关于印度电动汽车电池安全准备的专家观点摘要

关于印度电动汽车电池安全准备的专家观点摘要 ParveenKumar博士，PawanMulukutla和AshishRawat 会议程序 执行摘要 世界资源研究所印度（WRIIndia）举办了一场关于“印度电动汽车（EV）电池的安全准备”的网络研讨会，旨在提高人们对电动汽车电池安全挑战及其解决方案的认识。讨论小组由专家组成（请参见附录A了解演讲嘉宾名单），他们在讨论中强调了当前的安全关切，并规划了确保印度更安全的电动汽车电池生态系统的发展路径。 面板分析了印度及其它国家近期的电动汽车火灾事件，揭示了其发生原因，并着重从运营和技术角度进行了探讨。专家们建议采取以下措施构建一个稳固的电动车电池生态系统： 确保从电池到电池组级别的EV电池的安全标准和合规性的无缝实施。 l使用标准化充电器，并引入计量电动汽车连接的合规标准。 l为电池组部署安全警报系统，以防止火灾危险。 l鼓励服务提供商和运营商的技能开发和培训。 l促进电池组设计的创新，以提高其操作安全性。 l为电池组和EV充电器开发循环经济。 2022年4月8日印度电动汽车电池的安全准备看这里 本报告的内容反映了网络研讨会参与者的观点，并不一定反映世界资源研究所印度分部（WRIIndia）或其他网络合作伙伴的观点。报告内容旨在忠实地反映出网络研讨会上的讨论和生成的内容，为了便于阅读，部分措辞进行了编辑。 对于此报告的任何问题或评论，请联系ParveenKumar博士，高级项目管理师 （电动出行），电邮至par veen.kumar@wri.org。 Introduction 电池包是电动汽车中最关键和最有价值的部分之一，占总成本的30%至40%。电动汽车的性能和安全性也高度依赖于电池质量。 锂离子电池（LIBs）是电动汽车和储能应用中使用最广泛的电池。电动汽车常用的LIB化学物质包括磷酸铁锂（LFP或LiFePO4）、镍钴铝氧化物（NCA或Li（NixCoyAlz）O2）以及镍锰钴氧化物（NMC或Li （Ni,Mn,Co）O2）。最近，钛酸锂（LTO）化学因其更好的热稳定性、更高的充电能力、出色的循环寿命和整体安全性而成为高功率应用有前景的技术（科技部）。图1比较了不同类型的锂离子化学物质，以阐明其在细胞级别的性能差异。 然而，锂离子化学体系自身携带着一系列挑战，比如热失控，这由电池温度上升引起。虽然锂离子电池的运行温度范围可以是从-20°C到60°C，极端的低温和高温可能导致性能下降和不可逆损害。热失控会在电池内部引发连锁反应，可能导致火花或火灾事件。 锂离子电池的各种化学成分的比较图1| 性能 Specific能源 Specific电源 生命周期COST 安全 注意：颜色线沿轴延伸的距离越远，表示在该维度上的表现越好。来源：Ali和Abdeljawad,2020。 LCOLFPLMOLTONCANMC 2.与电动汽车电池相关的挑战 印度电动汽车市场面临的火灾安全挑战背后有多个原因。近期发生的火灾事件的仔细分析表明，过充和由于短路导致的自燃是最常见的原因之一。电池管理系统（BMS）未能在单体或模组级别检测异常也是导致事故的部分原因。电动汽车电池中此类技术故障的大致分类如下： A.内部短路:这可能是由于电池中的制造缺陷(例如毛刺或金属块，电极的未对准或隔膜穿孔)而发生的 。在诸如过充电或低温充电的异常条件下的LIB操作可导致锂枝晶生长或锂电镀(在充电时在阳极上沉积额外的锂离子)。不良的电池组设计，运输过程中的机械变形以及工作温度的突然升高也会导致内部短路 。 B.外部短路：这可能由外部火灾暴露或制造过程中电池组装时的松散连接引起。严重的机械变形、水浸、腐蚀和电击也能引发外部短路。 C.过度充电和过度放电：热失控的主要原因可能包括电池包过度充电、高电流、以较高的C率（电池提供能量的速度）操作，以及低于最低电压水平的放电。 D.暴露于高温：大多数锂离子电池化学体系在高温下表现出较低的热稳定性。因此，考虑到空间和其他限制， 尤其是在小型电池组中，电动汽车中的锂离子电池（LIBs）强烈推荐采用高效的热管理系统（TMS）。制造缺陷，如松动的电气连接，也可能导致温度突然上升。由于自加热增加而导致的极端环境温度是电动汽车起火的主要原因之一。 E.机械变形和冲击：机械变形或电池细胞穿孔可能在电池运输和移动过程中发生。这也可能由故障电池或运输过程中碰撞导致的电池碰撞引起。 最近电动汽车电池起火的其他一些原因如下： l质量问题：为了降低电动汽车的总成本，一些制造商正在为电池组进口低质量的电池。 l设计关注：设计问题：电池包设计不佳以及电池和热管理系统（TMS）在电池包中缺乏适用性，尤其是在印度市场占据主导地位的电动两轮车（e-2Ws）和三轮车（e-3Ws）方面。 l电动汽车市场。缺乏知识和技能：大多数消费者和服务提供商缺乏专业知识来维护和维修电动汽车部 件，包括关键部件，如电池和电池管理系统。 l极端运行条件：由于印度不同气候区域和道路条件导致的环境温度变化，也可能引发火灾事件。 低质量的电池、低效的电池管理系统（BMS）以及对过充的不足保护已成为近期火灾事件的主要原因。理解当前市场可用电池技术的安全准备情况并设计解决方案以减少火灾风险至关重要。了解此类事件的根本原因有助于制造商实施预防措施以降低风险。在这次网络研讨会中，我们根据文献和各种来源的资料与案例研究中可获得的数据，审视了这些事件，以提高印度电动汽车的安全准备水平。 3.电动汽车电池火灾市场分析及案例研究 印度拥有多个气候区，平均气温范围从-2°C到47°C不等。鉴于此，进行性能分析以根据不同的气候条件确定适合的电动汽车（EV）操作的锂离子电池（LIB）化学成分至关重要。 目前，电动两轮车（e-2Ws）和电动三轮车（e-3Ws）在印度的电动汽车市场中占据了超过90%的份额（见图2）（Contractor,2022）。火灾事件在电动汽车，特别是e-2W和e-3W类别中变得频繁发生，这在潜在消费者中引发了焦虑。 最近，在海得拉巴的一个公交车停车场充电的电动公交车发生了一起火灾事件（德干先驱报，2022年） 。据报道，该电动公交车在完成一次行程后插电充电超过一小时后起火。火灾被归因于短路（印度时报 ，2022年）。至关重要的是寻找可以减少对人类生命影响并防止这些事件发生的解决方案。 17% 11% 2% 4% 消费者（%)。oN 消费者对电动汽车购买的担忧图2| 想买但不相信 安全和性能 8月21日3月22日 想买但不相信 基础架构可用性 来源：ETAuto2022。“消费者对电动踏板车安全性的担忧在过去6个月中增长了8X。”2022年4月1日。 以下从知识展示中得出的洞察表明，为了减少电动车电池火灾事件的发生并构建更安全的电动车生态系统，需要进行深入调查： l全球火灾事故中记录到的自燃（约33%）和过充（约26%）的电动汽车条件比例较高（见图3），这引发了对电池单元质量、电池包设计以及用于电池安全的BMS的担忧。 l召回电动汽车（EV）可能会阻碍其采用，最终导致原始设备制造商（OEMs）的资本损失。因此，需要在研发和测试生态系统中取得进展，以帮助解决电池相关问题。例如，材料层面的创新可以帮助提高锂离子电池（LIBs）的安全性和性能。如图4所示，锂镍锰钴氧化物（NMC532）变体提供了最佳的热稳定性和性能平衡。 电动汽车火灾事故统计图3| 停放 33% 水浸 4% 驾驶 17% 充电 26% 碰撞 20% 来源：IDTechEx，2021 NMC变体热稳定性改善的结构创新和化学成分变化图4| O2释放！！ NMC433NMC532NMC622NMC811 600 c)0温度( 550 500 450 压力(arb.unit) 400 350 300 250 NMC622 200 NMC811 150 NMC433 NMC532 100 50 100200300400500600 温度(0c) 分层 分层→LiMn2O型尖晶石 LiMn2O4-型尖晶石→3OM4-型尖晶石M3O4-型尖晶石→岩盐 岩盐 注：镍锰钴后面的数字代表电池化学成分中每种元素的比例含量（arb.=任意；NMC=镍锰钴）。资料来源：Bak等人，2014年。 3.网络研讨会成果 网络研讨会探讨了以下主题： l解决电动汽车消防安全风险所需的安全标准和法规。 l高质量BMS和电池数据监控的重要性。 l印度小型电池组(e-2Ws和e-3Ws)电动汽车的安全准备。 l电子公交车站和公共电动汽车充电基础设施的安全准备。 l创新和研发在解决安全问题方面的作用。 合适的电池化学和 稳健设计 安全标准和法规 研究和Development 强大的测试和Certifications EV电池技术 升级 循环经济 用于EV电池 由WRI印度编译 电动汽车电池技术的关键行动要点图5| 关键经验教训和行动切入点 1.电池化学和设计适合印度条件 电动两轮车和三轮车在印度电动车市场占据主导地位，这些车辆需要小型电池包进行能量存储。由于这些电池包不在当地生产，通常会从其他国家进口或在印度组装，使用来自其他国家的进口电池。因此，原始设备制造商（OEM）必须熟悉电池化学细节，并对这些进口产品有全面的了解。随着电动汽车需求的增加 ，以及印度市场的价格敏感性，导致了廉价、低质量电池包的进口数量上升。尤其是对于电动两轮车（e-2W）段，这种进口电池的使用可能会带来严重的运营挑战。设计不佳的电池包和极端的温度条件可能导致安全问题。磷酸铁锂（LFP）电池是一种适用于成本效益高的应用的可行选择。此外，LFP化学在特定的电动车细分市场中适用，因为这些市场对空间的需求不大，尽管其能量密度较低。 动作入口点: 电池原始设备制造商（OEM）应在项目初期确定合适的电池化学成分，同时考虑用户需求和目标国家的热带气候。他们还应确定合适的设计架构（包括为所需容量和绝缘创建认证测试程序的电池组件排列）。这些措施将确保电池设计能够承受印度普遍存在的极端气候和道路条件。 2.电动汽车电池的稳健测试和认证 为了建立消费者信心，必须分析并解决热失控问题——这是近期事件的主要原因。电池和电池组的测试与认证对于确保电动汽车安全至关重要。在初期阶段，原始设备制造商（OEM）应进行彻底分析，以了解电池和电池组的特性。所有进口产品都应进行随机样本测试。此外，严格的测试与认证方法可以防止不合格材料进入市场。 动作入口点: 政府机构必须建立严格的细胞/电池测试程序，以确保其质量和稳定性。模拟方法可以帮助澄清热环境下的电化学行为，而热图则有助于解决复杂的冷却挑战。 3.严格的安全标准和法规 电池制造商必须从单体到模块级别满足所有法定标准，并且在电池级别的测试应包含非正常条件。非正常测试下的危险类别应包括电气、热力和机械环境。此外，电力公司在电动汽车充电业务中扮演着至关重要的角色。尽管根据标准IS17017的要求，在商场、住宅、政府设施和路边安装充电器时必须进行认证，但在购物中心、家庭和政府场所安装充电器时完全遵守指南仍然是一个值得关注的问题。 中央电力局（CEA）为确保安全供电所引入的措施（包括安装和启动公共及半公共充电站的程序），必须严格遵守。在获得电力公司或DISCOM提供的计量连接之前，充电点运营商必须满足所有安全要求。在印度制定自己的标准之前，印度运营商应采纳全球标准（例如UL（美国保险商实验室）和IEC（国际电工委员会）标准）。 动作入口点: 印度电力部已提供了电动汽车充电基础设施所需的指导方针和标准，所有相关方必须严格遵守。此外，印度标准局（BIS）最近制定了印度标准：IS17855:2022（PressInformationBureauDelhi,2022），该标准涵盖了在印度测试电池包安全性和性能的方法。BIS还在制定两个额外的标