陳旻，肖凌云，曲現(xiàn)國

（1.國家市場監(jiān)督管理總局缺陷產(chǎn)品管理中心，北京 100191；2.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 400000；3.國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（產(chǎn)品缺陷與安全），北京 100191）

引言

傳統(tǒng)汽車對石油等不可再生能源的消耗不斷加劇，嚴(yán)重影響了環(huán)境質(zhì)量，同時(shí)也為未來社會的發(fā)展埋下隱患。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國家推行綠色發(fā)展觀念，而新能源汽車在其中扮演著重要的角色。新能源汽車有著無污染，低排放的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的結(jié)合，但同時(shí)，新能源汽車在安全性能上也帶來了一系列問題。2018-2019國家監(jiān)管平臺統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國新能源汽車每行駛4.47億公里發(fā)生一次燃燒事故。而2019年公開報(bào)道的新能源汽車著火事故達(dá)到128起。新能源汽車獨(dú)特的以電池、電機(jī)、電控為核心的三電系統(tǒng)，使其動力結(jié)構(gòu)，起火的原因與傳統(tǒng)汽車有著比較顯著的區(qū)別，同時(shí)也給其獨(dú)特的系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄功能，使得我們能通過新能源汽車數(shù)據(jù)對事故現(xiàn)象進(jìn)行分析[1]。新能源汽車動力電池?zé)崾Э財(cái)?shù)據(jù)有著數(shù)據(jù)類別豐富，數(shù)據(jù)量龐大等特點(diǎn)，為了研究新能源汽車火災(zāi)事故發(fā)生原因，并形成新能源汽車安全隱患的有效監(jiān)測方法，本文通過對新能源汽車火災(zāi)事故數(shù)據(jù)與全生命周期數(shù)據(jù)的分析，歸納總結(jié)新能源汽車火災(zāi)事故的參數(shù)以及它們對熱失控事故發(fā)生的影響，從數(shù)據(jù)上對新能源汽車熱失控事故發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測與判定。

1 新能源電池?zé)峥貑栴}

新能源電池使用中一旦出現(xiàn)熱失控問題，容易引發(fā)自燃，嚴(yán)重影響駕駛?cè)松踩约柏?cái)產(chǎn)安全。所以需要針對新能源電池?zé)崾Э貑栴}有綜合認(rèn)識，導(dǎo)致出現(xiàn)電池?zé)崾Э氐脑蛑饕獮椋寒?dāng)前新能源汽車企業(yè)數(shù)量迅速增加，然而電池使用投入金額數(shù)量較大，部分企業(yè)會將此部分業(yè)務(wù)整體承包給電池生產(chǎn)廠商，電池生產(chǎn)后經(jīng)過檢驗(yàn)合格才能夠到廠家，完成整個車輛的組裝工作。在這一方式的應(yīng)用下容易導(dǎo)致技術(shù)上存在不匹配，電力供應(yīng)和終端用戶參數(shù)之間有所差異，時(shí)間越長電池出現(xiàn)熱失控的風(fēng)險(xiǎn)越大。同時(shí)在電動車使用中，提速以及加速比較快，部分駕駛?cè)藛T為獲取駕駛激情，會針對電池組實(shí)施改裝，改裝后電池供應(yīng)電壓也會有所改變，和原廠家配置參數(shù)存在不同，進(jìn)而導(dǎo)致電池組運(yùn)行和充電參數(shù)出現(xiàn)改變，進(jìn)而引發(fā)出現(xiàn)電池?zé)崾Э亍?/p>

關(guān)于環(huán)境對新能源電池?zé)崾Э氐挠绊?，主要是受到電池結(jié)構(gòu)特性的影響，在高溫環(huán)境下，SET膜、EC以及電解液等會出現(xiàn)分解，電解液的分解物也會和正極、負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，電芯隔膜進(jìn)而被融化分解，各種反應(yīng)的產(chǎn)生會引發(fā)出現(xiàn)大量熱量。隔膜融化也會導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)部短路，隨著電能量的釋放也會加大熱量生產(chǎn)。在以上累計(jì)過程中，進(jìn)而出現(xiàn)相互增強(qiáng)的破壞作用，最終導(dǎo)致電芯防爆膜破裂，噴出電解液，發(fā)生燃燒。其中三元系電池和磷酸鐵鋰電池相比，正極材料更容易出現(xiàn)分解反應(yīng)，釋氧過程中會進(jìn)一步加快發(fā)生熱失控。

2 新能源汽車全生命周期數(shù)據(jù)分析方法

新能源汽車動力電池全生命周期數(shù)據(jù)涵蓋電池生產(chǎn)原始出廠直至車電分離完成退役全流程的數(shù)據(jù)。其中，車載運(yùn)行信息涵蓋了整車數(shù)據(jù)（整車狀態(tài)、車速、總電壓、總電流等）、驅(qū)動狀態(tài)（驅(qū)動電機(jī)狀態(tài)與序號等）、車輛位置數(shù)據(jù)（定位狀態(tài)）以及電池極值和報(bào)警數(shù)據(jù)的車載運(yùn)行信息數(shù)據(jù)庫。車載運(yùn)行信息在熱失控電池的分析過程中具有重要價(jià)值，可以有效反映動力蓄電池在車載使用過程中的各項(xiàng)指標(biāo)變化情況[4]。

為了評判新能源汽車使用過程中是否存在安全風(fēng)險(xiǎn)，我們對其全生命周期數(shù)據(jù)中車載運(yùn)行信息進(jìn)行了分析，其中最高/最低單體電壓與壓差分析、最高/最低溫度及溫差分析、充電習(xí)慣分析、報(bào)警形式分析，對BMS的控制策略的針對性分析（包括充放電電流限制，充電階段高電壓區(qū)間過流分析等）。通過各項(xiàng)新能源汽車運(yùn)行過程典型的參數(shù)變化分析，了解故障的發(fā)生原因。

1）最高/最低單體電壓與壓差分析

在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下，新能源汽車單體電池電壓在全生命周期時(shí)間內(nèi)應(yīng)該隨電池的標(biāo)稱電壓，在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)上下變化，同時(shí)各單體電池電壓之間的壓差應(yīng)在0.2 V以內(nèi)。單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，其電壓往往在失控前有電壓降低，與其他電池壓差放大的征兆，以此可以判斷可能發(fā)生異常的電芯位置[5]。例如，某發(fā)生熱失控電池A的單體電池電壓在全生命周期內(nèi)時(shí)域變化曲線、最低單體電壓對應(yīng)序號圖如圖1。

圖1 電池A最高/最低單體電壓、壓差及最低電壓所在單體序號分析

從圖1左邊的壓差曲線圖中可以看出，電池A全生命周期內(nèi)單體最高電壓較為恒定，而單體最低電壓在時(shí)域上呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢，單體壓差也出現(xiàn)了緩慢增加的情況，大部分時(shí)間未超過0.1 V，平均壓差為0.042 9 V，但在事故發(fā)生前最后時(shí)刻壓差急劇增大至1.392 V。從事故前一段時(shí)間的最低單體電壓電芯序號圖來看內(nèi)，最后時(shí)刻46號電芯（圖中紅色標(biāo)注）出現(xiàn)在最低電壓，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查判定，46號電芯引發(fā)了熱失控。

2）最高/最低溫度及溫差分析

溫度參數(shù)是比較直觀的單體電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下，單體電池最高/低溫度隨電池的充放電流程規(guī)律性變化，單體電池最高溫度普遍不超過50 ℃，最低溫度可低至10 ℃左右，并且最高、最低溫度之間的溫差處于較為恒定的范圍內(nèi)。當(dāng)單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，其和其附近的電池溫度將呈現(xiàn)上升趨勢，并且電池溫差將進(jìn)一步放大。例如，電池B的單體電池溫度在全生命周期內(nèi)時(shí)域變化曲線如圖2。

從圖2看，電池B在全生命周期內(nèi)溫度隨電池的充放電進(jìn)行有規(guī)律的變化，最高溫度和最低溫度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但兩者的溫差不太穩(wěn)定，有數(shù)次溫差達(dá)到了10 ℃，并且在事故發(fā)生前，最高單體溫度發(fā)生了急劇上升的情況，溫差也隨之大幅上升，說明在事故開始時(shí)單體電芯已經(jīng)由于失控溫度不斷上升，由發(fā)生失控的電芯序號（23號）結(jié)合新能源汽車火災(zāi)事故現(xiàn)場調(diào)查可以推斷出動力電池包首次發(fā)生熱失控導(dǎo)致升溫的模組部位[6]。

圖2 電池B最高/最低溫度及溫差分析

3）動力電池絕緣電阻分析

新能源汽車動力電池的絕緣電阻通常隨汽車的充放電在兩個端值間來回變化，對于不同的新能源汽車，這兩個端值可以在（1 000～10 000）kΩ之間，當(dāng)最低絕緣阻值低于100 kΩ時(shí)，動力電池有失控的風(fēng)險(xiǎn)。例如，圖3為電池B在全生命周期內(nèi)的絕緣電阻時(shí)域變化分析圖。

從圖3中可以看到，該電池在全生命周期內(nèi)絕緣電阻處于4 000 kΩ與4 500 kΩ兩個端值間來回變化，偶爾上下端值會發(fā)生變化，但最低絕緣電阻依然在3 500 kΩ以上。而在圖中最后的時(shí)刻，絕緣電阻從4 500 kΩ急劇下降至接近于0，接著動力電池發(fā)生了熱失控現(xiàn)象。

圖3 電池B絕緣電阻全生命周期數(shù)據(jù)分析

4）多參數(shù)時(shí)域內(nèi)共同演化分析

新能源汽車動力電池的電壓、溫度、絕緣電阻等多參數(shù)在全生命周期內(nèi)的演化有著時(shí)域上的先后順序，可以進(jìn)一步分析新能源汽車事故的發(fā)生原因。在絕緣電阻和低壓線束失效的情況下，全生命周期數(shù)據(jù)中絕緣電阻參數(shù)首先降至0，然后動力電池電壓下降，溫度上升；在外部熱源引發(fā)動力電池?zé)崾Э氐那闆r下，動力電池周圍傳感器溫度受外部熱源影響先出現(xiàn)緩慢上升情況，隨后動力電池?zé)崾Э匾l(fā)，動力電池溫度劇烈上升，同時(shí)動力電池的電壓與絕緣電阻快速下降；而在碰撞引發(fā)動力電池?zé)崾Э厍闆r下，動力電池電壓與絕緣電阻的下降，以及溫度的上升，發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)則較為接近[7]。

圖4為新能源汽車C在絕緣電阻失效模式下發(fā)生動力電池?zé)崾Э厥鹿实娜芷跀?shù)據(jù)分析結(jié)果，在事故發(fā)生前的時(shí)間段內(nèi)，絕緣阻值先從4 300 kΩ快速降至0，電池傳感器溫度也隨之開始上升，大約在40 s后動力電池單體電壓最低值也出現(xiàn)了異常下降，直到降至0.5 V以下時(shí)才穩(wěn)定下來，此時(shí)電池最高溫度達(dá)到50 ℃，并在短時(shí)間的穩(wěn)定后繼續(xù)往上增加。

圖4 電池C多參數(shù)全生命周期數(shù)據(jù)分析

5）BMS控制策略針對性分析

分析全生命周期數(shù)據(jù)在BMS控制策略中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，主要方法是通過對比實(shí)際數(shù)據(jù)與控制策略的符合程度，判斷新能源汽車的充放電電流、充電高壓過流是否存在失控風(fēng)險(xiǎn)。例如，對新能源汽車D的BMS控制策略分析，其技術(shù)協(xié)議對恒流充電電流要求，在0 ℃以下不允許充電，但實(shí)際在該新能源汽車的全生命周期數(shù)據(jù)分析過程中，發(fā)現(xiàn)該汽車在（-5～0）℃期間有實(shí)際的充電情況（圖5）。當(dāng)新能源汽車頻繁處于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求的充電電流、充電溫度范圍外進(jìn)行充電行為時(shí)，過量的充電將會導(dǎo)致電池進(jìn)一步發(fā)生析鋰現(xiàn)象，在電池內(nèi)部累積產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶在與電解液反應(yīng)過程中產(chǎn)生Li2CO3、LiF等非導(dǎo)電離子，從而加大了局部區(qū)域的電阻，在長時(shí)間的積累下高電阻區(qū)可能發(fā)生熱聚集，灼穿電池隔膜，從而導(dǎo)致動力電池發(fā)生熱失控。

圖5 新能源汽車D溫度、電壓數(shù)據(jù)隨時(shí)域變化圖

3 電池?zé)崮苁Э氐姆治雠c應(yīng)對

在以上數(shù)據(jù)研究中，最高/最低單體電壓與壓差分析中發(fā)現(xiàn)電池在發(fā)生事故之前最后時(shí)刻壓差會出現(xiàn)急劇增大情況，高達(dá)1.392 V，同時(shí)也會出現(xiàn)最低電壓，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)熱失控；同時(shí)關(guān)于最高/最低溫度及溫差分析中發(fā)現(xiàn)，如果是在正常環(huán)境下，單體電池最高溫度在50 ℃，最低約為10 ℃，溫差較為恒定，如果單體和附近電池溫度出現(xiàn)上升趨勢，溫差逐漸加大，如在10 ℃，單體溫度出現(xiàn)急劇上升，則存在有熱失控風(fēng)險(xiǎn)。針對此情況下可以加大對單體電池電壓監(jiān)控，以此實(shí)現(xiàn)對熱失控事故的預(yù)防；在動力電池絕緣電阻研究中，發(fā)現(xiàn)汽車充放電導(dǎo)致電池絕緣電阻在兩個端值間出現(xiàn)變化，通常是在（1 000～10 000）kΩ，如果最低絕緣阻值在100 kΩ以下，可能會出現(xiàn)失控風(fēng)險(xiǎn)；在多參數(shù)時(shí)域內(nèi)共同演化分析中發(fā)現(xiàn)，如果絕緣阻值出現(xiàn)急劇下降，電池傳感器溫度也有所上升，也就會導(dǎo)致電池單體電壓最低值出現(xiàn)一定降低，此情況下可能會引發(fā)事故；在BMS控制策略針對性分析中發(fā)現(xiàn)，新能源汽車頻繁處于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求的充電電流、充電溫度范圍外進(jìn)行充電行為時(shí)，過量的充電會引發(fā)電池出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，在鋰枝晶在與電解液反應(yīng)過程中產(chǎn)生Li2CO3、LiF等非導(dǎo)電離子，對于電池內(nèi)部電阻有所加大，長此以往容易出現(xiàn)高電阻區(qū)可能發(fā)生熱聚集，提高了電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。針對此問題，應(yīng)該盡量減少電池過量充電行為，加大電池安全保護(hù)，進(jìn)而減少熱失控事故發(fā)生幾率。

針對電池?zé)崮苁Э貑栴}，可以采用以下方式實(shí)施預(yù)防和應(yīng)對，具體為：第一，設(shè)置安全閥，同時(shí)也需要嚴(yán)格把控安全閥壓力值范圍；第二，安裝熱敏電阻，以免出現(xiàn)電池過充或者短路問題；第三，實(shí)現(xiàn)BMS精確熱管理，電池使用中也可以積極采用水冷、風(fēng)冷等實(shí)施電池降溫；第四，在電解液中適當(dāng)添加添加劑，以能夠有效降低電解液的可燃性；第五，提升SEI成膜質(zhì)量，比如可以適當(dāng)?shù)脑陔娊庖褐刑砑覮iCF3SO3等，以能夠進(jìn)一步提升SEI中的無機(jī)成分；第六，阻止正極材料和電解液發(fā)生反應(yīng)，比如可以在電解液中使用添加劑或者采用材料實(shí)施正極材料包覆；第七，提升隔膜熔點(diǎn)，比如可以在隔膜兩側(cè)涂陶瓷層；第八，提高新能源電池使用規(guī)范性，減小或杜絕過充、過放電等人為因素影響。

總結(jié)：在新能源汽車電池發(fā)展中，目前更加注重高能量密度電池研發(fā)，但是提升電池能量密度主要受到安全問題的限制，頻繁發(fā)生的電池安全問題也進(jìn)一步提高了人們對于安全問題的重視。以上針對新能源電池?zé)崾Э叵嚓P(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施了分析，并提出了相應(yīng)的熱失控預(yù)防策略，以能夠?yàn)樾履茉雌囯姵匕踩珣?yīng)用提供相關(guān)建議。