电动车碰撞和电池安全

沃尔沃曾经做过一个整车后碰实验,电池位于后备箱(下图),

安装在后背箱的电池并没有像想象中的那样受到垂直碰撞而发生严重形变,而是与电池安装连接部分的车身结构发生了严重的变形,把电池拱了起来(下图),

这在一定程度上减小了电池受到的挤压力,使得电池在碰撞过程中并没有受到类似下图所示的严重挤压变形,这说明车身结构的合理设计也可以在一定程度上减小了电池受到碰撞挤压的风险。

联想到在GB/T 31467.3-2015的7.6节挤压实验要求制定过程中,在200kN的挤压力要求上发生过较大的争议,很多企业反映该挤压力要求过大,不符合实际整车设计情况。在该标准实施一段时间后,又发布了GB/T 31467.3-2015第一号修改单,标准制定机构这次接受的企业的反馈,考虑了车身结构对于电池的保护作用,将200kN的要求调低到100kN,这也与国际上现行的ECE R100和ISO12405-3的要求保持了一致。

在整车级别的碰撞测试中,针对电池碰撞安全比较经典的测试法规要求是美国的FMVSS 305 (Federal Motor Vehicle Safety Standard No.305),它要求在碰撞测试中:

·储能系统不侵入乘客仓内,能够保持在原来位置

·储能系统的绝缘等级不小于500欧姆/伏

·泄露的电解液不能进入乘客仓,并且乘客仓外泄露的电解液不能超过5L

由于动力电池自身带有能量,所以在进行电动汽车碰撞测试时,除了传统汽车碰撞需要的安全准备之外,IIHS还针对电动汽车推荐了其他需要确认的安全事宜,例如:

·手动维修开关的位置

·储能系统的安装位置和高压线束

·检测储能系统绝缘电阻测试电路的连接位置

·储能系统的充放电方法

·电池冷却液的化学属性

·电池及其组件的MSDS

·针对测试电动车储能系统的特殊危害信息

IIHS在1992年开设了汽车研究中心(VehicleResearch Center ,VRC),通过评定车辆的防撞性能,帮助消费者选择更加安全的汽车,同时也帮助汽车制造商改进汽车安全设计。2004年开始,美国IIHS和澳大利亚ANCAP(Australasian New Car Assessment Program)对混合电动车和电动车展开了防撞测试(crashworthiness test)研究,测试项目主要包括:

· 25%重叠率正面偏置碰撞Smalloverlap frontal,时速64km/h

· 40%重叠率正面偏置碰撞 Moderate overlap frontal,时速64km/h(图2)

·侧面碰撞Side,时速50km/h

·车顶强度 Roof strength

这些测试项目与汽油车的防撞测试基本类似,但是电动汽车的测试更关注于高压电气系统的危害,尤其是高压电池在碰撞后可能带来的潜在危险:高压漏电、电池电解液泄露、着火。根据电池的受损程度和电池内部化学反应的快慢程度,电池造成的危害有时候可以直接表现出来,有时候却不能直接表现出来,这也给我们处理这类碰撞车辆时带来了一定的挑战。这里我们回顾几个电动汽车发生着火的经典案例,分别展示了三种不同的电池失效模型。

2011年,通用汽车的Volt电动车在位于威斯康星的MGAResearch进行了18英里/小时的侧面碰撞测试。三个星期之后,Volt的锂离子电池才开始着火了,大火迅速蔓延到邻近的三辆车子。事故调查发现,当时做完碰撞测试之后,有少量的电池冷却液渗透到电池箱内,造成了电池内部短路,最后发展成电池的热失控。

2012年,美国新泽西的飓风Sandy造成了港口的16辆Fisker Karma电动车的泡水、着火。事故后的分析显示,泡水造成了其中一辆Karma电动车的锂离子电池的热失控和着火,大火蔓延开来后点燃了邻近的15辆电动车(该案例可能与碰撞的相关性不大,因为调查结果没有谈到飓风是否造成了车辆的碰撞等外部机械冲击)。

2013年,两辆特斯拉Model S发生着火:第一辆车是在华盛顿的路上行驶时撞到了地面的金属物,第二辆是在田纳西州撞到了横在路上的拖车拴钩(trailer hitch)。这两个事故都是由于道路上的碎片或杂物在汽车高速行驶中刺穿车辆底盘和电池包,造成了电池失效和热失控。特斯拉后来在底盘上加装了防护板用于保护电池。2014年,一位偷车贼在驾驶偷来的特斯拉电动车时,电动车发生碰撞后被解体成两半,电池包被甩出车子并且起火。

这几个案例(除了第二个没有直接证据显示跟碰撞有关)都对电池的防撞安全性能提出了挑战,迫使电池制造商或者整车制造商在电池产品设计验证阶段就需要考虑到各种可能碰撞安全隐患,从而设定相应的解决方案。随着技术的进步和经验的积累,针对这些电池的安全性隐患/问题,已经有了很多标准法规来规范它的安全性。例如,SAE J2464、J2929、J2380,ECER100。我们国家也制定了相应的国标,例如,GB/T 18384-2015、31467.3-2015、31498-2015。这些标准法规介绍了各种测试验证方法,用于模拟不同环境下电池系统可能遇到的机械、电气危害,并且在每项测试中,标准法规通常要求电池不发生漏液、破裂、着火和爆炸,还有些项目要求绝缘电阻要大于100欧姆/伏或更高。

常见的安全测试包括:

·振动

·热冲击

·机械冲击、碰撞

·防火

·外部短路

·过充保护

·过温保护

作者129Lab