孫明宇，王立民，王青貴

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

1 引言

為了應(yīng)對(duì)日益突出的石油能源短缺和環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車因其使用清潔能源和零排放的優(yōu)勢(shì)得到各國政府的大力支持。發(fā)展新能源汽車已成為中國的重要國策之一。2014—2019年中國新能源汽車銷量如圖1 所示，自2015年來，新能源汽車銷量快速增長，其中純電動(dòng)汽車更是迅猛發(fā)展。目前，中國電動(dòng)汽車已經(jīng)占到世界市場(chǎng)份額的50%以上。與此同時(shí)，電動(dòng)車高速發(fā)展所帶來的一系列問題也日益凸顯，特別是以起火事故為代表的電動(dòng)汽車安全性問題。電動(dòng)汽車起火事故已經(jīng)引起了社會(huì)各界的重視，了解其原因，并分析解決相關(guān)問題是目前新能換汽車發(fā)展過程中亟待攻克的難關(guān)之一[1]。

圖1 2014—2019年中國新能源汽車銷量

2 電動(dòng)汽車起火風(fēng)險(xiǎn)性概述

電動(dòng)汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的部件在于動(dòng)力電池、電驅(qū)動(dòng)和電控系統(tǒng)。其中，動(dòng)力電池作為核心儲(chǔ)能部件，因常規(guī)體積較大，易受到外部環(huán)境和制造缺陷的影響。當(dāng)電池包在一些極端工況下運(yùn)作，比如受到外部沖擊等，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損、火花飛濺、易燃和有毒煙氣溢出等情況?？扇?xì)怏w被引燃后出現(xiàn)明火。電池單體和動(dòng)力系統(tǒng)起火是導(dǎo)致電動(dòng)車起火的主要原因。SUN 等人的研究指出，對(duì)于大部分電動(dòng)車起火事故，特別是自燃，明火基本上源于動(dòng)力電池系統(tǒng)[2]。

電池包的體積、容量和能量密度對(duì)電動(dòng)車起火的風(fēng)險(xiǎn)性和嚴(yán)重性有重要影響。單體電池的數(shù)量越多，能量密度越高，電池包儲(chǔ)存的能量越多，起火的風(fēng)險(xiǎn)也越高。鋰離子電池具有高能量密度、高充電效率、長使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。為了降低電動(dòng)車車重、提高續(xù)航里程、縮短充電時(shí)間，越來越多的汽車廠商選擇鋰離子電池包作為動(dòng)力來源。目前，鋰離子電池包是電動(dòng)車主流裝機(jī)電池類型，一般布置在車身底部。隨著技術(shù)的進(jìn)步其能量密度還在不斷提高，這在提高電池性能的同時(shí)，也增大了起火的風(fēng)險(xiǎn)性[3]。

3 事故統(tǒng)計(jì)和事故分類

通過對(duì)國內(nèi)新能源汽車著火事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，事故原因大致包括自燃（行駛中自燃、停置時(shí)自燃）、浸水、碰撞、零部件老化、人為改裝、外部因素引燃等因素[4]。電動(dòng)汽車2016—2019-08 事故統(tǒng)計(jì)如圖2 所示。

圖2 電動(dòng)汽車2016—2019-08 事故統(tǒng)計(jì)

綜合2016—2019-08 所發(fā)生的新能源汽車安全事故，按照事故原因分類，由圖2 可知，高壓電池包的自燃仍然是電動(dòng)汽車安全事故的最大根源，相比其他類型安全事故總占比38.1%。通過調(diào)查分析可知，大部分電動(dòng)車起火事故都源于電池包的熱失控[2]。

引發(fā)熱失控的原因有很多，內(nèi)部短路是其中重要的一種。而造成內(nèi)部短路的原因則較為復(fù)雜，比如高壓電池包在加工制備時(shí)，模組之間混入的金屬雜質(zhì)或產(chǎn)生的極片毛刺等、電濫用、電解液浸潤不均等引發(fā)的局部析鋰，都有可能在劃破電池隔膜，引發(fā)微小的內(nèi)部短路，這種微小的內(nèi)部短路并不容易被察覺[6-7]。但是微小的內(nèi)部短路會(huì)在電池內(nèi)部持續(xù)產(chǎn)熱。當(dāng)內(nèi)部短路產(chǎn)生的熱量堆積到一定程度后，就會(huì)引發(fā)電池的熱失控，致使動(dòng)力電池起火。

排在第二位的是充電過程起火事故，占20.0%。正常充電過程中引發(fā)的電池起火事故的比例在逐年上升，已經(jīng)引起了人們的重視。充電過程中對(duì)電動(dòng)車的濫用或使用不當(dāng)，比如充電期間啟動(dòng)車輛，容易引發(fā)車輛自燃。隨著電動(dòng)汽車保有量上升和充電樁的鋪設(shè)速度加快，如何對(duì)充電方法和充電設(shè)施進(jìn)行更加規(guī)范化的管理，對(duì)充電電池組進(jìn)行可行、有效的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)是非常重要的。

排在第三位的是汽車碰撞引發(fā)電池起火的事故，占14.3%。車輛碰撞時(shí)一方面會(huì)給電池帶來猛烈的沖擊，箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在被擠壓的狀態(tài)下引發(fā)了電池的外部短路；另一方面，汽車碰撞如果導(dǎo)致電池被擠壓變形，過量的變形可能使隔膜受損破裂或被刺穿、引起內(nèi)部短路。

內(nèi)部短路與外部短路可能只發(fā)生一種，也可能同時(shí)發(fā)生，這些短路故障會(huì)引起電池高溫并伴隨漏液，泄漏出大量可燃?xì)怏w，導(dǎo)致事故發(fā)生。電動(dòng)汽車電池包的設(shè)計(jì)要具備防撞、吸能等功能，同時(shí)還要滿足通風(fēng)散熱、絕緣防水等復(fù)雜功能還設(shè)計(jì)和制備難度很大，目前可以很好應(yīng)對(duì)撞擊的電池箱體結(jié)構(gòu)尚未有效普及[8]。因此，需要在電池安全研究中給予更多的重視。

4 碰撞導(dǎo)致電動(dòng)車起火案例分析

傳統(tǒng)燃油汽車碰撞考察的是碰撞對(duì)整個(gè)車身以及變形量的影響，例如汽車前后部吸能機(jī)構(gòu)變形、損傷等。而新能源汽車除了上述考察，還需對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。原因是新能源汽車發(fā)生碰撞后容易出現(xiàn)漏電、起火等安全隱患，一旦發(fā)生事故，勢(shì)必造成嚴(yán)重影響。因此，對(duì)新能源汽車碰撞安全的研究非常重要。

碰撞形式多種多樣，如果電動(dòng)汽車在道路上出現(xiàn)類似常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中定義的正碰、側(cè)碰、柱碰等高速碰撞，車身變形嚴(yán)重，車輛一般不能繼續(xù)行駛，用戶主觀上也不會(huì)繼續(xù)使用該事故車輛。但是因?qū)嶋H道路情況復(fù)雜多樣，電動(dòng)車在使用過程中往往存在一種底部碰撞形式，比如車輛底部剮蹭路緣石、鐵軌等路面障礙，路面尖銳的飛石撞擊電池包等情況。這些底部碰撞事故傷害輕、噪聲小、變形小，客觀上不易察覺，用戶主觀上也常常忽視，埋下安全隱患。即使發(fā)生底部碰撞事故時(shí)沒有起火，但實(shí)際電池包已經(jīng)受損，在之后的某一使用過程中出現(xiàn)起火。下面就常規(guī)電動(dòng)汽車底部碰撞事故進(jìn)行舉例和事故分析。

4.1 底部碰撞導(dǎo)致電池包破壞變形

2018年某款車在廣州發(fā)生碰撞后起火，原因是道路異物與電池包發(fā)生沖擊，導(dǎo)致電池包發(fā)生變形，在底板的電池組相互擠壓變形易位，導(dǎo)致單體電池外部短路，最終起火。

2019年，某款車在高速收費(fèi)口剎車時(shí)，由于速度過快，剎車后發(fā)生了橫向位移，與收費(fèi)口處的路緣石發(fā)生了碰撞瞬間起火。事故原因是車輛之前曾受撞擊導(dǎo)致電池包變形，箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在被擠壓的狀態(tài)下引發(fā)了電池的外部短路；另一方面，汽車碰撞如果導(dǎo)致電池被擠壓變形，過量的變形可能使隔膜受損破裂或被刺穿、引起內(nèi)部短路。

4.2 底部碰撞導(dǎo)致密封性變差

2018年某款車發(fā)生底部碰撞后底部電池包發(fā)生形變，密封性變差，在使用過程中浸水，導(dǎo)致電池內(nèi)部絕緣降低，電池發(fā)生短路失火。

4.3 底部碰撞導(dǎo)致絕緣性能下降

2019年西安市某款車在寄修到4S 店發(fā)生發(fā)生起火。調(diào)查后發(fā)現(xiàn)該車輛在在寄修前底盤遭到過比較嚴(yán)重碰撞，造成動(dòng)力鋰電池包左后側(cè)機(jī)殼與制冷板大規(guī)模形變。充電電池包內(nèi)部構(gòu)造在被擠壓成型的情況下歷經(jīng)一段時(shí)間后產(chǎn)生短路故障，最后引起火災(zāi)。

5 碰撞導(dǎo)致電動(dòng)車起火事故分析

從事故誘因方面可將事故分類分為間接事故和直接事故。間接事故是指機(jī)械變形后未直接引發(fā)著火事故，但是經(jīng)后期事故鑒定，推斷為機(jī)械變形引發(fā)，或者無法排除機(jī)械變形導(dǎo)致事故的可能性。直接事故是指極端的機(jī)械變形導(dǎo)致電池系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞，直接導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，并引發(fā)車輛著火事故。

5.1 間接事故

5.1.1 連接件松動(dòng)

在部分底部碰撞事故中，電池包受到外部沖擊載荷，雖未造成殼體破損或較大變形，但其內(nèi)部連接件或緊固件發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致局部電阻變大，隨著使用時(shí)間的增長，發(fā)熱量持續(xù)增大，最終導(dǎo)致局部熱失控。

5.1.2 密封破壞

磕碰情況下，容易導(dǎo)致密封件脆裂，發(fā)生密封失效的情形。密封失效通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)露或有冷凝水積聚，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣電阻下降。極端情況下，可能會(huì)導(dǎo)致短路發(fā)生，引發(fā)系統(tǒng)熱擴(kuò)散。當(dāng)電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池系統(tǒng)密封性能變差后，內(nèi)部絕緣電阻降低，正負(fù)極發(fā)生短路，并引發(fā)系統(tǒng)熱擴(kuò)散。

5.1.3 電池結(jié)構(gòu)變形

電池系統(tǒng)的外部機(jī)械變形量比較小的情況下，不會(huì)直接引發(fā)電芯發(fā)生熱失控，但是可能會(huì)對(duì)電池模塊或者電池單體造成輕微變形。變形的電池在持續(xù)使用過程中，會(huì)因?yàn)閼?yīng)力的變化導(dǎo)致內(nèi)部反應(yīng)不當(dāng)，最終引發(fā)電池發(fā)生熱失控。通常情況下，租賃用電動(dòng)汽車在運(yùn)營過程中，由于司機(jī)的不當(dāng)操輛發(fā)生著火事故。

5.1.4 液冷失效

對(duì)于裝配液冷電池系統(tǒng)的電動(dòng)車輛，輕微的托底和底部磕碰可能會(huì)導(dǎo)致液冷板有變形，或者內(nèi)部液冷管道有變形。一旦出現(xiàn)液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形，可能會(huì)導(dǎo)致冷卻管道裂紋、接口開裂或者接口斷開，引起冷卻液泄漏，引發(fā)系統(tǒng)絕緣故障，觸發(fā)系統(tǒng)熱失控，并引發(fā)車輛著火事故。

5.2 直接事故

5.2.1 異物侵入

異物直接侵入容易導(dǎo)致電池系統(tǒng)當(dāng)場(chǎng)失效，引發(fā)電池系統(tǒng)熱失控，導(dǎo)致新能源汽車出現(xiàn)著火事故。極端情況下，電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)會(huì)被道路中的金屬異物直接侵入，鐵地板造成內(nèi)部電池單體切割，車輛瞬間發(fā)生著火事故。

5.2.2 嚴(yán)重變形

嚴(yán)重的變形可能會(huì)直接引發(fā)著火事故。在車輛行駛過程中，電池系統(tǒng)位于底部無保護(hù)狀態(tài)，極易發(fā)生底部或者側(cè)面嚴(yán)重變形。電動(dòng)汽車由于底部裝配電池系統(tǒng)，因此其離地間隙通常較小，在行駛過程中容易與路緣石或者馬路上的凸起發(fā)生磕碰。如果發(fā)生嚴(yán)重變形，引發(fā)著火事故的可能性極高。某新能源汽車在行駛過程中，為躲避對(duì)向來車，不小心磕碰到路緣石上，直接引發(fā)系統(tǒng)嚴(yán)重變形，發(fā)生著火事故。

6 總結(jié)

鋰離子電池的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品普及滿足了用戶對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和充電效率不斷增長的需求，但也增大了相關(guān)車輛起火的風(fēng)險(xiǎn)性和嚴(yán)重性。新能源車輛在服役期間起火已成為日益突出的社會(huì)問題，極大地阻礙了產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。本文統(tǒng)計(jì)了近年來電動(dòng)車起火事故類型并進(jìn)行了分類，深入探討了相關(guān)事故的原因。其中，車用動(dòng)力電池包受到局部擠壓導(dǎo)致短路失效是電動(dòng)汽車碰撞事故中危險(xiǎn)性比較高的典型工況，尤其動(dòng)力電池包常布置在車身地板底部，這種設(shè)計(jì)縮小了車輛離地間隙，低離地間隙會(huì)引發(fā)更嚴(yán)重的安全問題，比如汽車在道路上高速行駛，道路上的金屬塊和石塊會(huì)撞擊并刺穿電池組，就像子彈擊中電動(dòng)汽車的“心臟”一樣，不僅會(huì)破壞電池包結(jié)構(gòu)，而且還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)事故。與碰撞安全性能測(cè)試所要求的正面和側(cè)面碰撞工況相比，電動(dòng)汽車底部碰撞異物的情況尚未得到充分研究，也未制訂汽車底部碰撞安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在電動(dòng)汽車的開發(fā)與推廣應(yīng)用過程中，開展車用動(dòng)力電池包底部碰撞安全性研究，對(duì)于提高動(dòng)力電池包底部防護(hù)安全和電動(dòng)汽車的整車安全性具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。