姚昌晟

汽車行業裏，針對每一個產品和技術上的細節，都會有全球或者國家層面的標準作爲參考。通常要檢驗一個產品是否合格，也會經過專業機構的鑑定。而近些年，有一些民間的測試機構也開始進行測試，如針對威馬電池包的安全性，就有測試機構通過六種手段進行了暴力測試。

這樣的測試是否合乎標準？測試的結果能否真實反映產品的性能指標？

今天的文章裏，主要研究新能源汽車動力系統的工程師姚昌晟就會和大家聊聊：

"民間所進行的電池包暴力測試靠譜麼？"

姚昌晟 | 主要研究新能源汽車動力系統

清華大學車輛工程、經濟學學士，清華大學博士。參與課題類汽油壓燃先進燃燒模式研究，混合動力電動汽車構型分析研究，純電動車無線充電測試研究。

在Youtube上也有形形色色國外的"民間電池測試"。

我在這裏，就借這個"民間測試"，從技術角度說一說視頻中涉及這幾項電池測試的通過難易程度，以及背後的原因。

「圖1 鋰離子電池包結構示意圖」

車載鋰離子電池，實際是由方形/圓柱/軟包三類電芯組成的模組所封裝成的電池包。

在實際的電池包測試中，各項試驗模擬了車輛在運行中可能遭遇的極端工況，考察了電芯、模組、電池包各個結構層級的性能表現，而安全性是試驗測試的核心性能。

熱失控的三類誘因，分別是機械電氣誘因、電化學誘因和熱誘因。

而在電池測試中，一個不合格的電池包則可能因爲三種原因發生熱失控，進而着火導致測試失敗。

圖1中這樣的一個封包，無論是國標測試包含的火燒、跌落、海水浸泡；

還是沒有包括的槍擊，這五項實際上對電芯-模組-電池包三層結構都有所考驗。

如果從易到難給這五項測試排序，順序應該爲：槍擊 – 火燒 – 跌落 – 鹽水浸泡 – 擠壓。

首先槍擊最容易通過

這恐怕讓知友們有些意外。

槍擊——首先考察的是電池包，如果讓一顆子彈直接擊中電池單體，電池是幾乎無法倖免於熱失控的發生（屬機械電氣誘因）。

但好在有電池包殼體的保護，電池包殼體不僅包括電氣連接、防水設計，通常還包括一塊佈置在車底的鋼板，電池包鋼板的厚度保障了它的防彈作用。

子彈僅在電池包表面留下痕跡而沒有擊穿，對電池沒有構成任何威脅。

換言之，只要加上防彈的厚鋼板，槍擊難以對電池造成威脅。

「圖2 槍擊後的痕跡」

而假如沒有這層鋼板保護，就又是另一回事了。

如圖3是清華大學研究中直接射擊沒有鋼板保護的槍擊實驗結果，圖中彈孔清晰可見，子彈一連擊穿了多個電芯，導致電芯着火。而該電池包整體卻並未燃燒。

「圖3 清華大學進行槍擊實驗電池包實物圖」

這是因爲在各個電芯之間，研究者們設計了電芯隔熱方案，將熱擴散控制在了受損的電芯範圍內。

從易到難排在第二個的是火燒試驗

儘管熱誘因是電池熱失控的三大誘因之一，電芯單體在200度左右就將發生熱失控。

但國標及視頻的火燒試驗中，儘管電池包表面溫度已經達到了217度，由於電池包的隔熱和抗火設計，內部電芯的溫度並不會達到200度，它們被保護的很好，外部火燒的威脅並不大。

因此電池包的的設計，仍可以保證較爲容易地通過火燒試驗。

「圖4 火燒溫度」

排在第三位的是跌落試驗

跌落試驗模擬了車輛行駛中的劇烈顛簸場景（以及振動試驗等），測試的實際是電池包的機械性能，設計是否緊湊，強度是否達到要求等等。

如果電池包在行駛中跌落地面，那無疑將造成極大的衝擊，機械誘因會導致電池發生熱失控乃至自燃。

從國標的試驗中來看，跌落試驗本身仍是對電池包進行的測試。

從圖5可以看到，電池包平平落地，只有正面輕微的凹陷，這意味着電芯單體極有可能並未遭到破壞。

「圖5 跌落後的電池包」

這一試驗和前兩個試驗一樣，都表明了電池包硬件設計對保護電池安全的重要性。

如果電池單體的跌落，就極有可能發生起火了。

第四位是鹽水浸泡試驗

考察了電池包的防水設計，這個測試想通過並不容易。

通常電池包的防水設計要求達到IP67，IP表示了外殼的防護等級，6指防塵，而7指防水。

7的防水等級指的是：

"防短時浸泡：常溫常壓下，當外殼暫時浸泡在1M深的水裏將不會造成有害影響"

因此IP67並不是完全的防水，但是要求短時間內不會有害。這也是爲什麼在發大水的時候，電動汽車會因爲內短路的電化學誘因發生自燃。

當長時間浸水後或電池包密封不過關，電芯泡水會發生電解水反應，進而產生大量氣體，氣體在電池包內部會使得電路頻繁通斷進而產生電弧。

電弧會導致電池殼體的熔化並引燃電解液，從而造成熱失控釀發自燃事故。

「圖6」

圖6是2012年，颶風桑迪引起海水倒灌，停在海邊的Fisker Karma電動跑車被海水浸入後燒燬大半。

電池包浸入鹽水三個小時，但深度未達1M，這意味着水的壓強會低一些，通過難度相應有所降低。

與上面三個測試一樣，這個測試仍然是在電池包層面的考察，通過加強電池包的防水設計，就可以保護好電芯。

「圖7 浸入鹽水的的電池包」

五項測試中最難通過的就是擠壓測試

擠壓測試之所以難通過，是因爲在試驗中不僅考驗了電池包的設計，還考驗了電芯單體。這一測試實際上模擬了碰撞事故中電池包遭遇撞擊後的狀況。

圖8是視頻中擠壓後的電池包，這個測試結果讓我很驚訝，在該項測試中，電池包形變極爲嚴重，電芯此時應同時受到了擠壓，發生了形變。

「圖8 擠壓後的電池包」

如果電芯發生了較爲嚴重的形變，就會發生內隔膜的崩潰，導致內短路的發生，進而引發熱失控。

通常來說，通過擠壓試驗，一是需要電池包結構剛度足夠強，在發生撞擊時不易發生較大潰縮。

二是要在電池熱管理上下大工夫，當電池單體因碰撞受損後，應能夠將受損的電池隔離開，保證熱擴散不會影響到其他電池，並且能保證隔離開事故電池單體後，電池包仍能夠運行。

結論

最後，從易到難排序了這幾項測試，我們可以得出的結論是：

電池包層面的測試是容易通過電池包的改良設計通過的。

而一旦測試對電池單體造成了威脅，則不僅需要電池包的硬件設計的改良，電池管理系統的優化也必不可少，此外還需要電池單體本身的材料改進。

說回這個測試，能夠下大成本做這樣的試驗，又能做到有依有據，實屬難得了。

「圖9 "斧頭測試"」

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