前言

中国电动汽车百人会致力于打造国家在电动汽车及相关领域的高水平第三方智库,课题研究是智库建设的重中之重。在研究过程中,百人会搭建平台,整合内外部资源,组织专业人员开展调研活动,最终形成可供决策参考的研究报告。

本报告是百人会本年度选定的课题之一,报告还只是阶段性成果,仅讨论用,有不足之处课题组还会进一步完善。

本课题在研究过程中多次召开专家座谈会,广泛吸收了各方面专家的意见,如果说课题研究有一些有价值的发现,更准确地讲应该是大家一起努力的结果。本研究还借鉴和直接使用了一些专家和机构的观点及研究成果,在此表示感谢。

百人会的研究报告,很大程度上是充分反映多方的意见,注重集成与传播,百人会作为一个研究平台,不持特定观点,不代表任何一方。

课题组成员

召集人

欧阳明高清华大学教授

中国电动汽车百人会执行副理事长

王秉刚科技部电动汽车重大项目监理专家组组长

总体组

杜玖玉清华大学助理研究员

中美清洁汽车联盟中方办公室主任

课题组研究人员

卢世刚国联汽车动力电池研究院院长

刘永东中国电力企业联合会标准化管理中心副主任

王芳中国汽车技术研究中心首席专家、新能源室主任

卢兰光清华大学汽车工程系

冯旭宁清华大学汽车工程系

李立国清华大学汽车工程系

高明明清华大学汽车工程系

王佳清华大学汽车工程系

陈文进东风日产乘用车技术中心电系开发部部长

周鹏华霆(合肥)动力技术有限公司董事长

陈向军珠海泰坦电力电子集团有限公司总裁

郑娟中国质量认证中心产品一部副经理

罗亮中国质量认证中心产品认证一部充电业务开发部部长

王慰祖上海挚达科技发展有限公司副总经理

李志刚深圳奥特迅电力设备股份有限公司总工程师

邵浙海普天新能源有限责任公司技术部总经理

刘英北京长安汽车工程技术研究有限责任公司开发经理

李飞强郑州宇通客车股份有限公司国家电动客车电控与安全工程

技术研究中心副主任

高翔特斯拉中国公共政策和充电基础设施部门总监

仝志明微宏动力系统(湖州)有限公司研发副总裁

樊晓松上海捷新动力电池系统有限公司总经理

杨槐北京普莱德新能源电池科技有限公司副总经理

陈伟峰宁德时代新能源科技股份有限公司董事长助理

张成斌中国电动汽车百人会研究咨询部主任

张健中国电动汽车百人会研究咨询部

李松哲中国电动汽车百人会研究咨询部

张百杰中国电动汽车百人会研究咨询部

目录

一、客观认识电动汽车安全问题1

(一)保障安全是产业发展的首要目标1

(二)安全问题是系统的、动态的问题1

(三)安全问题的解决根本上要依靠技术进步和创新突破2

(四)安全问题的解决还需要建立配套管理体系2

二、电动汽车安全相关问题现状3

(一)电动汽车产业发展现状3

(二)电动汽车安全事故统计分析4

(三)充电安全新旧标准转换期存在问题7

(四)电动汽车产品准入存在的问题8

(五)电动汽车智能网联化带来新的安全性挑战8

三、影响电动汽车安全的关键技术解析9

(一)动力电池安全性技术9

(二)电动汽车整车安全技术18

(三)充电设施与充电安全技术21

四、全球电动汽车安全法规现状23

(一)联合国23

(二)美国23

(三)欧盟24

(四)日本25

五、建立我国电动汽车安全体系的建议27

(一)提高汽车安全性要求,引入强制认证制度,加强事后监管与责任追究27

(二)改革检测体制,完善检测方式27

(三)完善电动汽车安全标准体系,改革标准形成机制28

(四)建立电动汽车安全运行监控体系29

(五)明确责任主体,落实管理机制29

(六)完善相关消防法规30

(七)构建动力电池强制回收体系,明确赏罚办法30

(八)建立动力电池安全监测机制,推出延保服务31

(九)重视对充电基础设施安全的管理31

图表

图12010-2016年6月我国电动汽车产量(单位:辆)3

图22010-2016年4月我国动力电池出货量(单位:GWh)3

图3电动汽车安全事故年发生次数统计(单位:例)6

图4电动汽车安全事故诱因(单位:例)7

图5电动汽车安全事故车型分布(单位:例)7

图6锂离子动力电池单体热失控链式反应机理(引自清华大学研究结果)10

图7热失控诱因11

图8碰撞引发VOLT插电式电动汽车着火11

图9底盘刺穿引发特斯拉着火11

图10电动公交车过充引发着火12

图11低温充电引发着火12

图12纯电动客车在水中浸泡一段时间后着火12

图13停靠在站内的电动公交车电池包自燃(生命周期安全问题)13

图14某款三元锂离子动力电池热失控实验13

图15某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理示意图14

图16常见的充电电流控制策略对比(图片来源于东风日产)21

图17ECER100法规架构24

表1电动汽车典型安全事件4

表2某厂家车桩匹配试验8

表3GB/T31485-2015标准测试内容15

表4GB/T31467.3测试内容16

表5目前动力电池安全性标准与需求16

表6目前电动汽车整车安全性标准与需求20

一、客观认识电动汽车安全问题

(一)保障安全是产业发展的首要目标

当前全球电动汽车发展势头迅猛,但也要注意到近些年来,尤其是2015和2016年,电动汽车安全事故发生次数较多。这固然与电动汽车保有量的增加有关,但更与产业发展初期,各界对安全问题的认识不足有关。为了支持电动汽车产业,政府已经投入了几百亿,社会投资更是踊跃。安全问题如果得不到重视,出现了大问题,就有可能对电动汽车产业产生毁灭性的打击。因此,各方不能只关注量的增长而忽略质量的提升,需要保持理性,应当在满足市场需求的同时,对安全问题绝对不能放松;不能像产业发展初期那样,将研发环节当成市场环节,把不成熟的产品投入到市场中,拿消费者做试验。

电动汽车正从初创期进入到稳步上量的阶段,这个时候更要坚持“安全第一”的原则,发展速度要以安全为前提保证。但也要看到,安全问题不能无限放大,更不能因为安全被重视就否定了电动汽车。从新兴产业发展的一般规律来看,在发展初期,产品容易出现一些问题,这是正常的。应当对初创产品持包容的态度,允许发生一些错误,给出一定的空间和时间,不能因为出现错误,就限制其发展。

(二)安全问题是系统的、动态的问题

电动汽车的安全问题不完全是技术问题,涉及的面较广,包括企业、政府、消费者等主体,也包括公交、出租、充电等多个领域,是个跨行业、跨学科的系统性问题。没有规矩不成方圆,政府部门应当组织开展电动汽车安全问题的系统性研究,从标准、认证、检测、监管等诸多方面予以规范。安全问题也不是一个孤立的产品质量问题,还应当包括使用过程中的安全监管。政府部门研究制定相应的安全标准和法规来约束上市产品的同时,还需要加强事中事后监管,对已经上市的电动汽车安全状态进行定期检查,将安全隐患消灭在萌芽状态。另外,除了产品本身的安全以外,还要考虑到操作人员安全、维修人员的专业培训等。安全应当贯穿在电动汽车全生命周期当中,是动态的,而不是静态的。

(三)安全问题的解决根本上要依靠技术进步和创新突破

安全问题是电动汽车产业发展的核心问题,真正解决安全问题还是要依靠技术进步和创新。企业需要对电动汽车安全事故进行分析研究,从机理上找到事故发生的原因,并在此基础上研究出防范措施。安全问题是个系统性问题,不能只考虑产品本身,更要从整体出发,研究系统性的安全解决方案。这就需要加快技术攻关和创新研究,如制定电池系统安全标准、整车碰撞时动力电池箱的防护标准、着火时乘员逃生时间设定、车载灭火装置研发、安全操作规范等。电动汽车产业如果要快速并健康的发展,必须加强安全技术创新方面的攻关。

(四)安全问题的解决还需要建立配套管理体系

安全问题不能仅依靠产品质量无限制地提升来解决,它同时也是一个管理问题。安全管理如果执行不到位或者不落实,就容易引发安全事故,给人们的生命财产造成损失,而且在客观上也阻碍了社会生产力的提高。因此应当从电动汽车全生命周期建立的安全管理体系,包括产品认证、运行安全、维护保养、退役回收等环节,以及有关的安全标准和法规等。

二、电动汽车安全相关问题现状

(一)电动汽车产业发展现状

电动汽车近几年发展迅速,继2014年爆发式增长之后,2015年再创历史新高,达到37.9万辆,根据工信部公开数据统计,截至2015年12月底,我国电动汽车产量已经突破50万辆。伴随电动汽车的快速发展,动力电池需求量急剧增加,据高工锂电的数据,2015年我国车用动力电池出货量达到15.7GWh,同比增长3.2倍。

(二)电动汽车安全事故统计分析

随着电动汽车保有量的快速增长,电动汽车安全事开始增多,引起了广泛关注。表1是通过网络资料整理的2011年-2016年7月全球电动汽车典型安全事件的不完全统计。

以上49例典型电动汽车着火事件中,2015年火灾发生事故为14例,2016年1-7月15例,2015年至今已经超过一半,着火事件发生频率呈上升趋势。

以上电动汽车着火事故中,由自燃导致的火灾事故最高,为23例子,占比约47%,充电、碰撞、浸水导致的分别为7例、6例和3例,其他零部件引起的6例,不明原因的4例。

从以上电动汽车着火事故的车型构成来看,新能源客车22例,占比约45%,全部为国内车型,轿车为27例,国内车型中,新能源客车发生事故次数比轿车多。由于新能源客车承载人数多,乘客需要的逃生时间较长,火灾事故影响严重。

(三)充电安全新旧标准转换期存在问题

充电基础设施安全性和互联互通新国标出台后,使得新建基础设施与充电系统在安全方面得到了提升,但前期已经安装的符合采用旧标准的系统升级较为迟缓,在一定程度上,这些电动汽车产品也存在一定的安全隐患。某一电动汽车品牌对新标准的符合性进行了车桩匹配试验发现,目前市场上很多充电产品未能满足新标准的要求,一些产品甚至没有绝缘诊断等功能。

(四)电动汽车产品准入存在的问题

我国自2009年实施《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》之后,对电动汽车企业及产品采取公告管理,强调了企业的研发能力和产业基础,并要求电动汽车符合常规汽车和电动汽车专项检验标准,虽然采取了准入管理的制度,但是产品安全门槛并不高,导致我国推荐目录中出现了大量车型。比如2009-2015年《节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录》中,共发布了3409款车型,尤其是中小型客车,2015年发布532款,较2014年的87款增加6倍,2016年实施的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》3批名单中,共1022款新能源车型入选,其中客车为760款,超过了70%。然而我国部分新能源客车企业的产品类似常规车的拼装,产品质量参差不齐,有些产品的高压熔断器、IGBT等元器件可靠性不高,接插件阻燃性达不到要求,BMS对充电管理存在缺陷,这些都有可能导致电动汽车事故的发生。

(五)电动汽车智能网联化带来新的安全性挑战

汽车智能化、网络化将会成为汽车未来发展的大趋势,而电动汽车将是实现汽车智能化、网络化的最佳载体。随着电动汽车的智能化和网联化发展,汽车信息安全将会逐渐显露。首先是信息安全,黑客可以通过与总线通讯交换车辆数据,控制车辆部分功能;其次,环境感知部分的各类传感器,也是汽车为了感知外部环境新设的数据入口,黑客可以模拟超声波、毫米波、激光雷达的返回波模拟外部环境,使车辆对周围障碍判断失误,从而引发安全事故;第三,充电时充电基础设施及BMS也存在被外界控制的风险。黑客可以利用汽车系统的漏洞及对车辆相关环境设施的控制对车辆进行攻击。

三、影响电动汽车安全的关键技术解析

(一)动力电池安全性技术

动力电池作为高能量载体,在不需要外部能量输入的情况下,本身就能够因能量非正常释放而产生巨大破坏力,因此动力电池安全是电动汽车安全技术的重中之重。

1.动力电池安全性分类

动力电池安全性包括:结构安全、电安全、热安全、化学安全、环境安全、三防安全、生命周期安全。

²结构安全:振动、机械冲击、跌落、挤压、翻转、碰撞、刺穿;

²电安全:过充电、过放电、短路、低温充电、电击(系统)、灰尘污染、涉水、水淹、火烧、湿气;

²热安全:外部高温、大阻抗;

²化学安全:腐蚀性、可燃性;

²功能安全(动力电池系统):BMS冗余功能、电磁兼容;

²环境安全:温度冲击、湿热循环、高海拔、电磁兼容;

²生命周期安全:全生命周期内动力电池(系统)的机械安全、电安全、热安全、滥用安全、环境安全和三防安全性能。

从电池系统安全来讲,最终的结果是关注热安全和电安全,在这两个终极目标的外围是前几道防线:

(1)正常工作情况下防护(防尘防水、防结构侵入和损失、正常环境载荷:温度冲击、湿热循环、高海拔、耐干扰);

(2)滥用情况下的防护(过充、过放、短路、低温充电、高温用电);

(3)事故情况下(跌落、挤压、翻转、碰撞、针刺、火烧、热失控、海水浸泡。

动力电池安全性问题来自其能量释放,形式包括电能释放和化学能释放。电能释放形式形成的安全性问题表现为电击(主要指6V以上的高压系统)。化学能释放引起的安全性问题最终表现形式为热失控和热失控扩展引起的燃烧或爆炸。

2.动力电池热失控与扩展分析

所谓热失控(thermalrunaway)是指单体电池放热连锁发硬引起电池自温升速率急剧变化,不可逆,引起过热、起火、爆炸现象。热失控扩展(thermalrunawaypropagation)是指电池包,或者电池系统内容的单体电池或者电池模组单元热失控,并触发电池系统中相邻或其他部位的动力电池的热失控的现象。图1为清华大学得到的某款常见材料的锂离子动力电池热失控的机理,可以看到热失控发生时,各种材料相继发生热化学反应,放出大量的热量,形成链式反应效应,使得电池体系内部温度不可逆快速升高。链式反应过程中,电解液气化及副反应产气造成电池体系内压力升高,电池喷阀破裂后,可燃气体被点燃发生燃烧反应。单体电池的热失控特性表现为其组成材料反应热特性的叠加。

(1)热失控诱因

热失控主要诱因包括:机械诱因、电诱因和热诱因,如图7所示。以上诱因可单独或者结合引发热失控。

机械诱因引发的热失控及扩展引起火灾的典型案例包括全球销量领先的美国通用公司的VOLT插电式混合动力轿车在碰撞后发生着火的研究结果,如图8所示。以及全球最受欢迎的纯电动轿车特斯拉ModelS运行过程中由于底盘被路上突出物刺穿,引发着火,如图9所示。

电诱因引发的电动汽车着火的案例中典型代表是中国某品牌公交车在充电站由于过充电引发着火事件(如图10所示),以及特斯拉ModelS在冬季低温充电发生着火的事故等,如图11所示。

热触发热失控引起电动汽车起火的典型例子是一辆丰田普锐斯插电式混合动力轿车在运行中起火,其原因是一个连接部件的松动使得系统产生高温,从而引发电池包的热失控与扩展。

电动汽车高压系统在水浸泡可触发热失控,从而引起电动汽车着火,典型案例是南京纯电动公交车在大雨过后的积水里浸泡后一段时间后着火,如图12所示。

以上热失控诱因是直接可观的,除此之外,对于使用中的电动汽车有一个生命周期安全性问题,比如使用一段时间的电动汽车在无任何触发事件情况下会发生由电池部件的热失控引发的自燃,如图13所示公交车在场站静置停靠时自燃,并且引燃了附件停靠的公交车,造成较大损失。

(2)热失控机理

在外部诱因作用下,经过演变过程,电池事故将会进入“触发”阶段。一般地,进入触发阶段之后,锂离子动力电池内部的能量将会在瞬间集中释放,此过程不可逆且不可控,即热失控。热失控后的电池发生剧烈升温,在高温下可以观察到冒烟、起火与爆炸等危险现象。

当然,从广义的“安全性”的定义来看,电池安全事故中,也可能不发生热失控。比如电池发生碰撞事故后并不一定发生热失控;而电池组绝缘失效造成人员高电压触电,电池漏液产生异味造成车载人员身体不适等情况下,电池也不会发生热失控。在动力电池系统的安全设计当中,以上情况都需要考虑。而热失控则是安全性事故最常见的事故原因,也是锂离子动力电池安全性事故特有的特点。

大量实验现象表明,热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸,也可能都不发生,这取决于电池材料发生热失控的机理。图14与图15展示了某款具有三元正极/PE基质的陶瓷隔膜/石墨负极的锂离子动力电池的热失控机理。图14为该款锂离子动力电池绝热热失控实验中的温度与电压曲线,根据其热失控温度变化的特征,将热失控过程分为了7个阶段。在不同阶段,电池材料发生不同的变化,图15通过一系列的图片解释了各个阶段电池材料的变化情况。

图14某款三元锂离子动力电池热失控实验

图15某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理示意图

对于冒烟的情况而言,在阶段V,如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660oC,电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出,此时观察到的会是白烟;而如果电池内部温度高于660oC,正极集流体铝箔熔化,电池正极涂层随着反应产生的气体大量喷出,此时观察到的会是黑烟。对于起火的情况而言,热失控事故中的起火一般是由于电解液及其分解产物被点燃造成的。所以,从阶段II开始,从安全阀泄漏出来的电解液就有可能被点燃而起火。从燃烧反应的三要素(可燃物,氧气,引燃物)来看,可燃物即是电解液;氧气在电池内部存在不足,因此电解液需要泄漏出来才会发生起火;引燃物可能来自于电池外短路产生的电弧,也可能来自热失控时,高速喷出的气体与安全阀体摩擦所产生的火星。对于爆炸的情况而言,爆炸一般表现为高压气体瞬间扩散造成的冲击。电池内部具有高压气体积聚的条件,而安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。安全阀体如能在电池壳体破裂之前开启,并释放足够多的在热失控过程中产生的高压气体,电池就不会发生爆炸;安全阀体如不能及时开启,就可能会发生爆炸事故。

3.动力电池安全性技术标准需求

安全性测试标准对于提升动力电池的安全性水平尤为重要。基于上述动力电池安全性问题的梳理,对相应的安全性技术测试标准提出了迫切的需求。目前国内采用的动力电池安全性测试的标准主要包括GB/T31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法循环寿命要求及试验方法和GB/T31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法。

GB/T31485-2015主要考核动力电池单体和模组的安全指标,围绕化学能的防护,给出了一系列滥用情况以及极端情况下的安全要求和检验规范。GB/T31467侧重于电池包或电池系统级的检验规范。GB/T31467.3-2015主要针对安全要求和测试方法做了明确的规定。结合GB/T31485-2015,构成了从电池单体、模组、到动力电池包和动力电池系统的完整的化学能防护规范。目前,总体上动力电池相关测试标准较国外严格。

表3GB/T31485-2015标准测试内容

表4GB/T31467.3测试内容

表5目前动力电池安全性标准与需求

通过上述分析可以看出,在动力电池安全性标准方面,目前模块、系统对热失控的防热诱因测试方面、以及单体、模组和系统的生命周期安全性测试标准缺失,亟待研究与制定。现行国家安全标准主要针对源自电池外部因素的安全风险,尚无检测电池内部热失控的项目。

目前,经动力电池创新联盟对高比能量动力电池安全性的测试结果显示,国内企业高比能量的三元电池安全性不达标比例较高,生产一致性较低,电池比能量提高时,安全风险加大,所收集数据中,未能通过标准检测的电池单体均为超过150Wh/kg的高比能量电池,且高比能量电池一旦发生热失控,易发生起火爆炸。

4.提高安全性的技术手段

(1)单体安全性技术提升

提高动力电池单体安全性的技术手段主要包括:

²提高材料安全性,比如开发高全电池材料,改变电解液的有机溶剂成分,采用陶瓷隔膜,在电解液中增加阻燃剂等;

²改进工艺提高安全性;

²采用自发热控制技术,比如阻断放热副反应的正反馈过程等;

²增加保护措施,降低外部触发因素发生概率(过充、过热、短路、挤压、穿刺等);

(2)电池模组安全性提升

动力电池成组安全性技术包括集成化、模块化技术和封装技术等。

(3)电池系统安全性提升

动力电池系统的安全性提升依赖于先进的BMS技术、热管理系统、构型技术、防护系统设计和保护电路等。其中BMS功能应该至少包括:电池参数检测(SOC、SOH、SOE)、故障诊断、安全控制与报警、充电控制、均衡、温度控制、功能安全、EMC等。

动力电池系统安全性提升主要在以下几个方面:

²机械安全:强度机械部件的刚度校核,实现壳体等具有固定、柔性、缓冲性能,密封技术;

²电气安全:电器件布局,电联接可靠性,防护、绝缘、电气间隙,高压保护,等电位;

²功能安全:滥用保护、过压/欠压/过流保护、高低温阀值、碰撞时断高压、ASIL评定与管理;

²策略安全:高低压互锁、高低压隔离、充放电策略、安全预警和保护;

²工艺安全:焊接和联接工艺、防错、过程防护、SOP;

²运维安全:手动维修开关、快速维修口、安全标示、警示信息、防护和包装;

²环境安全:温度监控和热管理,防火、阻燃、防水、防腐蚀,EMC和EMR,高IP防护等级;

²碰撞安全:防护系统,提高框架刚度;

²防爆安全:泄压装置、防止热失控。

(二)电动汽车整车安全技术

电动汽车整车安全主要包括:碰撞安全、电气安全、功能安全和维修安全等。

²碰撞安全:营救保护、机械保护、高压保护;

²电气安全:高压安全、充电保护和GB18384-2015中有关高压安全的内容、涉水、浸水;

²功能安全:GB18384-2015中有关功能安全的内容、控制策略有效、EMC;

²维修安全:维修过程的人员保护。

1.电动汽车整车安全性技术

(1)碰撞安全

碰撞是电动汽车最为重要的安全问题之一,相比于传统内燃机汽车,由于动力系统的特殊性,电动汽车的安全系统设计更为复杂。如果车辆在充电及行驶过程中出现碰撞、翻车等事故,可能造成动力系统的短路、漏电、燃烧、爆炸等,由此对乘员造成电伤害、化学伤害、燃烧伤害等。当车辆发生碰撞时,碰撞过程中以及碰撞后都要保证相关人员的人身安全。由于电动汽车既有传统燃油车的一般碰撞安全问题,又有纯电动汽车的高压碰撞安全问题。因此,对于纯电动汽车来说,除了传统汽车的相关保护需求之外,还应当满足电动汽车的高压安全条件。

²防触电安全:惯量电路、高压瞬时断电等功能实现了在碰撞过程中断开高压电回路,避免乘员和行人遭受触电风险,保证人员安全的情况下尽量保护关键零部件不受损害。汽车碰撞后保证维护和救援人员没有触电风险;

²电池碰撞安全:碰撞后动力电池系统热失控扩展的控制技术要保证人员逃生时间要求;

机械防护安全:乘用车满足碰撞法规、NCAP等碰撞工况要求,针对电驱动系统特点,需进行高压电系统的碰撞安全布置空间校核,需进行车身和底盘等关键零部件碰撞传力、吸能设计,保证碰撞过程中车身对动力电池系统的防护,避免碰撞过程中电池漏液、燃烧、爆炸。在高速碰撞工况下,保证大质量电池与车身安装固定的可靠性,避免电池脱落对乘员和第三方造成伤害。

由于客车没有碰撞测试要求,正在制定中过的《电动客车安全技术条件草案》已经将其纳入。

(2)电气安全

纯电动汽车的电气安全主要包括以下方面:防止人员接触到高压电、电池能量的合理分配、充电时的高压安全、行驶过程中的高压安全。

²高压互锁安全:防止人员接触高压;

²涉水安全:当电动汽车遇到涉水、暴雨等工况时,由于水汽侵蚀,高压的正极与负极之间可能出现绝缘电阻变小甚至短路的情况,可能引起电池的燃烧、漏液甚至爆炸,若电流流经车身,可能使乘员遭受触电风险。

当电动汽车发生高压电气安全事故,首先可及时预警,即事故发生后,保证人员安全逃生。需要的安全疏散时间也要满足:

1)有人员被困的情况下:

=“停车时间”+“消防队到场时间”+“解救被困人员时间”

2)没有人员被困的情况下:

=“停车时间”+“人员自主逃生时间”

两排座5人的轿车人员逃生时间大约是10s。客车人员逃生时间要求为2-5min。

(3)功能安全

²扭矩安全:为了防止汽车出现期望之外的运动,则应该要在汽车的安全系统中加入扭矩安全管理系统;

²充电安全系统:在充电的时候很容易出现车辆移动的情况,对此,应该要对车辆的充电安全进行控制;

²电控系统功能安全:电控系统在故障情况的保持工作的能力;

²电磁兼容:通过减小干扰源发射强度、切断传播途径、提高敏感部件EMC水平等手段,达到国标GB/T18655要求。

(4)维修安全

维修安全是纯电动汽车安全系统设计的一个重要内容,主要指的是高压安全,工作人员在对汽车进行操作的时候,必须要确保这个汽车本身的电压是处于安全范围内的,以防对汽车的使用人员产生影响。为此,在这个系统的设计上,应该要注意安装维修开关,当汽车的维修开关断开的时候,汽车的电力输出就处于中断的状态,可以有效地防止出现高压危险。

2.电动汽车整车安全测试标准

目前出台GB/T18384-2015标准适用于3.5吨以下的电动乘用车或电动商用车,整车层面针对电动汽车动力系统所提出的安全通则,包括:车载可充电储能系统、操作安全和故障防护、人员触电防护3部分,更侧重于针对电能和电磁能的安全规范和故障保护。

电动客车乘员多、疏散慢、装载电池能量大,电池发生安全事故的危害程度高,国内电动客车增速过快,部分电动客车整车安全设计与验证不足,而电动客车安全标准不完善。而电动客车的安全性备受关注,《电动客车安全性技术条件》的标准正在制定、征求意见。

表6目前电动汽车整车安全性标准与需求

(三)充电设施与充电安全技术

1.充电设施与充电安全分类

充电设施与充电安全包括:充电设施安全、充电策略安全、冗余保护安全。

²充电设施安全:安全防护、建设规范等;

²充电策略安全:车辆充电策略安全、充电基础设施充电策略安全;

²冗余保护安全:对控制系统冗余保护机制;

(1)充电设施安全

充电基础设施在相关的技术标准、建设规范等方面已经非常成熟。如电击防护、电容放电、温度保护、过载保护、短路保护、漏电保护等。作为独立的电气设备,充电设备安全的重点不在技术而在管理。

(2)充电策略安全

优秀的充电电流控制策略对车辆安全、使用寿命都有非常大的帮助。下面以三种不同的充电电流控制策略为例:

控制方式1电流从充电开始呈线性上升,到130A时趋于平稳,直至充满。这种控制策略的优点是电流达到130A后恒定不变,技术难度较低,容易实现。但恒定大电流充电容易导致锂电池过充,同时,过快的充电可能超过锂电池内部反应物质的量浓度允许的反应速率,因而可能导致大量放热及锂电池容量减小、寿命缩短。控制方式2电流从充电开始呈线性上升,达到峰值后电流开始以梯形结构下降,直至充满。这种控制策略可以为动力电池在充电过程中的不同阶段,提供不同的充电电流,实现相对简单。然而其充电电流的下降不是连续性的,电池的使用寿命和安全会受到影响。控制方式3电流从充电开始呈线性上升,达到峰值后逐渐连续下降,电流的实时调整实现了真正意义上的满充。即使出现过充现象,由于后期的电流较小,也可以防止出现严重的充电事故,安全性较高。这种控制策略相对比较复杂,在开发阶段需要投入的成本很高。优秀的电流控制策略不仅有助于提高充电的安全性,还能延长动力电池的使用寿命。

(3)冗余保护安全

冗余保护安全是指采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态,一旦主系统出现故障,能自动切换,以保证系统继续执行工作命令。它可以确保在充电过程中,由于某些主控模块出现故障时,仍然可以将充电行为安全的进行或强制中断,可有效避免意外事故的发生。比如:深圳4.26事件主要是由于BMS系统故障,在车辆充满电后充电机没有接收到停止充电的信号反馈而持续过量充电78分钟,而引发的起火事故。如果当BMS主控模块出现故障时,冗余保护机制能够立刻生效,及时终止充电行为,是可以避免事故发生的。

建议我国应尽早制定一个类似ISO26262的安全标准,要求产品在设计时应提供保持安全状态的机制或安全地切换到安全状态的能力。比如:要求所有的高安全性的主控系统都需要设置冗余保护机制,以此来避免由于主控模块故障,而引起的充电安全事故。

2.充电设施与充电安全技术标准需求

充电设施在电气安全方面已经有大量的标准可以借鉴,但是由于涉及电动汽车充电,因此在完善已有的充电接口互操作性及通信协议一致性标准外,还需要加快充电设施消防安全设计和验收规范、动力电池管理系统安全技术评价标准(或测评技术规范)和新能源汽车防火灾设计技术等安全技术标准的研究和出台。

四、全球电动汽车安全法规现状

(一)联合国

关于电动汽车安全法规,联合国方面在世界车辆规律协调论坛框架下成立了工作组,并展开了相关工作。2012年EVS(电动车辆安全)工作组在WP29(世界车辆法规协调论坛)的GSRP(车辆被动安全项目组)下成立,由TF1防水保护专项组、TF2低电量防护专项组、TF3电解液泄露专项组、TF4可充电储能系统专项组、TF5热失控专项组、TF6电池荷电状态专项组、TF7防火专项组、TF8商用车专项组、TF9可充电储能系统安全报警专项组等9个专项组(TF)组成,其中,中国牵头参与了TF1、TF5、TF8三项技术研究。EVS-GTR大会自2012年成立以来已经进行了11次全体讨论大会,研究了电动汽车正常使用和碰撞后的潜在安全风险,包括高压电路的电击危害、锂电池系统或其他储能系统的潜在安全隐患。另外,联合国于2016年3月9日在日内瓦的欧洲总部召开会议,通过了主要内容为“要求电动汽车发出与汽油车同等音量”的安全标准方案。

世界各国虽大多都暂无电动汽车专属的法规体系,但是一些国家和地区将电动汽车纳入到车辆法规体系中进行管理,并推进电动汽车安全法规体系的建立。

(二)美国

传统的汽车产品管理法规体系中涵盖了电动汽车尤其是储能系统电解液和电击防护方面的安全技术法规。

美国联邦机动车安全标准(FMVSS)305对车辆撞击后,电解液溢出量、蓄电池/转换装置稳定性、以及对有害的触电保护提出了详细要求,以降低车辆撞击事故中由于推进装置蓄电池电解液溢出、推进装置蓄电池系统部件刺入乘客车厢以及电击等因素造成的人员伤亡风险。FMVSS是美国《国家交通及机动车安全法》授权美国运输部(DOT)对车辆以及车辆的装备和部件制定并实施的,并有与其配套的管理性汽车技术法规,整个法规体系是较为严格的。另外,在电动汽车低噪音安全方面,美国国家公路交通安全管理局(简称“NHTSA”)计划出台针对电动汽车和混合动力汽车出台的行人保护措施计划,预计2016年底前发布。

(三)欧盟

欧盟电动汽车市场准入制度整体上沿用了传统汽车产品的法规体系。

在欧盟范围内对汽车产品制定和实施统一型式批准制度,主要基于EC指令和UNECE法规等强制性技术要求。电动汽车安全法规(UNECER100)是联合国欧洲经济委员会针对电动车辆的电气安全通用法规,适用于最大速度超过25km/h的M型和N型的所有的电动汽车,包括纯电动、混合动力、可插电式混合电动汽车、氢燃料汽车等,其主要从电击保护、可再充储能系统、功能安全和氢气排放判定要求等四个方面对电动汽车进行了最低安全风险规范。欧盟委员会于2010年6月15日形成提议,把ECER100作为欧盟电动汽车型式认证的强制性法规,以弥补对电动汽车电气安全要求的不足。

图17ECER100法规架构

另外,欧盟关于电动汽车相关电气产品也在电气安全法规中予以了规定。为适应欧盟新立法框架(NewLegislativeFramework,NLF),2014年3月29日,欧盟官方期刊公布了新版本的低电压指令2014/35/EU,用以替换原有的低电压指令2006/95/EC。新指令将于2016年4月20日起执行,要求各成员国必须在2016年4月19日前完成立法程序。即2016年4月21日开始卖到欧洲去的或者在欧洲上市的产品,对于电气产品必须要通过危险性分析,否则不允许上市。通过危险性分析的步骤是:首先,定义出产品的使用场所和整个生命周期;其次,根据使用环境在产品的整个生命周期里分析每一个阶段、每一个操作过程、操作阶段的状态;根据危险和操作者的状态通过定量的方式计算出每个阶段的危险等级,如果结果均在可接受的范围内,则该产品可以上市,如果某个阶段超出安全范围,则该产品不允许上市,需要采取相应措施,修改产品设计,以确保电气产品包括电动汽车及相关部件的安全性。

(四)日本

日本电动汽车安全相关法规主要有《道路车辆法》、《报废汽车回收法》、《电力企业法》、《电器及材料安全法》以及合理利用能源相关法案等,其中《道路车辆法》涉及电动汽车安全项目最多。有关行车安静的电动汽车(EV)等靠近行人时用声音进行安全提醒的通知装置,日本国土交通省计划于2018年要求国内的EV及混合动力车(HV)、燃料电池车等新型车适用基于国际规则的安全标准。目前市场上销售的新车也标配这种装置,但国交省表示也有可能较联合国标准更为严格。

在具体电池和充电设施领域的安全法规方面,根据中国汽车技术研究中心报告,只有中国、日本出台了电池性能的法规,其中中国还有电池耐用方面的法规;只有欧盟有非车载充电的法规。从全球来看,电动汽车安全相关法规体系建设都还处于起步阶段,虽然美国和欧盟虽然在原有汽车安全法规中进行了电动汽车安全项目的增加,但还需要进一步完善。无论在原有汽车安全法规体系下建立还是新增电动汽车安全专项法规,各国都应都应尽快建立电动汽车安全法规,以保证电动汽车能够“安全”发展,也为电动汽车后续的科研创新和技术发展指明方向。

五、建立我国电动汽车安全体系的建议

(一)提高汽车安全性要求,引入强制认证制度,加强事后监管与责任追究

我国对电动汽车实行生产企业和产品公告管理制度,尽管增加了专项检验标准,但是由于安全准入门槛比较低,在电动汽车碰撞、防尘防水等安全方面要求不高,导致公告中滋生了大量存在安全隐患的车型。有些企业过多注重产品目录申报,却对进入市场的产品安全问题重视不够,容易引发产品安全事故。应出台加快电动汽车安全评估办法,提高产品准入的安全门槛,将安全方面不合格的产品挡在市场之外。

引入产品安全强制认证。第三方认证机构对产品安全性认证,并对上市产品的安全性背书,连带承担相应的行政、经济及法律(包括刑事)责任。但是认证并不是万能钥匙,因此在认证的基础上还需要引入保险公司,发挥保险机制在保障安全方面的作用。

由重事前监管向事后监管转变。美国汽车行业管理的一个非常值得借鉴的地方是,由企业自己及第三方机构对汽车的安全、环保性负责。政府颁布相应法规,不管准入,重在对企业产品上市后进行监管,一经发现有不达标或不合规的汽车,美国有一整套的、基于法律的处罚体系,让违规者必须承受足够的代价。在美国总有汽车企业会支付高达数十亿甚至过百亿美元的惩罚是不足为怪的,这些案例对业界的警示作用比我们国家要有效的多。

(二)改革检测体制,完善检测方式

电动汽车检测机构肩负着对电动汽车检验、检测的重任,其检测的严密性直接影响到产品的安全、影响到乘客和行人的安全、影响到车辆和基础设施服务人员的安全,对保障我国电动汽车的安全水平有重要作用。

我国应继续保持强制性检测制度。安全检测各国做法不同,美国主要采取非政府参与的自行检测认证。欧洲与中国类似,采取型式认证,即在获得销售许可之前,生产商必须向相关政府机构证明其产品符合各项管制要求。我国的情况是,根据工信部《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》,新能源汽车产品需满足的检验项目包括汽车产品强制性标准检验项目及新能源汽车专项检验项目。这项制度应继续保持。然而,近期我国新能源汽车发展迅猛,市场上的产品质量一致性参差不齐、良莠混杂,一方面新产品迭代较快,检测机构任务繁重;另一方面量产车型市场保有量较小,我国电动汽车产品的检测和监管力度有限。

改革我国现有的汽车检测体制,加强对检测机构的中立性监督。公立的检测机构应体现中立与非盈利原则,由政府要承担相应的费用,以保证这类机构不为商业利益驱使。要防止检测机构利用特殊地位与职能谋取商业利益,防止其被不法企业绑架。建立检测机构的责任体系,确保其对检测结果负责的可清晰性和准确度。

(三)完善电动汽车安全标准体系,改革标准形成机制

我国电动汽车的研发和产业化工作发展很快,而相关标准的制修订工作周期相对较长,现有的新能源汽车标准体系和标准对一些新技术和新产品覆盖不全面,存在某些产品或某些技术领域缺乏标准或标准不能满足实际安全需求,同时还存在标准的制修订工作跟不上发展需要的情况,要尽快完善相关标准。包括:提高动力电池全生命周期安全标准,如动力电池单体、模组和系统的全生命周期安全性测试标准,以及动力电池模块、系统对热失控的防热诱因测试标准,弥补现有标准的不足,同时更进一步激励技术提升,为市场提供更多安全系数高、可靠性好的产品;提高动力电池箱防尘防水标准,提高我国动力电池箱的安全防护等级;制定动力电池退役报废标准,根据不同类型动力电池的特征,研究制定动力电池退役、报废的技术条件及检测评估方法,为动力电池梯级利用和报废回收相关管理规定提供技术标准支撑;提高建筑设计配电标准,对新建住宅或其他公共场所配电时,要从长远的角度考虑,提高最大负荷量设计,以避免电网的反复改造;加速信息安全标准制定,国内外目前对于电动汽车的信息安全暂无标准体系,而随着智能网联的发展,电动汽车已经成为能源、信息和物流终端,大量的信息交互必然带来信息安全问题,信息安全对电动汽车的安全影响也越来越大,我国应加快电动汽车信息安全标准的研制,实现国际上信息安全标准为零的突破。

研究汽车行业标准形成机制的改革,在可能的情况下要缩短标准的修订周期,提前布局标准体系。现阶段,电动汽车技术发展较快,其相关标准的制定或者修订应考虑到行业需要,适时缩短部分标准的修订周期,以紧跟行业发展需要。例如我国现行的电动汽车标准修订时间间隔在4-8年的范围内,均值为5.25年,远远落后于电动汽车技术和产业的发展。另外,对于如无线充电等新型技术应提前立项研究,以尽早确定新技术标准框架,有利于规范技术和市场的安全发展。标准由谁提出、谁来制定及标准制定过程的透明度,这些在我国目前都还存在问题,这涉及标准形成机制的改革。标准的背后是巨大的国家与企业利益,应着手研究我国标准形成机制的改革问题。

(四)建立电动汽车安全运行监控体系,落实车辆年检

目前为了防止电动汽车意外事故的发生,各大汽车厂商和动力电池生产厂商都加大了整车和动力电池安全系统的投入,配备了许多安全防护措施,其中就包括在线监控系统,但仍参差不齐,有些有名无实。建议在强制性要求厂家完善监控系统的基础上,要建立国家和省级层面电动汽车在线安全监控系统,并要求整车厂、充电基础设施运营商将与安全相关的数据上传至该系统。为了激励整车厂和充电基础设施运营商按要求将数据按时上传至国家和省级层面的电动汽车在线安全监控系统,可以将此项内容与销售补贴和建设补贴挂钩。

要进一步完善监控数据体系。在整车方面应包括电机温度、电机控制器温度、电机母线电流等;动力电池方面应包括单体和电池包的温度、电流、电压等;充电基础设施方面应包括充电电流、充电电压、充电温度等。还可根据技术发展情况,进一步调整相关数据要求。

落实车辆年检制度。在线平台可以监测车辆安全状态,但有些检测仍然需要专业的人员进行检测,如高压电路由于老化振动等带来的短路、接地;动力电池箱防护是否失效等。

(五)明确责任主体,落实管理机制

落实产品链条上不同主体的责任。电动汽车安全的责任认定相比燃油车更加复杂。除整车厂外,部件特别是电池的责任,以及使用者的责任,在认定时都非常复杂。现有的技术手段基本能解决大部分问题,但责任在产品链条如何传递与划分目前都还存在困难。原则上讲,整车厂一般要对汽车安全负总责,其可依法依约追究零部件企业的责任,但如果有刑事上的责任,二者如何认定还没有现成案例可参考。

要明确管理方责任和处置机制。一旦发生安全事故,首先应由安全事故责任分析牵头单位召集相关部门对事故原因进行调查分析,并将调查结果进行公示。对于有责任的相关单位除了要承担经济处罚外,还要面临更加严厉的行政处罚,比如某企业的电动汽车在一定期间内安全事故率达到一定比例后,将会取消公告资质;某运营商的充电事故率在一定期间内超过一定比例后,将暂停其对外充电的业务,并强制整改等。

(六)完善相关消防法规

目前,国内对于电动汽车火灾机理研究只局限于动力电池的内部机理,而未涉及动力电池和整车燃烧规律以及相关消防安全技术。我国现有消防规范对电动汽车充电站要求没有针对性和特殊性,多为电力设备设施设计要求,2014年住建部发布的《电动汽车充电站设计规范》对消防安全设计只是要求符合《建筑设计防火规范》、《建筑灭火器配置设计规范》的规定,但《建筑设计防火规范》中涉及的10种新建、扩建和改建的建筑类别并不能完全涵盖所有种类的充换电站;《建筑灭火器配置设计规范》中灭火器的配置规则主要根据建筑物的火灾类型和风险等级,但是充电基础设施周围的动力电池是A、B、D、E类火的复合形式,设计和管理部门对灭火剂的配置类型、规格和数量都无法获得明确规定,比如地下车库属于中危险级场所,但没有针对动力电池的灭火设备,停留和充电时存在安全隐患。目前急需对电动汽车灭火技术进行攻关,并完善消防法规。特别是要加大力度研发新型、高效灭火剂及防火、灭火技术,有效抑制电动汽车火灾,开展电动汽车及充换电基础设施消防规范研究,规范灭火和应急救援操作规程,编制并出台针对电动汽车及充换电基础设施的防火规范,为电动汽车行业的快速发展保驾护航。

(七)构建动力电池强制回收体系,明确赏罚办法

受现阶段技术水平和管理制度的限制,电池回收和梯次利用经济性不高,动力电池存在退役后被遗弃的可能。而被遗弃的电池在静置过程中会伴随热行为的发生,不合理的储存方式会导致电池破损,有毒有害物质泄露,严重时会引发电池热失控,造成起火、爆炸等安全问题。为此,应加快制定动力电池回收再利用实施办法,对企业和消费者建立明确的赏罚机制。对电池回收和再利用企业按照电池套数、容量等方式进行补贴,对未履行责任义务的企业进行必要的惩罚。鼓励消费者主动上交退役动力电池,并给予额外补偿,培养消费者动力电池回收的意识。

(八)建立动力电池安全监测机制,推出延保服务

目前电动汽车缺乏质保期过后的保障机制,继续使用存在安全隐患。我国初期推广的电动汽车中,动力电池质保期一般为5年/10万公里,大批电池将面临质保过期问题。目前,除了少数厂家对电池提供终身质保或动力电池折价回收措施外,很多厂家还未明确提出对质保期过后动力电池等零部件的处理方案。加上我国对过质保期后的电池也没有明确的保障机制,消费者可能会继续使用,而质保期过后的电池由于老化等原因,存在安全隐患。

要建立动力电池安全监测机制,要求企业利用电池编码和监控平台手段,对动力电池的健康状态进行评估,政府主管部门利用平台系统对企业行为进行监督,并要求企业对问题电池在一定期限内进行维修、检测处理,否则进行一定的处罚。

整车或电池企业对质保期之后的电池提供检测、维修、延保等有偿服务或终身质保服务,保障产品在使用过程中安全性,并对无法继续使用的电池进行折价回收。

(九)重视对充电基础设施安全的管理

为了加强充电的安全性和可靠性,一个可行的办法是对充电基础设施采用质量控制认证,分为产品认证、到样抽查、安装完成测试、定期巡检四个阶段。但一个比较实际的问题是,在我国现有认证体制下,对充电设施的认证是否真正能解决安全性问题,是否会无故增加企业成本,这是必须认真思考的问题。从食品、药品等采用认证的行业来看,如果认证不权威,或者认证只是一个花钱就可做到的事,充电领域再引入这种制度就对安全性意义不大。充电领域引入认证制度的前提是认证机构要么必须独立和非盈利,要么可盈利但必须建立认证者的责任与风控体制,防止认证被扭曲为捞钱的工具。

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