電動(dòng)汽車鋰離子電池燃燒風(fēng)險(xiǎn)與控制

王雄 鮑建勇 王新

（神龍汽車有限公司技術(shù)質(zhì)量部，武漢市 430056）

主題詞： 電動(dòng)汽車 鋰離子電池 燃燒 風(fēng)險(xiǎn)

1 前言

目前在國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)上電動(dòng)汽車發(fā)展迅猛，它所采用的動(dòng)力電池絕大部分是鋰離子電池，鋰電池技術(shù)發(fā)展迅速，性價(jià)比快速提升。但隨著電動(dòng)汽車在社會(huì)上大批量投入使用，也遇到了一些問題，比如少量的電動(dòng)汽車因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)了鋰電池起火，進(jìn)而導(dǎo)致整車燃燒問題，或鋰電池破裂導(dǎo)致有毒的電解液泄漏到空氣中的問題。鋰離子動(dòng)力電池的起火燃燒風(fēng)險(xiǎn)，來自于電池的化學(xué)能在高溫下瞬間釋放（高壓電擊不在本文討論的范圍），表現(xiàn)為：電池的熱失控和熱擴(kuò)散引起整車燃燒或爆炸、或者電解液泄漏有毒氣體。本文系統(tǒng)的介紹了這個(gè)問題的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，并提出對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

2 電動(dòng)汽車燃燒事故的現(xiàn)狀與法規(guī)要求

國(guó)家新能源汽車監(jiān)管平臺(tái)近年來一直在監(jiān)控新能源汽車安全事故，新能源汽車國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟在2019年08月發(fā)布的《新能源汽車國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報(bào)告》顯示[1]：2019年5月起3個(gè)月之內(nèi)共發(fā)現(xiàn)79起安全事故，涉及96臺(tái)車，情況很嚴(yán)重。已查明著火原因主要是電池自燃、車輛碰撞、車輛浸水、車輛不合理使用問題，它們導(dǎo)致了鋰離子熱失控。事故車輛中磷酸鐵鋰電池占比7%左右、三元鋰離電池占比86%左右，剩余車輛電池不明。

與電動(dòng)汽車的總體銷售數(shù)量對(duì)比來看，車輛燃燒和電解液泄漏的比例并不大，但是引起了廣大用戶的嚴(yán)重?fù)?dān)心，也影響了車輛銷售。

目前涉及動(dòng)力電池安全的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 31484—2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31485—2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》和GB/T 31467.3—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分:安全性要求與測(cè)試方法》。其中GB/T 31485—2015[2]對(duì)于電池包的過充電、過放電、外部短路、跌落、外部加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、溫度循環(huán)、低氣壓10個(gè)方面做出了嚴(yán)格要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBXXXX《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》已經(jīng)進(jìn)入報(bào)批階段[3]，它將作為強(qiáng)制性法規(guī)正式發(fā)布，預(yù)計(jì)在2020年代替上述標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31485—2015和GB/T 31467.3—2015，對(duì)于電池包的安全要求加嚴(yán)了,表1列出了涉及電池安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 電動(dòng)汽車中涉及電池安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前我國(guó)涉及動(dòng)力電池安全的整車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)有5項(xiàng)，見表 1，其中 GB/T 31498[4]、以及 GB/T 18384.3[5]是核心的內(nèi)容。新標(biāo)準(zhǔn)GB XXXX《電動(dòng)汽車安全要求》，將代替GB/T 18384《電動(dòng)汽車安全要求》，也準(zhǔn)備作為強(qiáng)制性法規(guī)發(fā)布執(zhí)行。

在地方標(biāo)準(zhǔn)中，上海地標(biāo)DB 31/T634—2012《電動(dòng)乘用車運(yùn)行安全和維護(hù)保障技術(shù)規(guī)范》[6]在涉水深度以及試驗(yàn)工況都要嚴(yán)于國(guó)標(biāo)要求，目前也正在修訂過程中。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，IEC 62133-2:2017《含堿性或其它非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組便攜式密封蓄電池和蓄電池組的安全性要求》[7]、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62660-3:2016《電動(dòng)道路車輛用二次鋰離子電池第3部分:安全要求》[8]，它們適用于鋰離子電池的安全要求。ISO 26262：2018《道路車輛功能安全》[9]、ISO 6469:2018《電動(dòng)道路車輛安全規(guī)范》[10]，均涉及電動(dòng)汽車的整車安全性。

3 鋰離子電池的初步分析

鋰離子液態(tài)電池目前占據(jù)了動(dòng)力電池市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，主流鋰離子液態(tài)電池結(jié)構(gòu)的主要組成材料如表2。

表2 主流鋰離子動(dòng)力電池材料

圖1是鋰電池的內(nèi)部示意圖。

圖1 鋰電池內(nèi)部示意

按照正極材料劃分，市場(chǎng)上常見的鋰電池基本分為4類，其中磷酸鐵鋰電池的熱穩(wěn)定性最好，錳酸鋰電池次優(yōu)，三元鋰LiNiCoMnO2電池略差，而鈷酸鋰電池最差，電池性能比較見表3。磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命長(zhǎng)、毒副作用小、成本低廉、充放電倍率大、高溫穩(wěn)定性好，但一致性不好，能量密度低，在電動(dòng)大巴車上使用較多。錳酸鋰電池成本低，毒害性較低，但熱穩(wěn)定性差，循環(huán)壽命短，應(yīng)用較少。三元鋰（LiMn2O4）電池能量密度高，但大功率充放電后溫度升高，高溫時(shí)釋放氧氣，熱穩(wěn)定性較差，壽命較短，多用于空間有限的電動(dòng)乘用車上。鈷酸鋰電池?zé)岱€(wěn)定性最差，它的正極在高溫時(shí)容易分解，加速熱失控，但能量密度高，續(xù)航更出色，特斯拉汽車采用了這種電池。主流鋰離子電池性能對(duì)比見表3。

表3 主流鋰離子電池性能比較

Peter J.Bugryni對(duì)磷酸鐵鋰電池和鈷酸鋰電池進(jìn)行了比較[11]，兩種電池在烤箱中分別加熱到180℃和220℃，結(jié)果顯示磷酸鐵鋰電池的熱穩(wěn)定性明顯比三元鋰電池更穩(wěn)定、更安全。

在目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車市場(chǎng)上，磷酸鐵鋰電池由于體積問題，主要用于大型和中型客車，能量密度高達(dá)180 W·h/kg，相對(duì)三元鋰電池安全一點(diǎn)。小型乘用電動(dòng)汽車鋰離子電池能量密度較高，主要裝配液態(tài)三元鋰電池，能量密度高達(dá)270 W·h/kg，但它的熱穩(wěn)定性較差，電解液在200℃以上的容易燃燒，它的鎳、鈷、鋰配比從3:3:3、5:2:3到8:1:1的不斷變化，雖然能量密度一步步的提高,但它的熱穩(wěn)定性卻在降低。

從理論上看，全固態(tài)鋰離子電池沒有液態(tài)電解液，也就沒有液態(tài)電解液分解燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)顯示[12]：在同等條件下，全固態(tài)電池產(chǎn)熱量只有鋰離子電池的25～30%，安全性顯著提高，但放熱量依然存在，還無法做到絕對(duì)安全。目前液態(tài)鋰離子電池是主流，未來主流則是全固態(tài)鋰離子電池。

4 鋰電池本體的燃燒機(jī)理及解決措施

4.1 熱失控及熱擴(kuò)散導(dǎo)致燃燒

鋰離子電池發(fā)生的起火燃燒事故，主要是電動(dòng)汽車不合理的使用，造成電池化學(xué)能量瞬間轉(zhuǎn)換成熱能，造成電池內(nèi)部熱失控和熱失控?cái)U(kuò)散，使電解液的有機(jī)溶劑在大量熱的作用下分解并蒸發(fā)，可形成易燃性混合物，遇火源引起整車燃燒爆炸。

4.1.1 熱失控

熱失控(Thermal runaway)是指由于鋰離子液態(tài)電池在外部高溫、內(nèi)部短路，電池包進(jìn)水或者電池在大電流充放電各種外部和內(nèi)部誘因的作用下，導(dǎo)致電池內(nèi)部的正、負(fù)極自身發(fā)熱，或者直接短路，觸發(fā)“熱引發(fā)”，熱量無法擴(kuò)散，溫度逐步上升，電池中負(fù)極表面的SEI(Solid Electrolyte Interface)膜、電解液、正負(fù)極等在高溫下發(fā)生一系列熱失控反應(yīng)(熱分解)。直到某一溫度點(diǎn)，溫度和內(nèi)部壓力急劇增加，電池的能量在瞬間轉(zhuǎn)換成熱能，形成單個(gè)電池燃燒或爆炸。

引起單個(gè)電池?zé)崾Э氐囊驍?shù)很多、很復(fù)雜，但電流過大或溫度過高導(dǎo)致的熱失控占多數(shù)，下面重點(diǎn)介紹這種熱失控的機(jī)理。

以鋰離子電池為例，溫度達(dá)到90℃時(shí)，負(fù)極表面SEI膜開始分解。溫度再次升高后，正負(fù)極之間的隔膜（PP或PE）遇高溫收縮分解，正、負(fù)極直接接觸，短路引起大量的熱量和火花，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高。

熱失控時(shí)，230℃～250℃的高溫導(dǎo)致電解液幾乎完全蒸發(fā)、分解了。它含有大量易燃、易爆的有機(jī)溶劑，逐步受到熱失控的影響，最終分解發(fā)生燃燒，是熱失控的重要原因。電解液在燃燒同時(shí)，產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體，也是重大的安全隱患。電解液如果泄漏，在外部空氣中形成比重較大的蒸汽，容易在較低位置大范圍擴(kuò)散，這種擴(kuò)散范圍極易遇火源引起安全事故。

在正常的充、放電過程中，正極脫出微量的游離氧與碳負(fù)極反應(yīng)也會(huì)生成少量的易燃?xì)怏wCO，在正常溫度時(shí)它們不會(huì)助燃。正極氧化物由于短路造成的高溫下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生游離狀態(tài)氧。這一些游離氧和CO在高溫下會(huì)與電解液蒸汽一起發(fā)生燃燒，形成惡性循環(huán)。

清華大學(xué)對(duì)此進(jìn)行了專項(xiàng)研究，圖2是他們的研究成果[13]，它指明了熱失控各階段材料的變化情況。

清華大學(xué)的研究顯示：正極中含鎳越多則熱穩(wěn)定性越差，碳素材料的負(fù)極在壽命的前期較穩(wěn)定，但是壽命衰減后變差。這從側(cè)面說明三元鋰電池的高鎳比例，雖然容量更大，但會(huì)導(dǎo)致更大的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 熱失控隨溫度的變化過程[13]

4.1.2 熱失控?cái)U(kuò)散

熱失控?cái)U(kuò)散指的是在電池包內(nèi)部，個(gè)別電池?zé)崾Э睾?，熱量通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流、輻射的方式迅速向周圍電池?cái)U(kuò)散，此時(shí)散熱裝置無法排除熱量，熱失控?cái)U(kuò)展到周圍電池，引起連鎖反應(yīng)，電池表面溫度達(dá)到650～1 000℃，使電池包進(jìn)一步燃燒。此時(shí)電池包卸壓閥門打開，火焰和濃煙擴(kuò)展到電池包外部，此時(shí)在車外可能看到濃煙，進(jìn)一步引燃車輛上電池周圍的可燃物，最終導(dǎo)致整車起火燃燒的現(xiàn)象。

從上述分析可以看出，電池內(nèi)部就具備燃燒3要素，即可燃物、氧氣和火源。發(fā)生燃燒時(shí)，通?？刹捎脟娝疁缁穑部梢圆捎酶煞蹨缁鹌?、二氧化碳滅火器滅火，砂土也是安全的滅火工具，最實(shí)用的滅火劑還是大量的水，它可以快速給電池包降溫。

為了延緩整車燃燒的速度，給乘員足夠的逃生時(shí)間，強(qiáng)制性法規(guī)GB 8410—2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》[14]對(duì)于座艙內(nèi)飾材料的阻燃特性有嚴(yán)格的要求，所有汽車廠商必須嚴(yán)格執(zhí)行。

4.2 電解液泄漏有毒氣體

車輛使用過程中，因各種原因，電池包可能發(fā)生電解液泄漏，泄漏前期不一定有熱失控發(fā)生，不易覺察。電解液容易揮發(fā)，還有腐蝕性，與空氣混合后生成有毒、刺激性氣體，對(duì)空氣和水造成嚴(yán)重污染，對(duì)人體器官會(huì)造成傷害，長(zhǎng)期接觸易引起頭痛、頭暈、身體虛弱、惡心等。

鋰離子電池電解液蒸汽對(duì)眼、皮膚、消化道和呼吸道有明顯的刺激性影響。皮膚接觸電解液后，它會(huì)灼傷皮膚，要立即用大量清水沖洗皮膚。如果口腔和鼻子吸入的電解液，應(yīng)迅速來到空氣新鮮的地方，呼吸新鮮空氣，必要時(shí)進(jìn)行人工呼吸，嚴(yán)重時(shí)送醫(yī)院。如果不小心有電解液濺入眼睛內(nèi)，馬上用大量清水沖洗眼睛，稀釋電解液，減輕對(duì)眼睛的傷害，嚴(yán)重者應(yīng)該在沖洗后立即就醫(yī)[15]。

表4是一些常見有害氣體的傷害限值[16]。

表4 常見有害氣體的傷害限值

4.3 消除電池燃燒風(fēng)險(xiǎn)的措施

鋰離子電池本體安全性提升的主體責(zé)任在于電池廠商，但是涉及電池以外部分的責(zé)任在于整車廠商，涉及電池廠商、整車廠商的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，包括以下幾個(gè)方面：

內(nèi)部和外部的機(jī)械設(shè)計(jì)：電池內(nèi)部固定單體電池的支架的強(qiáng)度和剛度，內(nèi)部定向泄壓、電池與殼體內(nèi)表面最小間隙，殼體密封性，整車上固定電池包的牢固性，整車碰撞變形時(shí)的安全距離。

優(yōu)化動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(BMS）安全策略：充放電策略，過充電保護(hù)，過放電保護(hù)，過電流保護(hù)，溫度和濕度監(jiān)控，高溫和低溫極限保護(hù)、內(nèi)部壓力監(jiān)控、發(fā)生機(jī)械碰撞時(shí)斷電保護(hù)等。

內(nèi)部電氣設(shè)計(jì)安全：電池組、BMS硬件、液冷管路的布局，電線連接的可靠性，絕緣等級(jí)，等電位設(shè)計(jì)，最小電氣間隙。

外部電氣設(shè)計(jì)安全：電氣零件的高IP密封防護(hù)等級(jí)，高低壓自鎖與互鎖，高低壓系統(tǒng)隔離，電磁兼容(EMC)和電磁輻射(EMR)，整車絕緣電阻監(jiān)控與報(bào)警，手動(dòng)維修開關(guān)，安全警示標(biāo)簽，外部主動(dòng)滅火裝置。

電池廠、整車廠和售后維修部門的工藝安全：電池包裝運(yùn)輸，進(jìn)貨檢驗(yàn)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書，中間過程檢查，返修監(jiān)控，出廠檢驗(yàn)。

目前，鋰電池廠商商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在設(shè)法從鋰電池內(nèi)部找出消除上述各種風(fēng)險(xiǎn)的措施，研發(fā)高穩(wěn)定的電池材料，從根本上防止熱失控發(fā)生。這些研究?jī)?nèi)容包括電解液改進(jìn)、正極材料改進(jìn)、隔膜改進(jìn)、表面包覆、泄壓閥及熱敏電阻（PTC）和加工工藝改進(jìn)。

按照電池包的軟件和硬件，分為以下3個(gè)方面闡述改進(jìn)措施。

4.3.1 電池內(nèi)材料和工藝環(huán)節(jié)

（1）正極和負(fù)極材料的改性主要包括極片表面包覆和材料配方改進(jìn)兩大方面。

（2）對(duì)電極形狀的改進(jìn)。

電極形狀改進(jìn)的重要技術(shù)措施是疊片工藝，這一工藝技術(shù)對(duì)降低熱失控具有一定的作用。目前電池正極以整體卷繞工藝為主，電極極片在卷繞拐角處有內(nèi)應(yīng)力，在使用一段時(shí)間之后內(nèi)應(yīng)力會(huì)誘導(dǎo)極片產(chǎn)生破裂，容易誘發(fā)熱失控。而疊片工藝由于生產(chǎn)工藝效率低下，遠(yuǎn)不及卷繞工藝應(yīng)用廣泛，但極片一片片的疊加，它沒有拐角處應(yīng)力問題，熱失控的誘因降低了。

（3）對(duì)高安全性電解液的改進(jìn)，包括新型鋰鹽的研發(fā)、溶劑改性以及添加電解液添加劑。

（4）研制高強(qiáng)度的無機(jī)隔膜或智能隔膜，以替代目前的有機(jī)隔膜材料。

智能隔膜技術(shù)對(duì)于控制鋰電池內(nèi)部溫度具有一定的意義。采用美國(guó)Celgard公司的3層智能復(fù)合膜，在溫度120℃時(shí)，上、下層PE膜里面的微孔閉合，減緩鋰離子通過，電流減少溫度就會(huì)下降。溫度135℃時(shí)，中間層PP膜里面的微孔閉合，鋰離子不能通過隔膜，沒有電流通過，隔膜溫度就會(huì)下降。

（5）熱失控初期電池內(nèi)氣體壓力增大，達(dá)到某個(gè)限值時(shí)將氣體排放出去，防止燃燒。

電池蓋安全技術(shù)狀態(tài)對(duì)于防止燃燒是關(guān)鍵。在電池蓋的表面增加刻痕，當(dāng)內(nèi)部熱失控氣體壓力達(dá)到一定程度時(shí)，氣體在刻痕處沖破電池蓋，從此處排放出去。

（6）保證各個(gè)電池一致性，對(duì)電池進(jìn)行分組，便于BMS管理。

市場(chǎng)新出現(xiàn)的電池包CTP(Cell To Pack)技術(shù)，它取消了電池組框架，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，但是對(duì)于電池的一致性要求更高。

另外，電池生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的雜質(zhì)也會(huì)進(jìn)入電池內(nèi)部，引起短路，隨時(shí)可能誘發(fā)熱失控，為此必須做好生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的清潔工作。

4.3.2 電池包結(jié)構(gòu)與安全設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)生熱失控及擴(kuò)展時(shí)，盡量降低事故的嚴(yán)重性，除BMS安全管理以外，還有電池包安全結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及主動(dòng)安全技術(shù)。

結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)包含電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱傳播阻斷設(shè)計(jì)（阻燃復(fù)合材料的使用），排放閥的排泄通道設(shè)計(jì)（目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要是EPV（Explosion Proof Valve）防爆閥，不能完全隔離水汽進(jìn)入電池包）、PTC及熔斷器設(shè)計(jì)等。

電池包內(nèi)部布置時(shí)，必須進(jìn)行電氣布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少插接件的數(shù)量和不合理的線束走向，讓整體的布局更加緊湊。電氣設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)最小電氣間隙及爬電距離進(jìn)行優(yōu)化，采用分布式電池外短路保護(hù)設(shè)計(jì)，多維模組熱擴(kuò)展結(jié)構(gòu)防護(hù)透氣防爆裝置。

常用的熱傳播阻斷技術(shù)有模組間的隔熱設(shè)計(jì)，在模組之間增加隔熱零件，目前特斯拉汽車采用電池組之間增加云母片進(jìn)行隔火。

增加電路熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)。為防止主回路過載發(fā)熱和短路危險(xiǎn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了在主回路中安置主熔斷器、主繼電器、模組過流保護(hù)、電池過流保護(hù)和過流分級(jí)防護(hù)技術(shù)。為防止因電池包浸水和采集回路（對(duì)每一個(gè)單體電池或電池組的電壓進(jìn)行檢測(cè)的低壓電路）導(dǎo)線及連接器失效，造成的短路對(duì)電壓采集回路有傷害，在電壓采集線電源端設(shè)置采集線路過流防護(hù)熔斷器，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有電壓采集回路進(jìn)行保護(hù)[17]。

目前電池廠商多數(shù)通過監(jiān)控電壓來判定電池?zé)崾Э?，有的廠商也通過溫度來判斷。但目前多數(shù)廠商趨向于在電池包內(nèi)安裝專用的壓力傳感器模塊，單個(gè)或多個(gè)電池向外熱失控時(shí)向外排放氣體后，電池包內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)BMS系統(tǒng)綜合判定后開始報(bào)警。壓力傳感器模塊可以在停車后一段時(shí)間內(nèi)處于待機(jī)狀態(tài)，繼續(xù)檢測(cè)壓力，如果壓力超標(biāo)就會(huì)通知BMS系統(tǒng)啟動(dòng)，開始監(jiān)測(cè)工作。

采用主動(dòng)安全技術(shù)的防爆設(shè)計(jì)。若電池發(fā)生機(jī)械碰撞及過充電的濫用情況（后面對(duì)7大類濫用原因有詳細(xì)介紹），電池內(nèi)部發(fā)生熱失控時(shí)，大量高壓氣體封閉在電池內(nèi)部，電池布局時(shí)設(shè)法讓電池向指定的安全方向排放氣體，杜絕了危險(xiǎn)的進(jìn)一步擴(kuò)大。

采用主動(dòng)安全技術(shù)的主動(dòng)滅火裝置?；馂?zāi)探測(cè)裝置決定滅火裝置能否適時(shí)啟動(dòng)、及時(shí)滅火、主動(dòng)噴射惰性氣體或制冷劑來冷卻電池，目前主要在大型客車及公交車上推廣，在小型電動(dòng)乘用車上還沒有應(yīng)用。

4.3.3 BMS熱管理控制環(huán)節(jié)

熱管理控制技術(shù)，可以防止預(yù)防熱失控的發(fā)生，在熱失控初期減緩它，抑制熱失控?cái)U(kuò)展。

熱管理控制技術(shù)屬于BMS功能的一部分，它可以通過對(duì)每一單體電池組實(shí)施監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)單體電池溫度過高，則實(shí)時(shí)反饋，并及時(shí)切斷該電池的外部電路、啟動(dòng)電池組冷卻系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)。熱管理技術(shù)可以盡量使各電池組在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，防止熱失控發(fā)生和擴(kuò)展、及時(shí)發(fā)出電壓和溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警等。

BMS在充電過程中，根據(jù)每臺(tái)車輛上電池狀態(tài)的變化情況自動(dòng)給出最佳的充電方案，并將信息反饋給充電樁，實(shí)施最佳的充電方案。雖然在電池廠商在組裝時(shí)，會(huì)對(duì)電池按照差異最小化的原則進(jìn)行電池分組，但隨著車輛使用時(shí)間增長(zhǎng)個(gè)體電池的性能會(huì)逐漸出現(xiàn)差異，BMS的充電策略對(duì)于實(shí)施個(gè)體電池精確的控制越來越困難，可能會(huì)造成電池過充。

在采用快充電方案時(shí)，BMS系統(tǒng)可以根據(jù)電量、溫度信息，靈活調(diào)節(jié)充電速度，總體原則上先快后慢。在圖3[13]中，方案3最安全，但是它的控制要求高，方案1最簡(jiǎn)單，但是熱失控風(fēng)險(xiǎn)最大，方案2介入兩者之間。

圖3 鋰電池充電策略[13]

從BMS角度來看，熱失控發(fā)生之后，它無法消除這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，但要求它至少能提前5 min發(fā)出警報(bào)，給乘客的逃生贏得時(shí)間。優(yōu)良的BMS在熱失控的前面階段把內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別出來，至少提前15 min報(bào)警，給乘員發(fā)出報(bào)警并全車自動(dòng)斷電，讓乘員安全離開。

5 整車上電池燃燒的7類誘因分析

鋰離子電池的電動(dòng)汽車起火原因非常復(fù)雜，只能根據(jù)市場(chǎng)上已經(jīng)起火的車輛進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)觸發(fā)熱失控的誘因分為以下7大類，這些誘因直接或間接觸發(fā)了毒氣外泄或電池的熱失控和熱擴(kuò)散，最終導(dǎo)致整車火災(zāi)。

5.1 鋰離子電池的電流異常

鋰離子電池的電流異常使用包括過充電、過放電、大電流使用、外部電路短路、低溫環(huán)境充電和高溫環(huán)境用電，它們使電池正負(fù)極、電解液異常發(fā)熱導(dǎo)致“熱引發(fā)”，進(jìn)一步發(fā)生熱失控反應(yīng)。

車輛頻繁急加速急減速：在大電流充放電時(shí)由于內(nèi)電阻的存在，或者外部電路短路，都將引起正負(fù)極迅速發(fā)熱，這些熱量就發(fā)生電池燃燒的誘因。為此車輛在使用過程中要避免頻繁急加速或急減速，它會(huì)導(dǎo)致電池輸出或輸入大電流。

過充電：電池充滿之后，在負(fù)極端的鋰原子會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。繼續(xù)充電時(shí)導(dǎo)致正極材料損失太多鋰原子，層狀晶格結(jié)構(gòu)的突然各向異性收縮高達(dá)5%（即“晶格坍塌”），電池容量永久性降低。負(fù)極上鑲嵌滿鋰離子之后，過充電時(shí)多余鋰離子在表面繼續(xù)沉積，形成樹枝狀結(jié)晶，即鋰枝晶。繼續(xù)充電，鋰枝晶最后會(huì)擊穿隔膜，發(fā)生短路，見圖4中黃色部分。GB/T 31485—2015對(duì)過充電有明確的要求，即充電至額定電壓的1.5倍，或電池充滿電后繼續(xù)充電1 h，要求電池1 h內(nèi)不爆炸、不起火。

圖4 鋰枝晶示意

過放電：過放電時(shí),過多的鋰離子從負(fù)極通過電解液和隔膜轉(zhuǎn)移到正極，負(fù)極石墨電極的層狀結(jié)構(gòu)失去了支撐坍塌，再充電時(shí)不能再鑲嵌進(jìn)鋰離子，造成電池容量永久性下降。放電時(shí)負(fù)極表面形成銅結(jié)晶，過放電時(shí)石墨表面覆蓋銅枝晶，它也可以刺穿隔膜。由于各電池的容量有差異，電池組中容量較小的電池在過放電的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)正負(fù)極顛倒,觸發(fā)熱失控。

5.2 鋰離子電池內(nèi)部故障

鋰離子電池內(nèi)部故障：生產(chǎn)制造過程中電解液分布不均勻、電極上毛刺、材料中金屬雜質(zhì)、隔膜破損或表面粉塵物理因素，都可能會(huì)引起電池內(nèi)部短路，它們大部分可以在初期檢驗(yàn)中可以檢查出來，但一些隱形的缺陷會(huì)在后期車輛使用過程中慢慢表現(xiàn)出來。

5.3 整車電氣故障

整車上與電池相連的高壓電路中，各種線束和電器元件、插頭部件失效，都可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。車輛使用過程中，插接件的端子因?yàn)榻?、松?dòng)、老化等原因造成接觸不良，或者由于車輛上其它電器的故障，導(dǎo)致電池包外部電路短路，如果熔斷機(jī)制未發(fā)揮作用，大電流急劇放電會(huì)誘發(fā)電池包的熱失控。

車主私自進(jìn)行改裝電路，使整車用電負(fù)荷增加，改裝的電線搭接處容易接觸不良也容易誘發(fā)電路短路、發(fā)熱，如果導(dǎo)致高壓電路異常，容易引發(fā)電池包的熱失控。

5.4 機(jī)械傷害

電動(dòng)汽車在行駛中可能與其它車輛發(fā)生碰撞，如果放置鋰離子電池的區(qū)域發(fā)生變形，電池包殼體可能變破裂，引起包內(nèi)電池也相互擠壓變形，甚至破裂，就會(huì)引起熱失控。在車輛的行駛中，除車輛撞擊外，還有底盤刮擦、電池包固定件松脫等意外情況，引起電池包的跌落、擠壓，或者出現(xiàn)裂紋，殼體產(chǎn)生形變，導(dǎo)致單體電池?cái)D壓破裂，出現(xiàn)漏液或內(nèi)部短路，最終誘發(fā)熱失控。

5.5 外部水入侵

由于我國(guó)車輛使用環(huán)境很復(fù)雜，電動(dòng)汽車在使用過程中有可能遇到暴雨導(dǎo)致車輛泡水，或者通過深水坑，這種水有弱酸性且有大量雜質(zhì)，如果進(jìn)入電氣接插件內(nèi)，它的插接端子間可能短路或發(fā)生腐蝕，引起整個(gè)電路異常發(fā)熱，或者燃燒。

合肥工業(yè)大學(xué)研究了對(duì)單個(gè)電池用海水浸泡，導(dǎo)致熱失控的試驗(yàn)[18]。他們采用NaCl鹽水作為替代海水，單個(gè)電池長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，安全閥會(huì)被鹽水損壞，鹽水進(jìn)入電池內(nèi)部出現(xiàn)短路，最后燃燒爆炸。

電池包的密封等級(jí)一般為IP67，理論上可浸泡半小時(shí)以上的時(shí)間。日常生活中車輛在道路上涉水，或車輛短時(shí)間浸水等情況下，一般不會(huì)超過30 min，沒有問題。如果車輛長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，或者電池包的密封性不合格，水也會(huì)通過接縫或者插頭進(jìn)入電池包內(nèi)部。車輛長(zhǎng)時(shí)間使用之后，電池包的密封材料就慢慢老化，也容易進(jìn)水。

5.6 氣溫

鋰電池在充放電時(shí)性能與環(huán)境溫度關(guān)系密切，溫度會(huì)影響電池內(nèi)阻，以及電解液中鋰離子的遷移速度，溫度上升則遷移速度加快，充放電速率增加。如果溫度下降則充放電的速度下降，同時(shí)電池容量也會(huì)下降。

低溫環(huán)境充電：低溫時(shí)電池容量會(huì)降低，大電流充電時(shí)材料會(huì)加速老化，而且會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶，容易熱失控。

高溫環(huán)境用電：鋰電池的工作溫度范圍一般在-20℃至60℃之間。當(dāng)環(huán)境溫度超過60℃時(shí)，高溫疊加電池工作熱量，可能誘發(fā)熱失控。

電控液冷保溫：相對(duì)于風(fēng)冷卻的電池包，電控液冷系統(tǒng)通常與座艙空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合在一起形成復(fù)雜的溫控系統(tǒng)，冷卻液進(jìn)入電池包內(nèi)部，并用電控技術(shù)控制冷卻液的溫度和流動(dòng)。在極端環(huán)境溫度下，它可以使電池保持在最佳工作溫度區(qū)間，即10℃～35℃之間，發(fā)揮最佳的電池效能，并獲得最長(zhǎng)的壽命。

美國(guó)加州大學(xué)的模擬試驗(yàn)表明[19]，電池包液冷系統(tǒng)不能阻止單個(gè)電池的熱失控，但是可以延緩或阻止熱失控向周圍電池?cái)U(kuò)散。

5.7 外部火源

車輛使用過程中有可能發(fā)生各種意外，如煙蒂引燃整車、點(diǎn)煙器引燃整車、炎熱的夏季太陽曝曬前風(fēng)窗下方的香水和打火機(jī)等易燃物、充電時(shí)充電槍異常發(fā)熱、停車時(shí)排氣系統(tǒng)遇到車底的易燃物、相鄰車輛的燃燒等，引起車輛燃燒。

6 整車開發(fā)環(huán)節(jié)電池燃燒風(fēng)險(xiǎn)的控制

6.1 電池包的總布置

鋰離子電池包布置:鋰離子電池布置時(shí)，要滿足碰撞防護(hù)要求、電池包散熱要求、整車通過性要求、整車軸荷分配要求、外形與環(huán)境件兼容等。特別是整車碰撞過程中，車身結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)電池包的防護(hù)，避免碰撞過程中電池包發(fā)生變形、破裂。GB/T 19751—2005[20]《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》要求電池包盡量布置在座艙之外，有均勻的散熱和通風(fēng)，且鋰離子電池排除的有害氣體必須排除座艙之外，也不能在車輛上聚集。

乘用車在被動(dòng)安全方面滿足中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）和中國(guó)碰撞法規(guī)的要求，在電池包總布置時(shí)，需進(jìn)行正面、側(cè)面和后面碰撞情況下安全空間校核，對(duì)碰撞力傳遞途徑中關(guān)鍵零部件進(jìn)行傳力和變形分析，電池包要布置在變形區(qū)域之外。如果電池包布置在機(jī)艙位置，正面碰撞時(shí)很容易受到變形的傷害。一般鋰離子電池可布置在乘員艙底板下及乘員艙內(nèi)，小型乘用車的電池多數(shù)布置在座艙底板下方，或者車輛后部，相對(duì)車輛前部位置要安全許多，最優(yōu)方案為電池包在座艙底板下方。對(duì)于側(cè)面碰撞，車身的中立柱和地板邊縱梁需要足夠的剛性來抵抗變形，碰撞中邊縱梁變形一般不大于80 mm，要求電池包外殼與地板邊縱梁之間的距離＞85 mm，電池包才不會(huì)受影響[21]。

在總布置時(shí)針對(duì)高速碰撞工況,可以利用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)仿真計(jì)算,估算對(duì)應(yīng)的碰撞安全間隙,優(yōu)化電池包和高壓元件空間布置，從而避免后期不必要的返工。在碰撞完成后，實(shí)車上測(cè)量變形情況，將它與計(jì)算值進(jìn)行比較，修正計(jì)算模型。

最小離地間隙：為了防止行駛中的電池包底部刮擦，進(jìn)行1/5圖的總布置圖時(shí)候，要求電池包的最低點(diǎn)必須在“機(jī)械零件剛性限制面”之上，某車型總布置示例見圖5。一般情況下小型乘用汽車最小離地間隙大于110 mm。電池包可以采用高強(qiáng)度鋁合金托盤，如圖6[22]，或者下托盤采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣即使當(dāng)汽車行駛中與地面上大石頭等異物碰撞時(shí)，在擠壓碰撞工況下外層變形但里層不變形，保證里面電池的安全。

圖5 布置電池包時(shí)高度限制

圖6 電池包的鋁合金托盤[22]

對(duì)于小型乘用車，為了避免路面上大體積石頭等異物沖擊電池包，電池包最好在車輛的最低點(diǎn)之上，如果用戶無法避免撞擊，寧可讓石頭等異物沖擊車輛前部的副車架等最低點(diǎn)，也不能沖擊電池包總成。

為了避免車輛使用過程中的小石子擊打電池包，另外炎熱夏季停車后地面熱輻射也會(huì)導(dǎo)致電池包升溫，建議廠商在電池包下方增加塑料導(dǎo)流板。

6.2 電池包安全相關(guān)的整車試驗(yàn)

雖然電池廠商采取了各種安全控制措施，主機(jī)廠商也采取了各種安全方案，但是按照電動(dòng)汽車的各種使用風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，整車廠應(yīng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的整車驗(yàn)證，這是保障電池包安全必須進(jìn)行的驗(yàn)證。通過驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。為保證電動(dòng)汽車整車和電池包安全，整車廠在新產(chǎn)品開發(fā)結(jié)束前應(yīng)進(jìn)行14項(xiàng)驗(yàn)證項(xiàng)目，以批準(zhǔn)電動(dòng)汽車投入批量生產(chǎn)，其中包括驗(yàn)證考核整車的所有系統(tǒng)（前面8項(xiàng)）和針對(duì)電動(dòng)汽車的三電系統(tǒng)驗(yàn)證項(xiàng)目（后面4項(xiàng)），見表5。

6.2.1 整車碰撞試驗(yàn)

如果車輛在充電及行駛過程中出現(xiàn)碰撞、翻車等事故，碰撞過程中以及碰撞后都要保證相關(guān)人員的人身安全。由于電動(dòng)汽車既有傳統(tǒng)燃油車的一般碰撞安全問題，又有三電系統(tǒng)的高壓碰撞安全問題，它可能造成動(dòng)力系統(tǒng)的短路、漏電、燃燒、爆炸，由此對(duì)乘員造成電傷害、化學(xué)傷害、燃燒傷害等，除了傳統(tǒng)汽車的相關(guān)保護(hù)需求之外，電動(dòng)汽車還應(yīng)當(dāng)滿足高壓電系統(tǒng)安全。

防觸電安全：為了保證汽車碰撞后維護(hù)和救援人員沒有觸電風(fēng)險(xiǎn)，在碰撞過程中，安全氣囊ECU或?qū)Ｓ脭嚯娎^電器必須瞬時(shí)發(fā)出斷電信號(hào)，斷開高壓電回路，GB/T 31498—2015要求斷電后交流電壓不大于30 V，直流電壓不大于60 V，避免乘員和行人遭受觸電風(fēng)險(xiǎn)，保證人員安全的情況下盡量保護(hù)關(guān)鍵零部件不受損害。同時(shí)國(guó)標(biāo)GB/T 31498—2015對(duì)于剩余電容量、物理防護(hù)、絕緣電阻也有相應(yīng)的要求。

表5 涉及電池相關(guān)的整車試驗(yàn)項(xiàng)目

電池碰撞安全：按照國(guó)標(biāo)GB/T 31498—2015的要求，在高速碰撞工況下，保證大質(zhì)量的鋰離子電池與車身安裝固定的可靠性，避免電池脫落對(duì)乘員和第三方造成傷害。GB/T 31498—2015評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：如果電池有漏液，不能超過5 L，且不能流入到座艙內(nèi)。碰撞結(jié)束30 min內(nèi)，車輛不得燃燒、爆炸。

碰撞完成后，在采取安全措施的情況下，對(duì)碰撞車輛分別進(jìn)行90°和180°側(cè)翻后，檢查電池液泄漏情況，這一檢查模擬了電動(dòng)汽車高速碰撞之后翻車的情況，目前國(guó)標(biāo)無要求，但美國(guó)公路安全保險(xiǎn)學(xué)會(huì)(IIHS)有此要求，整車廠商必須考慮這種風(fēng)險(xiǎn)。

6.2.2 動(dòng)態(tài)離地間隙試驗(yàn)

為了避免車輛行駛中遇到道路上的大石頭等異物、路面的起伏、地樁等，可能刮擦電池包的風(fēng)險(xiǎn)，整車廠必須在開放的道路上，進(jìn)行整車動(dòng)態(tài)間隙試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，檢查電池包的刮擦情況。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)結(jié)束后電池包外殼不允許出現(xiàn)嚴(yán)重的傷痕。

6.2.3 涉水安全

當(dāng)電動(dòng)汽車遇到涉水、暴雨等工況時(shí)，由于水汽侵蝕，高壓的正極與負(fù)極之間可能出現(xiàn)絕緣電阻變小甚至短路的情況，可能引起電池的燃燒、漏液甚至爆炸，若電流流經(jīng)車身，可能使乘員遭受觸電風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)中試驗(yàn)員必須身穿高壓電絕緣衣物，安全是最重要的。

涉水試驗(yàn)相關(guān)的國(guó)標(biāo)GB/T 18384.3要求水深100 mm，它不能完全代表中國(guó)用車的實(shí)際情況，為此建議整車廠商必須進(jìn)行上海地標(biāo)DB 31/T634—2012中的涉水部分（最大水深度300 mm）試驗(yàn)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：座艙和行李箱底板不能進(jìn)水，試驗(yàn)中和試驗(yàn)后潮濕狀態(tài)下電池絕緣電阻監(jiān)控系統(tǒng)不能出現(xiàn)報(bào)警。圖7是某車型進(jìn)行300 mm深度涉水試驗(yàn)照片。

圖7 上海地標(biāo)涉水試驗(yàn)

6.2.4 高寒、高熱和高海拔試驗(yàn)

高寒試驗(yàn)、高熱區(qū)試驗(yàn)和高海拔試驗(yàn)簡(jiǎn)稱三高試驗(yàn)，一般情況下在冬季極寒天氣、在黑龍江進(jìn)行寒區(qū)試驗(yàn)、夏季炎熱天在新疆、昆侖山進(jìn)行熱區(qū)和高原試驗(yàn)。電動(dòng)汽車與常規(guī)的汽油車試驗(yàn)完全相同，重點(diǎn)在于試驗(yàn)過程中檢查三電系統(tǒng)（特別是電池包）在這一些地區(qū)使用時(shí)，是否出現(xiàn)異常情況，三電系統(tǒng)有無報(bào)警信號(hào)。這3個(gè)大試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)為國(guó)標(biāo)GB/T 31485—2015中的高溫度、溫度沖擊、高海拔負(fù)壓試驗(yàn)要求。

6.2.5 整車四通道模擬耐久試驗(yàn)

由于電池包質(zhì)量較大（例如：小型乘用轎車的電池包質(zhì)量大約為300 kg左右），固定在車輛下方，在生命周期內(nèi)承受各種振動(dòng)和沖擊，時(shí)間長(zhǎng)了之后會(huì)出現(xiàn)固定螺釘松動(dòng)或脫落，或者箍帶斷裂的情況，電池包可能脫落，出現(xiàn)嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。為此，必須進(jìn)行整車四通道耐久試驗(yàn)?zāi)M這種情況，它對(duì)應(yīng)整車在嚴(yán)酷道路上行駛8萬公里的情況，試驗(yàn)完成后對(duì)電池包進(jìn)行拆檢。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：電池包的固定不能松脫，電池包內(nèi)部零件不能出現(xiàn)松脫。

6.2.6 整車外部、內(nèi)部暴曬試驗(yàn)

該試驗(yàn)?zāi)M電動(dòng)汽車在夏季高溫天氣情況下停車時(shí)，長(zhǎng)期在太陽下暴曬，整車溫度（特別是座艙溫度）急劇升高，電池包的溫度也同步上升，要求電池包工作能正常，不能出現(xiàn)熱失控。還有一種情況是車輛外部油漆損害，補(bǔ)漆之后車輛需要局部加溫，此時(shí)電池包也有熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)中（車輛未啟動(dòng)）電池包外殼的最高溫度，要低于電池包的安全溫度。

6.2.7 三電系統(tǒng)安全試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)主要是評(píng)估整車三電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方面潛在的缺陷，導(dǎo)致人員觸電的可能性，必須符合國(guó)標(biāo)：GB 18384.2—2015《電動(dòng)汽車安全要求第2部分:功能安全和故障防護(hù)》、《第3部分:人員觸電防護(hù)》，GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[23]補(bǔ)充要求。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人員觸電防護(hù)要求、功能安全防護(hù)要求、行駛過程中安全共3個(gè)方面提出了具體要求，當(dāng)高壓電氣系統(tǒng)發(fā)生安全事故時(shí)，首先可及時(shí)預(yù)警并切斷高壓電，保證人員安全逃生。

6.2.8 整車熱逃脫試驗(yàn)

2019年6月，工信部發(fā)布《關(guān)于開展新能源汽車安全隱患排查工作的通知》，提到“電池包或系統(tǒng)在由于單個(gè)電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5 min，應(yīng)提供一個(gè)熱事件報(bào)警信號(hào)（服務(wù)于整車熱事件報(bào)警，提醒乘員疏散）”。工信部在2019年11月又發(fā)布了實(shí)施《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散乘員保護(hù)測(cè)試規(guī)范（試行）》通知，要求電池總成或整車狀態(tài)下進(jìn)行熱逃脫（又稱熱失控）試驗(yàn)。

該試驗(yàn)可以在電池包內(nèi)部放入PTC發(fā)熱元件，模擬電池內(nèi)部短路等原因?qū)е碌臒崾Э厍闆r，當(dāng)溫升速率大于一定的限值或者電池包冒煙或有明火出現(xiàn)時(shí)，停止PTC加熱，利用攝像機(jī)記錄電池包和座艙的燃燒情況。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)熱失控觸發(fā)以后，5 min不能發(fā)生外部起火和爆炸，車門能夠打開，車上人員有充足的時(shí)間逃生。某PHEV插電混合動(dòng)力車型熱逃脫試驗(yàn)后，電池包拆開之后的照片見圖8。

圖8 整車熱逃脫試驗(yàn)后電池包

6.2.9 各種千斤頂或舉升機(jī)試驗(yàn)

小型電動(dòng)乘用車輛在檢查或維修過程中，一定會(huì)用千斤頂或舉升機(jī)在車身下裙邊處頂起車輛。如果電池包的最低點(diǎn)要低于車身側(cè)面的下裙邊（通常情況下千斤頂作用在下裙邊上），千斤頂或舉升機(jī)的作用點(diǎn)如果出現(xiàn)一定的偏差（通常情況下車身下電池包與下裙邊有一定的安全距離），有可能直接頂在電池包上，導(dǎo)致電池包變形（通常情況下單體電池與外殼之間有7 mm以上的安全距離），觸發(fā)熱失控。

市面上千斤頂?shù)姆N類有很多，電動(dòng)汽車保養(yǎng)維修時(shí)都可能遇上，為此必須對(duì)市面上常用種類的千斤頂，仔細(xì)分析它們是否有頂在電池包上的風(fēng)險(xiǎn)，如果有，就必須進(jìn)行對(duì)應(yīng)的整車試驗(yàn)。圖9是一種剪式舉升機(jī)，市面上正在逐步普及，必須考慮這種舉升機(jī)頂在電池包上的可能性，它可能導(dǎo)致電池包變形。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：如果有變形，電池殼體內(nèi)表面不能觸及電池外表面。

圖9 剪式舉升機(jī)

6.2.10 碎石石擊試驗(yàn)

車輛行駛中可能遇到各種小石頭，它們會(huì)被車輪帶起來，擊打在電池包的底部，長(zhǎng)期的打擊會(huì)導(dǎo)致電池包外保護(hù)層破壞，石子卡在小縫隙里面，或者外殼出現(xiàn)凹坑。外保護(hù)層被破壞后，再遇到水或泥的侵蝕，最終導(dǎo)致外殼腐蝕穿孔，遇水會(huì)觸發(fā)熱失控。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：小石子不允許擊打在無防石擊涂料或護(hù)板保護(hù)區(qū)域，保護(hù)區(qū)域內(nèi)的涂料或護(hù)板不允許出現(xiàn)嚴(yán)重傷害。

如果電池包下方有塑料的導(dǎo)流板，它可以保護(hù)外殼免受石擊，可以取消該試驗(yàn)。如果外殼采用防石擊涂料，必須進(jìn)行該試驗(yàn)。

6.2.11 電池液冷回路密封試驗(yàn)

為了控制電池包的溫度在一定的范圍之內(nèi)，許多車輛采用的電控液冷保溫技術(shù)，冷卻液在電池包內(nèi)流動(dòng)，如果泄漏就會(huì)直接接觸單個(gè)電池，產(chǎn)生很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，必須在整車狀態(tài)下對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行密封性測(cè)試。整車廠通常在每一臺(tái)車加注冷卻液之前會(huì)進(jìn)行氣密性檢測(cè)，合格之后才會(huì)加注。同時(shí)整車的空調(diào)環(huán)境模擬或電池冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)時(shí)，可以檢測(cè)電池冷卻系統(tǒng)的密封性或系統(tǒng)壓力，如果壓力達(dá)標(biāo)則密封性肯定無問題。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：不能出現(xiàn)液體泄漏。

6.2.12 PHEV車型燃油箱隔熱

這個(gè)試驗(yàn)專門針對(duì)PHEV插電混合動(dòng)力小型乘用汽車，通常它的電池包和燃油箱并排布置在車輛后部。整車試驗(yàn)時(shí)模擬電池包發(fā)生熱失控時(shí)，導(dǎo)致相鄰的燃油箱外部溫度升高，燃油箱通常采用塑料材料，此時(shí)燃油箱不允許出現(xiàn)融化現(xiàn)象。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：燃油箱塑料殼體不能出現(xiàn)融化現(xiàn)象。如果不滿足要求，燃油箱外部必須增加隔熱板。

6.2.13 整車火燒試驗(yàn)

該試驗(yàn)?zāi)M電動(dòng)汽車遇到外部火源之后，電池包被引燃，出現(xiàn)毒氣，消防員進(jìn)行滅火，冷卻電池防止燃燒的場(chǎng)景。目前國(guó)內(nèi)該試驗(yàn)還處于研究階段，也沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.2.14 整車水浸泡試驗(yàn)

該試驗(yàn)?zāi)M電動(dòng)汽車的完全或大部分在水中浸泡8 h，從水中取出來靜置30 min，觀察電池包是否會(huì)出現(xiàn)重新復(fù)燃的現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)該試驗(yàn)還處于研究階段，也沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 在車輛使用中燃燒風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防和處理

7.1 用戶合理使用車輛

整車廠商要將合理用車的知識(shí)傳遞給最終用戶，用戶也需要按照這些要求合理使用車輛。另外，除了車輛本身的安全以外，整車廠商和售后服務(wù)部門還要考慮到操作和維修人員的安全，需要進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)、將安全知識(shí)傳達(dá)給車輛使用人員等。廠商對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)問題的車輛，要仔細(xì)分析原因，并找到解決措施。

作為整車廠商，有義務(wù)通過各種渠道，告知用戶安全合理使用電動(dòng)汽車，如公司對(duì)外網(wǎng)站宣傳、車輛使用說明書、車輛局部粘貼警告標(biāo)識(shí)等。車輛使用說明書必須包括電動(dòng)汽車在使用各環(huán)節(jié)的注意事項(xiàng)，要求客戶在遇到車輛長(zhǎng)時(shí)間浸水、強(qiáng)烈撞擊、底盤刮擦等情況后，到4S店檢查。明確要求用戶不要私下改裝整車電路。同時(shí)使用手冊(cè)應(yīng)該告知車輛發(fā)生燃燒之后，用戶應(yīng)該采取的行動(dòng)，如切斷車輛電源，并及時(shí)告知救援人員如何切斷高壓電系統(tǒng)、提供車輛使用手冊(cè)等等。

下面列出了車輛使用過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

7.1.1 充電

用戶要按照使用說明書的規(guī)定來操作，免在下述情況下充電：夏季炎熱時(shí)最好避免在陽光暴曬的場(chǎng)地充電，冬季環(huán)境溫度-10℃以下不要充電，選擇有漏電保護(hù)裝置的充電樁。

如果車輛上同時(shí)有慢充和快充接口，優(yōu)先采用慢充的方式，快充的大電流容易導(dǎo)致熱失控。充電的時(shí)間不宜過長(zhǎng)，一般情況下充滿后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電，如果不能斷電會(huì)導(dǎo)致車輛出現(xiàn)過度充電，誘發(fā)熱失控，或降低電池包的壽命。在下雨天時(shí)候充電槍的插拔過程中，注意插頭的防水。如果遇到雷雨等極端天氣，建議不要充電。

根據(jù)相關(guān)電池?zé)崾Э貙?duì)比試驗(yàn)[24]，在其它條件完全相同的情況下，3個(gè)同樣的電池分別采用1.5 C，1.0 C和0.5 C倍率充滿電，并豎直放置，在電池底部相同的加溫條件下，3個(gè)電池出現(xiàn)爆燃時(shí)刻分別為360 s，880 s和980 s，這說明了快速充電的風(fēng)險(xiǎn)較高。

7.1.2 駕駛

用戶駕駛電動(dòng)汽車時(shí)盡量平穩(wěn)，避免頻繁急加速或者急減速，為了輸出大功率此時(shí)電池包要大電流放電或充電，導(dǎo)致電極發(fā)熱，誘發(fā)熱失控，大電流也容易燒壞驅(qū)動(dòng)電機(jī)。過度放電時(shí)會(huì)影響電池包壽命，以及電池容量。

在比較差的路段上行駛時(shí)，要注意防止路面上大石頭等，沖擊車輛底部。

7.1.3 車輛停放

炎熱夏季車輛長(zhǎng)時(shí)間行駛之后不要直接停放在太陽曝曬之下。由于小型乘用車的電池包往往安裝在座艙底板下方，這樣地面輻射熱量被電池包吸收，疊加電池包本身工作中的熱量容易造成熱失控。整車廠商在設(shè)計(jì)時(shí)，可在電池包下方加一層塑料導(dǎo)流板，用于減少車底的空氣阻力，并防止小石子打擊電池包外殼并阻斷熱輻射。

電動(dòng)汽車停放時(shí)，不能停放在地勢(shì)低洼易地方，特別是南方的暴雨天氣情況下，車輛不可以停放在容易深度積水的地方。

當(dāng)電動(dòng)汽車停車后，一般情況下散熱系統(tǒng)會(huì)停止工作，而且車底沒有行駛中的空氣冷卻，此時(shí)電池包熱量不易散發(fā)，容易誘發(fā)熱失控。在車停駛后，駕駛員不要立即熄火，讓散熱系統(tǒng)多運(yùn)行一會(huì)兒。整車廠商也可通過各種控制程序設(shè)置，在車輛長(zhǎng)時(shí)間或高速行駛停車后怠速運(yùn)轉(zhuǎn)30 s至2 min，讓冷卻回路等散熱裝置繼續(xù)對(duì)鋰離子電池組散熱。

如果停車后無法起動(dòng)，用戶應(yīng)聯(lián)系售后人員進(jìn)行檢查。

7.2 車輛例行保養(yǎng)

用戶按照要求到4S店進(jìn)行例行保養(yǎng)時(shí)，企業(yè)應(yīng)當(dāng)針對(duì)使用電動(dòng)車輛電池的特點(diǎn)，對(duì)可能導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行全面排查，形成操作性強(qiáng)、便利性強(qiáng)的保養(yǎng)流程。如果發(fā)現(xiàn)重大風(fēng)險(xiǎn)，要根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行召回或維修。

整車廠商合理規(guī)定電動(dòng)汽車?yán)械谋ｐB(yǎng)時(shí)間和項(xiàng)目范圍，除燃油車常規(guī)的檢測(cè)項(xiàng)目外，電動(dòng)汽車保養(yǎng)項(xiàng)目需要增加三電系統(tǒng)硬件外觀檢驗(yàn)及電檢，一定要在斷開電路情況下進(jìn)行，安全性是第一位的。

整車電檢主要包括對(duì)車輛的CAN線進(jìn)行診斷，高壓電系統(tǒng)絕緣情況，三電系統(tǒng)的性能，整車各個(gè)控制器數(shù)據(jù)等，其中三電系統(tǒng)中電池包的電檢主要包括絕緣電阻檢測(cè)、電壓和容量檢測(cè)、通訊檢測(cè)。

三電系統(tǒng)外觀檢查主要是目視檢查電池包、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、充電機(jī)、控制器和高壓電線，包括零件外觀有無磕碰劃傷或變形變色情況、電路插接緊固情況。

汽車鋰電池是重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，首先檢查電池包與車身連接的緊固件、箍帶的穩(wěn)固性，防范汽車行駛中的振動(dòng)引起的電池包脫落。電池包外表無裂紋、凹陷、凸起變形，外殼接縫的密封有效，各種標(biāo)識(shí)清晰、無破損。排泄閥膜片沒有破裂，通氣孔上出現(xiàn)灰塵和異物時(shí)，采用干燥壓縮空氣吹出污物。清理外殼上的灰塵和污垢，清理時(shí)采用干燥的抹布，或干燥化學(xué)試劑來清除。與電池包相連的各種電線的插頭是否松動(dòng)，密封是否有效，插接端子處無異物，附近的壓緊螺釘無松動(dòng)。對(duì)于液冷的電池包，冷卻回路無液體流出。

7.3 車輛電池燃燒時(shí)的處理辦法

7.3.1 用戶首要考慮安全和及時(shí)報(bào)警

當(dāng)車輛電池冒煙或失火時(shí)，用戶是無法自己滅火的，而且毒氣、燃燒和爆炸會(huì)威脅用戶的生命安全，為此建議用戶按照NFPA（美國(guó)消防協(xié)會(huì)）建議的6個(gè)步驟處理電池事故[25]。

(1)停止；

(2)如果可能的話，靠路邊；

(3)關(guān)掉汽車電源，立刻離開車輛；

(4)離車輛距離大于304 m，同時(shí)注意其它安全;

(5)撥打119火警求助；

(6)不要自己去滅火。

7.3.2 消防人員滅火時(shí)要注意火災(zāi)的特點(diǎn)

電動(dòng)汽車起火燃燒之后，相對(duì)于傳統(tǒng)汽油車，有以下特點(diǎn)[26]：

鋰離子電池燃燒時(shí)，負(fù)極材料受熱會(huì)產(chǎn)生一氧化碳和其它有毒物質(zhì)，電解質(zhì)和隔膜在高溫下會(huì)產(chǎn)生大量的烯烴、烷烴和醚化合物，加上電解液蒸發(fā)后在空氣中擴(kuò)散，含鈷的正極材料會(huì)受熱分解產(chǎn)生有毒的含鈷氧化物，這些物質(zhì)都具有一定程度的毒性。為此必須采取措施預(yù)防人員中毒。

為了確保救援人員的安全，救援前必須徹底切斷車輛的高壓電系統(tǒng)，如果無法判定高壓電系統(tǒng)是否斷電，就必須手動(dòng)斷電：根據(jù)隨車配備的汽車使用手冊(cè)、相關(guān)消防標(biāo)準(zhǔn)流程及車輛上張貼的警告標(biāo)識(shí)，明確高壓部件及斷電開關(guān)位置后，將開關(guān)置于關(guān)閉狀態(tài)，切斷鋰離子電池的供電系統(tǒng)、拔掉鋰離子電池的保險(xiǎn)絲，確保汽車電路系統(tǒng)充分放電。

由于電池的特殊結(jié)構(gòu)，它內(nèi)部完整地包含了燃燒3要素，一些成分在高溫下會(huì)生成氧化物，即使在缺氧環(huán)境下也能繼續(xù)燃燒，通過窒息來滅火無濟(jì)于事，而鋰離子電池的外部包裹金屬外殼，而且布置在車輛的下方，滅火劑一般很難作用于電池內(nèi)部，因而干粉、二氧化碳等滅火劑對(duì)鋰離子電池包的滅火效果并不理想。香港理工大學(xué)的研究顯示[27]，采用水流對(duì)電動(dòng)汽車滅火后，水中溶解的物種可能含有較高水平的氟化物和氯化物，對(duì)環(huán)境有傷害，需要消防部門注意水的環(huán)保性。

消防研究顯示[28]，對(duì)于電動(dòng)車燃燒會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，含有五磷五氟化，磷化氫，氟化氫和其它有毒、有害物質(zhì)，需要注意人員安全防護(hù)。目前還沒有一個(gè)合理的滅火方法，這是一個(gè)世界性范圍的難題。在實(shí)際滅火過程中，大量的水是最方便易得、效果最好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的滅火劑[26]，它雖然不能進(jìn)入電池包內(nèi)部，但可以迅速給車輛和電池包降溫，讓燃燒逐漸停止下來。用水給電動(dòng)汽車滅火，可能會(huì)有其它副作用，只是一個(gè)消極的辦法。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，雖然電池包外部已經(jīng)滅火，但內(nèi)部仍然在發(fā)熱，為防止復(fù)燃，需要在滅火后對(duì)鋰離子電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)護(hù)。

PHEV插電混合動(dòng)力汽車發(fā)生起火時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意燃油箱（通常情況下電池包和燃油箱并排布置在一起）、電池等關(guān)鍵部位的冷卻滅火。當(dāng)燃油泄漏時(shí)，應(yīng)當(dāng)噴射泡沫覆蓋泄漏區(qū)域，防止燃油蒸汽發(fā)生燃燒爆炸。

基于電動(dòng)汽車上述特點(diǎn)，對(duì)于消防人員提出了一個(gè)難題，需要消防部門仔細(xì)研究電動(dòng)汽車滅火技術(shù)特點(diǎn)。國(guó)家已經(jīng)發(fā)布涉及電動(dòng)汽車消防的標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 38117—2019《電動(dòng)汽車產(chǎn)品使用說明應(yīng)急救援》，正在制定標(biāo)準(zhǔn)GB/T XXXX-XXXX《電動(dòng)汽車災(zāi)害事故應(yīng)急救援指南》，對(duì)于這方面的工作將有很大的幫助作用。

8 結(jié)束語

安全應(yīng)當(dāng)貫穿在電動(dòng)汽車全生命周期當(dāng)中，起火燃燒問題不完全是技術(shù)問題，它包括電池廠商、整車廠商、政府、用戶和消防主體，覆蓋公交、出租、充電多個(gè)領(lǐng)域，不能僅僅依靠于制造廠商，需要各環(huán)節(jié)都采取安全措施。

政府部門應(yīng)當(dāng)組織開展電動(dòng)汽車安全問題的系統(tǒng)性研究，從標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證、檢測(cè)和監(jiān)管諸多方面予以規(guī)范，在研究制定相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)來約束上市產(chǎn)品的同時(shí)，還需要加強(qiáng)事中、事后監(jiān)管。

解決起火燃燒問題，根本上還是要依靠技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新突破，如固態(tài)電池、電芯材料改進(jìn)、BMS系統(tǒng)改進(jìn)、整車防護(hù)，這需要電池廠商和整車廠商的共同努力。同時(shí)新技術(shù)的不斷出現(xiàn)會(huì)解決一部分問題，也可能產(chǎn)生新的問題，需要廠商不斷研究。

從新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一般規(guī)律來看，在發(fā)展初期，產(chǎn)品容易出現(xiàn)一些問題，這是正常的。如同燃油汽車早期發(fā)展過程一樣，電動(dòng)汽車也會(huì)出現(xiàn)各種問題，只要各方面都努力工作，這一些問題肯定會(huì)逐步解決，用戶會(huì)使用上很安全的電動(dòng)汽車。