我国电动汽车动力电池安全标准现状及展望*

舒 强，王艺帆，梁 元

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062）

前言

受益于国家政策支持和技术进步，近年来我国新能源汽车产业持续快速发展。截至2021年底，国内新能源汽车保有量达784万辆，其中纯电动汽车640万辆，占总量的82%［1］。目前电动汽车基本采用锂离子动力电池。动力电池的制造成本约占电动汽车整车制造成本的40%［2］，对电动汽车的安全性、动力性、续航里程和使用寿命起着决定性作用，是最关键的核心部件。但当前动力电池安全隐患问题突出，因其燃烧爆炸导致的电动汽车火灾事故是行业关注的焦点。

标准化工作在促进产业升级、保障产品质量安全等方面起着重要作用。电动汽车的动力电池是关系到生命财产安全的产品，更需要建立完善的安全标准体系，以保证产品质量稳定、性能可靠。从20世纪90年代，全国汽车标准化技术委员会电动车辆分技术委员会便开展了动力电池标准化的研究工作［3］。20多年间，伴随着产业化进程推进、技术工艺创新、产品迭代升级、应用管理经验积累等，国内先后制、修订了20多项动力电池安全相关标准，涉及动力电池的安全性与测试方法、管理系统、远程服务与管理、电池箱、整车碰撞、消防安全和应急救援等多个方面，为保障电动汽车运行安全发挥了重要作用，同时也推动了国内动力电池安全标准研究跻身于国际领先行列。2018年我国曾作为非正式工作组的副主席国家主导完成了电动汽车动力电池安全全球技术法规（UN GTR 20）的制、修订工作。

但受限于整体安全技术研究水平，动力电池安全尤其是热安全仍然是当前研究的热点，也是制约动力电池乃至电动汽车行业发展的瓶颈。安全标准一般滞后于行业和技术发展，在动力电池安全领域具体表现为现有标准绝大多数为推荐性标准，这些标准要兼顾行业的平均技术水平，执行效力不强［4］。鉴于锂离子电池是当前电动汽车最主要的动力电池类型，本文中梳理了锂离子电池行业和安全技术发展情况，分析了相关安全标准发展历史沿革、面临挑战和完善建议，展望并提出了安全标准发展意见。

1 动力电池行业和安全标准状况

1.1 动力电池行业发展状况

国内电动汽车动力电池的发展先后经历了铅酸电池、镍镉与镍氢电池和锂离子电池的历程［5］。锂离子电池是以碳材料为负极、含锂化合物为正极、在充放电过程中只有锂离子存在的一种蓄电池［6］，具有循环寿命长、输出电压高、能量密度高、无记忆效应、自放电率低、可快速充放电等优点［7］。按照正极材料不同，锂离子电池主要有三元电池、磷酸铁锂电池等。2021年，国内动力电池总装机量为154.5 GW·h，其中三元电池为74.3 GW·h，占比48.1%；磷酸铁锂电池为79.8 GW·h，占比51.7%［8］。得益于制造工艺提升、新材料应用，近年来锂离子电池能量密度显著提升。2020年电动乘用车电池系统平均能量密度达152.6 W·h∕kg，平均续航里程391.4 km，比2017年分别提升了46.3%和85.0%［9］。电动汽车产业快速发展对汽车的动力性、续航里程的要求不断增高，将推动动力电池的能量密度继续提升。

1.2 动力电池安全问题

锂离子电池能量密度提升受限于安全问题。随着能量密度提升，锂离子电池运行过程中的产热和温升会相应提高［10］；随着循环使用次数增加，锂离子电池热稳定性将逐渐下降［11］，因此能量密度越大，安全性越差。近年来涉及锂离子电池的新能源汽车火灾事故时有发生［12］，仅2020年被媒体公开报道的就有124起，相比2019年的99起有明显提升［13］。电动汽车火灾事故基本是由动力电池热失控引发的［14］。当单体电池发生内短路、内部产热远大于散热，将导致内部温度快速升高，触发热失控［15］。影响热失控的因素可分为内外两方面，内因包括动力电池的本征安全和产品质量，外因是指动力电池使用过程中的机械和电气等滥用。

1.2.1 内部因素

锂离子电池充放电时的脱嵌锂会产生材料形变，内阻会产生焦耳热，使得内部出现机械应力与热应力，这是引发内短路及电化学性能衰退的重要原因［16］；其关键组成材料电解液、隔膜、负极等均有易燃性，且大量单体电池紧凑串并联运行在封闭空间，更增加了安全风险。高能量密度、正负极嵌入反应、组成材料易燃、工作空间紧凑密封等特征，决定了锂离子电池先天性存在热失控安全隐患。另外，锂离子电池是大面积薄膜类电化学器件，生产一致性受材料、工艺、质控能力等多因素影响，各种因素产生的不一致性还会累加［17］。单体电池的不一致性外在呈现在容量、电阻、电压等电性能参数上。容量、电压的差异会导致充放电深度不同，电阻的差异会导致产热不均，造成电池衰减水平分化，加剧单体电池间的不一致性，加速电池组老化，扩大电池系统的安全风险［18］。

1.2.2 外部因素

锂离子电池在使用过程中，诱发热失控的主要原因是机械滥用和电滥用。锂离子电池单体会因碰撞、挤压产生机械滥用。当电池受损程度轻时，损伤会在后续循环使用中放大，导致失效，严重时会造成壳体开裂、电解液泄漏，甚至内短路进而发生起火、爆炸［19］；电滥用主要有过充电、过放电、外短路等情形，其中过充电最容易引发热失控，在过充电过程中，将先后出现电压不断上升、正极材料破坏、容量下降、温度快速上升，严重时内部将产生大量气体，导致电池膨胀、破裂，甚至起火、爆炸。

1.3 动力电池安全技术研究情况

对于锂离子电池热安全，近年来国内外开展了大量研究，取得了一定的理论和试验成果。在本征安全和产品质量方面，研究方向涉及正负极、电解液、隔膜等使用更安全的材料，以及材料颗粒、极片微结构、电极平面、单体电芯等不同尺度的生产一致性；在安全管理方面，研究方向主要是动力电池的运行状态评估、故障预警和干预，以及发生热失控后的延缓扩展和蔓延等。但锂离子电池内部的电化学反应非常复杂，通常是电、机、热等多种应力相互耦合共同作用的结果［20］，现有研究仍处于探索发展阶段，无法从根本上解决热失控问题［21］。

1.4 动力电池安全标准概况

标准化建设和技术发展相辅相成，技术发展是标准化的前提，标准化是提高整体技术水平的保障。从热安全问题产生原因及危害影响分析，动力电池安全除了受产品本身安全性影响外，还与使用过程中的维护管理，以及整车、电池箱、消防系统等关联部件有关，是个系统工程，但受限于技术研究水平，目前无法从任何单一方面解决。因此，国内相关单位从提高动力电池安全性，确保运行在安全区间，提高机械安全防护，以及发生热事故后乘员保护、消防灭火等方面出发，制定标准，形成了动力电池安全标准体系。

国内标准体系通常采用强制性标准体系和推荐性标准体系相结合的形式［22］。强制性标准是指国家强制性标准，一般涉及人身和财产安全的标准为强制性国家标准；推荐性标准是指能够满足基础通用、对行业起引领作用、与强制性标准配套的标准，包括国家推荐性标准和行业推荐性标准。行业标准是国家标准的补充，用于统一单个行业的技术要求。长期以来，国内动力电池安全标准基本为推荐性标准，在2020年才发布实施第1批国家强制性标准。根据标准规定的技术要求的发生时机，可以将动力电池安全标准划分本征安全、主动防护安全、被动防护安全等3个类别。其中，本征安全是动力电池能够抑制外界扰动而引起不安全行为的能力［23］，旨在从根本上解决热失控等安全问题；主动防护安全是应用电池管理系统、远程运营服务和监管等技术，控制动力电池在符合其本征安全的环境下运行，预警可能的安全风险，并采取干预措施；被动防护安全是指动力电池发生热失控后，及时采取灭火降温等措施，控制电池热量释放、扩散，保护驾乘人员安全，以及在发生碰撞事故时，保护动力电池系统免受机械损坏等。图1为动力电池安全标准体系框架。

图1 动力电池安全标准体系框架

2 本征安全标准现状及存在问题

锂离子电池自20世纪90年代便开始规模化商业应用，但直到近几年才开始作为电动汽车的主要动力电池应用［24］。国内锂离子电池本征安全标准发展经过了4个阶段。2001年国家发布了指导性标准GB∕Z 18333.1—2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》和推荐性标准GB∕T 18384.1—2001《电动汽车安全要求第1部分：车载储能装置》；2006年，汽车行业对锂离子电池单体和电池组的安全性提出更全面的要求，推出行业标准QC∕T 743—2006《电动汽车用锂离子蓄电池》；随着技术进步和大规模应用实践，锂离子电池安全标准开始呈体系化发展，2015年国家发布了6项锂离子电池相关推荐性标准，包括GB∕T 31467.1.2.3电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统高功率、高能量、安全性要求及测试规程等系列标准，GB∕T 31484、GB∕T 31485、GB∕T 31486电动汽车用动力蓄电池循环寿命、安全要求、性能要求和试验方法等；2020年，基于对国内外电动汽车安全事故总结和实测试验数据，并通过与GTR20、ECE R100、ISO 6469-1、IEC62660-2∕3等最新国际标准法规协调，在 原 有 国 家 推 荐 性 标 准GB∕T 31485、GB∕T 31467.3的基础上，我国制定了首个动力电池国家强制性标准GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》［25］，强化了动力电池包和系统的安全性，要求动力电池包或系统通过热稳定性、机械安全、使用环境安全、功能安全等4个方面的16项可能导致安全风险的测试项目。测试项目模拟了动力电池包或系统的实际应用场景，测试条件和要求更符合电动汽车实际运行安全需求。相比国外IEC 62660-2：2018等同类标准，该标准增添了外部火烧、热扩散保护、模拟碰撞、挤压、湿热循环、浸水、温度冲击、盐雾、高海拔，以及过温、过流、外部短路、过充电、过放电保护等安全性要求［26］。考虑到电动客车载客较多，国家强制性标准GB 38032—2020《电动客车安全要求》［27］还要求电动客车动力电池系统必须通过加热触发热失控安全性试验。表1为锂离子动力电池不同发展阶段的安全性及其测试要求。

表1 锂离子动力电池不同发展阶段的安全性和测试要求

上述标准对突发事件或滥用情况下的新出厂动力电池本征安全给出了统一要求［28］。但锂离子电池在循环使用过程中，会因内阻上升和容量下降引发缓变故障，使电池呈持续的性能衰减。同时随着运营里程增加和容量衰减，电池累计高温工况会逐渐增加，影响电池的健康度［29］。因此，从全生命周期来看，运行中后期是动力电池发生热失控的高发期，需要着重预防［30］。目前缺少适用于在用动力电池安全性及测试的标准。

另外，动力电池生产一致性与其内阻、容量、温度、SOC和老化程度有强关联性［31］，是产品质量可靠性的重要指标。目前动力电池生产一致性问题难以避免［32］，通常由各电池企业通过自身质量控制体系将生产一致性问题控制在合理范围，但行业内还没有统一的标准或规范，各电池企业的产品质量参差不齐。工业和信息化部在2018、2020年先后组织了两次电动汽车动力电池安全隐患抽查行动［33］，并于2021年修订了《锂离子电池行业规范条件（2021版）》，提出了电极涂覆、烘干、毛刺控制、注液环境控制，以及单体电池电压、电阻一致性控制精度等生产工艺和质量管理意见。但这些意见是引导性的，未强制要求电池企业执行。

3 主动防护安全标准现状及存在问题

应用电池管理系统等主动防护安全技术，实现动力电池热失控研判预警，是当前提高锂离子电池运行安全的可行措施［34］。

3.1 电池管理系统

电池管理系统是管理动力电池工作条件的设备，用于实时采集电池系统运行状态数据，分析是否超过安全阈值，实现对动力电池运行安全监测和预警［35］。2011年汽车行业就发布了行业推荐性标准QC∕T 897—2011《电动汽车用电池管理系统技术条件》，2020年又升级为两项国家推荐性标准GB∕T 38661—2020《电动汽车用电池管理系统技术条件》［36］、GB∕T 39086—2020《电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法》［37］，要求电池管理系统能够获取电池单体或系统电压、系统电流和温度等运行状态信息，具有故障诊断、记录、处理等功能，实现防止电池单体过充、过放后再充电、过温以及电池系统过流等安全目标。

但现有电池管理系统标准不是国家强制性标准，也没有相关政策性文件要求强制执行［38］。要实现主动防护安全，对于状态检测、性能评估、安全保护等功能需求也有待完善。在状态监测方面，受制于成本限制，无法采集全部单体电池温度，实际的温度最高点位置很可能与标准规定的预设温度采集点位置不一致；同时由于锂离子电池外部特性与内部机理关联研究还不成熟，采集的电池表面温度难以准确反映内部真实状态。在状态评估方面，标准未要求电池管理系统要具有功率状态（state of power，SOP）的估算功能。在安全保护方面的重点是保证动力电池系统在安全区域运行，如锂离子电池适宜工作温度在25～45℃之间，过高过低都会对安全性产生影响［39］，但标准未要求具备相应的热管理功能。

3.2 远程服务与管理要求

为加强电动汽车运行安全监管，实现实时监测，对发现的故障预警及时处置，2016年国家发布实施了《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》系列推荐性标准，由3部分组成，分别规定了电动汽车远程服务与管理系统的技术要求［40］、车载终端的技术要求和试验方法［41］，以及系统协议结构、通信连接、数据包结构与定义和数据单元格式与定义［42］等。依托该系列标准建立的国家电动汽车远程服务与管理平台能够收集7类共计约61项车端信号，包括了电流、电压、温度等12项涉及安全故障的数据。2017年工业和信息化部发布进一步做好新能源汽车推广应用安全监管工作的通知，要求国内电动汽车企业搭建企业端平台，并完成与国家平台的对接。截至2022年1月，国家电动汽车远程服务与管理平台累计接入车辆突破710万辆，日均上线率为68.8%，日均总行驶里程超过3亿km［43］。

电动汽车远程服务与管理平台具备实时接收动力电池运行状态监测数据的功能，能够累积形成动力电池全生命周期运行状态大数据。相关机构应用监测数据预测电动汽车安全隐患准确度达到80%［44］。但现有标准仅要求采集动力电池运行数据的采样周期不大于1 s，同时基于隐私保护要求，对于私家车只有在故障预警时才将完整的监测数据传递到平台，运行数据采集频次低，对于占绝大多数的私家车运行数据采集不连续、历史数据严重缺失等，导致无法实施有效的安全监管和安全事故分析［45］。如2020年发生的电动汽车无征兆类自燃事故占比高达90%，但无法通过运行监测数据分析认定事故原因［46］，监测数据颗粒度不足是重要原因之一。

4 被动防护安全标准现状及存在问题

4.1 机械安全防护

电动汽车在运行时难免会发生碰撞事故，这要求整车和动力电池系统必须具有对于机械滥用情况的容限［16］。电池箱是用于承载动力电池系统的机械结构，对保护动力电池系统的机械安全，并在出现安全风险时隔绝危险源与驾乘人员发挥着重要作用［45］。2014年，汽车行业制定了行业推荐性标准QC∕T 989—2014《电动汽车用动力蓄电池箱通用要求》［47］，规定了电池箱的一般要求、安全要求、机械强度、外观与尺寸、耐环境要求、组装要求、试验方法等，明确了对动力电池系统的安全防护能力。2015年发布实施的国家推荐性标准GB∕T 31498—2015《电动汽车碰撞后安全要求》［48］规定了电动汽车发生正面和侧面碰撞时对动力电池的安全防护要求，包括碰撞试验结束30 min内动力电池不起火、不爆炸，从电池溢出的电解液不应超过5 L，不应有电解液溢出到乘员舱；乘员舱内的动力电池保持在安装位置、电池部件保持在其外壳内，乘员舱外的不进入乘员舱等，这对电动汽车整车结构、电池箱等对电池系统机械安全的防护能力提出了更高要求；考虑到部分电动汽车动力电池位于车辆后部，2019年又启动该标准的修订工作，增加了电动汽车发生后部碰撞时对动力电池安全防护要求。另外，考虑到客车侧翻事故多发，GB 38032—2020《电动客车安全要求》还要求客车上部结构强度要满足在侧翻试验条件下对动力电池系统的安全防护要求。

电动汽车绝大多数是乘用车型，其动力电池系统一般安装在车辆中部位置的底盘上。但底盘是乘用车最容易受到磕碰损伤的部位，目前还没有标准明确发生底盘磕碰事故时对电池系统的安全防护要求。

4.2 消防安全和救援

动力电池发生热失控后会出现温度升高、喷出烟雾气体等现象，因此火灾消防领域通过监测元件探测电池箱内温度、气体、烟雾等实时数据判断是否发生热失控，以实现热失控及时预警，尽可能早地启动灭火降温装置［49］。交通运输行业推荐性标准JT∕T 1026—2021《纯电动城市客车通用技术条件》［50］要求纯电动城市客车的动力电池系统（或安装舱体）应配置具有火灾报警功能及灭火功能的自动灭火装置。公安部消防产品合格评定中心制定的消防产品技术鉴定通用技术条件CCCF∕XFJJ-01《电动客车动力锂离子电池箱火灾防控装置通用技术要求》［51］，适用于安装在电动客车磷酸铁锂动力电池箱内的火灾防控装置的技术鉴定，要求火灾防控装置能对电池箱内有可能引发火灾的一氧化碳气体浓度、电池表面温度等危险源征兆进行探测，根据一氧化碳气体浓度进行预警，根据电池表面温度启动火灾抑制介质喷放功能。另外，国家推荐性标准GB∕T 38283—2019《电动汽车灾害事故应急救援指南》［52］规定了电动汽车动力电池发生火灾事故时的灭火和救援指导，包括消防灭火剂使用、灭火战术等，适用于救援人员开展电动汽车着火事故的救援工作。

从上述标准来看，现有动力电池消防安全标准适用的车型和动力电池类型较少，同时考虑到不同的电池故障析出的气体类型和析出气体的先后顺序不同，现有消防标准也无法兼容动力电池的各类事故案例［50］。

5 动力电池安全标准完善意见和展望

5.1 动力电池安全标准完善意见

（1）在本征安全方面，对于在用的锂离子动力电池，亟需建立合理可行的安全性检测评价要求，明确检测评价指标、方法、周期等，为实现全生命周期安全性测试评估提供依据；生产一致性是影响动力电池产品质量可靠的关键因素，需要明确生产一致性问题严重程度的合理阈值，达成行业共识，形成统一标准或规范，为电池企业组织生产和主管部门实施监管提供依据。

（2）在主动防护安全方面，须进一步完善电池管理系统的状态监测、性能评估、安全保护等功能，重点提高温度数据采集的准确性和科学性，完善SOP估算、均衡管理、热管理等功能要求；在动力电池远程服务和监管方面，须增加动力电池运行状态数据的采集、上传频次，以提高采集数据的实用价值。

（3）在被动防护安全方面，须完善电动乘用车底盘和动力电池系统电池箱底部的碰撞安全性，以及适用于不同车型、电池类型、事故情形的电池箱自动灭火装置配置要求。

5.2 展望

目前还没有从根本上解决动力电池安全问题的技术方案，动力电池全生命周期都存在热失控安全风险，这一风险还会随着使用年限的延长而增大。应用现有标准的方法、设备、环境等，检测动力电池的安全性存在费用高、时间长、不便利、具有破坏性等问题，对于在用的电动汽车可操作性不强，无法有效实施。目前动力电池行业内将“预防为主、灭火为辅”作为热失控安全防护的设计原则。在研究领域，通过实时获取动力电池运行状态信息，配合车辆基础数据、运行环境、交通条件等数据，应用大数据分析技术，实现数据驱动下的动力电池系统故障诊断、预警，是当前研究的热点［53］，被认为是改善动力电池热安全问题的可行技术路线［54］，这在国家政策方面得到认同。2021年，工业和信息化部将提升动力电池热失控报警、完善电动汽车远程服务与管理系列标准等纳入2022年汽车标准化工作要点；2022年3月，工业和信息化部、公安部等五部委发布《关于进一步加强新能源汽车企业安全体系建设的指导意见》，将研究动力电池运行安全阈值边界，应用安全预警方法、热失控实时监测预警装置、早期抑制及灭火措施，以及挖掘运行数据提高运行安全状态监测平台效能等，作为提高电动汽车安全性的重要措施。

现有电动汽车远程服务与管理平台为开展数据驱动的动力电池健康度估算、故障诊断和预警提供了基础条件。但挖掘应用这些海量数据的实用价值，还需要做好以下工作：

（1）研制动力电池安全监测预警标准。在提高动力电池运行状态监测数据采集、上传频次的基础上，研究完善动力电池运行状态监测数据项、采集方法、安全状态边界阈值、安全风险评估模型和预警处置措施等，制定专用标准“动力电池运行安全动态监测预警技术”，将对实现动力电池全生命周期的安全监管有着重要意义。

（2）创新动力电池安全检验模式。机动车“年检”是我国机动车安全管理的基本制度，具有强制性实车检验的特点，但适用于机动车“年检”的GB 38900—2020《机动车安全技术检验项目和方法》［55］仅将动力电池系统外壳完好性和电解液是否泄漏纳入了定期检验项目，对动力电池安全性检验能力不足。考虑到远程监测预警技术也有待完善，当前可以充分发挥线上监测评估和线下实车检验的技术优势，采取线上建立大数据视角下的评估预警，为线下实车检验提供更加精准的安全隐患识别指引，提高线下检验的针对性和科学性，形成“线上主动预警、线下隐患消除”的动力电池安全检验新模式。