標準與常規便攜設備用電池標準的差異,指出:車用動力電池標準中的測試項目更多地結合實際使用場景(濕熱循環、浸水、鹽霧測試、外部火燒和熱擴散)進行設置,在參數設定上與便攜設備用電池有較大差別。 車用動力電池的研發要更多地考慮復雜惡劣的使用環境,進一步提升在濫用環境下的安全性。

車用動力電池的BMS 研發相對落后。 相比便攜設備用BMS,車用動力電池的BMS 除了需要更精密的電壓和電流控制功能外,還需要強大的溫度控制系統。 一旦溫度控制系統的設計存在缺陷,導致動力電池在充放電和運行過程中溫度過高,那么在長時間運行后,內部電芯材料就會發生不同程度的老化,導致電壓和內阻的一致性變差,電池就可能發生漏液、起火,甚至爆炸。 目前車用動力電池的BMS 研發和測試深度都有待提高,車用動力電池生產和使用企業應盡快完善熱事件報警信號和報警閾值的研究,在產品設計階段就優化調整BMS,并進行必要的模擬測試,以保證使用安全。

2 電池管理系統(BMS)

消費品用電池攜帶的能量較少,“過熱”問題產生的危害性相對較小,往往可通過提高電池材料性能和提升散熱系統(溫度熱敏電阻、泄氣閥和溫控軟件)的靈敏度來實現熱穩定。 出口美國的消費品用電池,通過對標相應的UL 標準進行產品設計和測試,就能在很大程度上規避“過熱”的風險。

車用電池體量大、能量密度高,在行駛過程中熱穩定性異常時的撲救困難,必須通過軟硬件控制,保證乘車人員擁有充足的逃離時間。 2021 年1 月1 日實施的強制性國家標準GB 38031--2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》[7],為考量車用動力電池的熱穩定性能,專門設置了熱穩定性測試,包括外部火燒和熱擴散兩個測試項目。 2020 年4 月1 日實施的國家標準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》[8],規定了電動汽車用動力電池BMS 的功能安全要求及試驗方法,以便對動力電池的安全運行進行監控和保護。 危害分析和風險評估可確定BMS 的安全目標及屬性,防止單體電池過充電、過放電后的再充電和過溫,以及動力電池系統過流導致的熱失控。 這兩個標準從電池材料安全和BMS 安全兩個方面,分別進行了規定,對車用動力電池的規范化生產和管理十分重要。

3 建議

為減少電池召回事件的發生,需要制造及使用企業、監管機構和第三方檢測機構協同發揮作用。

相關制造及使用企業應充分重視電池及用電產品的熱管理性能,根據相關標準的要求,完善電池及用電產品的設計。 持續加強品質管控,嚴控不良品率,降低發生安全事故的風險。

相關監管部門應不斷完善電池及用電產品的召回預警機制,及時向企業發布預警信息和風險分析,幫助企業改進產品質量,避免再次發生同類型的召回。

相關檢驗檢測機構應持續提升檢驗檢測水平,緊跟電池相關法規的要求,深入解讀國內外標準差異,為企業產品設計提供參考,提高不同用電產品與相應產品標準的符合性。