摘? 要：基于電動汽車動力電池各類起火燃燒的故障現象，查找電動汽車在各種使用工況中產生動力電池熱失控的誘因，結合動力電池結構特點與鋰離子電池鋰枝晶產生因素，針對各類引發(fā)動力電池熱失控的誘因進行故障診斷分析，通過故障產生機理提出預防措施優(yōu)化電動汽車使用方法，提出一套合理有效的電動汽車使用方案，推薦電動汽車柔和駕駛和安全駕駛，提高駕駛員和乘坐員的安全防患意識，減少或避免各類誘因引起動力電池熱失控，提高電動汽車使用的安全性和可靠性。

關鍵詞：動力電池；鋰枝晶；熱失控；故障診斷；機械碰撞

中圖分類號：U463.3? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）02-0048-08

Research on Thermal Runaway Fault Diagnosis of Electric Vehicle Power Battery

YU Zhi-xiang

（Experimental and Occupational Skills Management Center， Jiangsu Institute of Architectural Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： Based on all kinds of failure phenomena of electric vehicle power battery burning， find out the inducements of electric vehicle thermal runaway of power battery under various operating conditions. In combination with the structural characteristics of power battery and the factors causing lithium dendrite of lithium ion battery， carry out fault diagnosis and analysis on all kinds of inducements causing thermal runaway of power battery， and propose preventive measures to optimize the use of electric vehicle through the failure generation mechanism， Propose a reasonable and effective use plan for electric vehicles， recommend soft driving and safe driving of electric vehicles， improve the safety awareness of drivers and passengers， reduce or avoid various incentives to cause thermal runaway of power batteries， and improve the safety and reliability of electric vehicles.

Key Word： Power Battery; Lithium Dendrites; Thermal Runaway; Fault Diagnosis; Mechanical Collision

于秩祥

現就職于江蘇建筑職業(yè)技術學院，任職業(yè)技能管理科科長，職業(yè)技能等級評價中心主任，高級實驗師，主要從事汽車動力系統檢測研究，汽車結構優(yōu)化改進、新能源汽車技術、汽車節(jié)能減排技術等方面的研究，現發(fā)表論文28篇。

引? ? 言

目前，根據公安部數據顯示，截至2022年6月底，國內新能源汽車的保有量已經突破了1000萬輛大關，達到了1001萬輛，占汽車總量的3.23%。其中，純電動汽車保有量810.4萬輛，占新能源汽車總量的80.93%[1]。根據國家應急管理部消防救援局公布數據，2022年第一季度，國內接報的新能源汽車火災共計有640起，同比上升了32%，整體上升幅度較高，而且高于交通工具火災8.8%的平均增幅[2]。電動汽車保量的不斷增加導致在使用過程中動力電池出現熱失控發(fā)生自燃事故。電動汽車自燃主要發(fā)生在使用過程的各個環(huán)節(jié)中，有行駛過程中自燃，充電過程中自燃，停置時自燃，高溫下自燃，發(fā)生碰撞事故后自燃[3]。但對于電動車來說，并不是每一次的自燃，我們都能找到準確的原因。電動汽車自然都是在各種誘因下從動力電池內部單體理離子電池熱失控后，從內部發(fā)生劇烈化學反應產生大量熱量，伴隨著噴射、泄氣和爆炸等現象快速引起整塊動力電池起火燃燒[4-5]。因為無法知曉確定原因，且不知道什么時候會發(fā)生，所以很難完全避免。隨著電動汽車保有量不斷增加，部分電動汽車使用年限和里程增大，引起自燃頻發(fā)及起火原因的不確定性或導致電動汽車使用安全性下降，本文通過研究電動汽車動力電池熱失控故障現象，對引發(fā)熱失控的誘因進行預防診斷分析。

1? ? 動力電池類型特點

電動汽車動力電池主要為磷酸鐵鋰動力電池和三元鋰動力電池，在單位容量相同的兩種電池性能比較見表1所示。磷酸鐵鋰動力電池是采用磷酸鐵鋰作為正極材料，從化學層面來說，磷酸鐵鋰中的磷酸鐵鋰晶體P-O鍵非常穩(wěn)固，難以分解，因此表現出的化學特性就是在高溫下不會崩塌，也就是不容易燃燒，因此使用的安全性較高[6]。它的優(yōu)點是在高溫條件下或過充電時安全性非常高，缺點是在低溫條件下（氣溫低于-10℃以下），衰減得非?？?，經過不到100次充放電循環(huán)，電池容量將下降到初始容量的20%。磷酸鐵鋰電池熱失控反應沒有三元鋰離子電池劇烈，主要是因為其正極材料分解溫度在500℃以上，熱失控溫度相比三元鋰離子電池更高，其熱失控風險相對較低。此外，磷酸鐵鋰電池正極分解（觸發(fā)熱失控的一個主因）時產生的氧氣量較少，限制了電池內部壓力增加（限制了電池外殼鼓漲）及溫度升高，這一方面能夠避免電池內部壓力過大發(fā)生爆炸，另一方面也一定程度地限制了易燃電解液發(fā)生燃燒的可能性。磷酸鐵鋰電池在熱失控中，其升溫速率相比三元鋰離子電池要低得多，在安全穩(wěn)定性上磷酸鐵鋰電池占有很大優(yōu)勢。

三元鋰電池是采用鎳鈷錳酸鋰（NCM）或鎳鈷鋁酸鋰（NCA）三元正極材料的鋰電池，把鎳鹽、鈷鹽、錳鹽作為三種不同的成分比例進行不同的調整[7-8]。電動汽車動力電池提升正極、負極、電解液、隔膜的熱穩(wěn)定性是有一定的技術瓶頸，特別是在滿足當前電動汽車高續(xù)航里程狀態(tài)下，三元鋰離子電池高鎳，低鈷，無鈷的比例下，電池鎳含量高容量大，低鈷無鈷電池低穩(wěn)定性，導致正極材料的熱穩(wěn)定性極差，當電池遇到高溫、外力等沖擊時，更容易引發(fā)熱失控。三元鋰動力電池，如果長時間放置，沒有充放電的話，電池自身的容量也會受到影響，這是因為三元材料屬于人工合成的化學物質，它自身的化學鍵并不穩(wěn)固，如果長時間放置，自身就會發(fā)生一定的化學反應，導致容量下降。

目前電動汽車動力電池基本為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，如圖1所示2019年—2022年裝機量對比，其中三元鋰電池在容量、能量密度上都有優(yōu)勢，能夠帶來更長的續(xù)航里程，只要使用控制得當，它的優(yōu)勢能夠掩蓋它的劣勢；磷酸鐵鋰電池安全穩(wěn)定性上要好于三元鋰電池裝機量在2022年已經超越三元鋰電池。

2? ? 電動汽車動力電池熱失控

2.1? ?電池內部鋰枝晶的產生

動力電池熱失控風險最大的是鋰枝晶副作用，鋰枝晶在負極產生之后，會繼續(xù)不均勻生長下去，變得更長、更粗、更尖。液態(tài)電解質的鋰離子電池在首次充放電時，電極材料和電解液在固液相界面上發(fā)生很復雜的反應，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層，即固體電解質界面SEI（Solid Electrolyte Interphase）膜，其中負極上的SEI膜對電池的影響更大[9]。這層SEI膜具有有機溶劑不溶性，是電子絕緣體所以e-過不了，同時是良好的離子導體所以鋰離子很愉快地過去了。當鋰離子在負極表面不均勻沉積就會成為鋰枝晶的反動小團體（析鋰效應 Li Plating 造成的鋰轉化 Conversion），最可怕的是它還會繼續(xù)不均勻生長下去，變得更長、更粗、更尖[10]。當鋰枝晶長到一定程度，就會靠近負極部位溶解，鋰枝晶脫離電極，成為失去電化學活性的“死鋰”，導致電池容量降低，電池容量降低后，電池充電變得頻繁[11]。如圖2所示，在負極表面的鋰枝晶生長得過粗過長，朝著正極方向刺破了絕緣的SEI膜，導致電池內部短路。在負極表面的鋰枝晶生長得很小，且底部與負極接觸的位置崩塌了；亦是大型鋰枝晶的頂部出現了鹿角狀的小枝晶且斷裂脫離。這兩種小小的鋰枝晶脫離負極（與大枝晶）的固定，透過SEI膜進入電解質中到處晃悠，導致電池內部短路。頻繁充電導致這些鋰枝晶還會刺破電池SEI隔膜，內部絕緣狀態(tài)被打破，內部短路，導致自燃。

目前生產的電動汽車動力電池都有鋰枝晶產生，鋰枝晶依然會引起熱失控，這是鋰離子電池與生俱來的副作用，鋰枝晶生長的速度與離子偏移速度正相關，所以快充更容易生成鋰枝晶，電池循環(huán)次數多則有更多鋰枝晶，圖1所示三元鋰電池的裝機量較多的電動汽車經過幾年使用更容易自燃。暫時未有徹底的解決方案，只能以預防為主，有效控制，盡量避免動力電池熱失控引起的自燃。

2.2? ?電池熱失控過程

動力電池熱失控是指電池在放熱過程中，電池的自溫升速急劇變化，電池的溫度急劇升高，所造成的過熱、起火、爆炸等現象[12]。由于熱失控是一個逐漸反應的過程，因此理論上是可以進行監(jiān)控，甚至是預警。電動汽車動力電池在使用過程中，需要大倍率充放電工況和惡劣的熱環(huán)境中，導致充放電過程中生成的熱量大量聚集，電池溫度上升明顯。電動汽車動力電池正常工作溫度在20～50℃之間，當溫度超過100℃時，高溫會觸發(fā)電池內部一系列副反應導致電池溫度快速上升。如圖3所示在熱積累階段，如果能夠及時發(fā)現電池異常，這時電池的電池管理系統BMS和冷卻系統會對電池進行電流控制和冷卻散熱，避免電池過熱導致內部產生一系列副反應。如果電動汽車動力電池在充放電過程中溫度控制不好，導致電池溫度快速上升，而上升的溫度反過來又會進一步加劇電池內部副反應生熱，進入到熱失控階段，電芯的燃燒便很難控制，以三元鋰動力電池為例，燃燒溫度會迅速從200℃上升到1000℃以上，最后電芯引燃整個動力電池最終導致電動汽車自燃。

3? ? 動力電池熱失控誘因

電動汽車自燃事故大多數是由于動力電池組發(fā)生了熱失控導致的，而熱失控是動力電池組產生的故障現象，而并非是故障的真正原因。電動汽車自燃是偶發(fā)性的，起火后短時間內就可以劇烈燃燒，燃燒后車輛損毀嚴重，因此很多電動汽車自燃事故，最后很難查找自燃故障原因。在電動汽車自燃之前，電池組內部仍會出現一些細微的變化。如圖4所示從目前已知的引發(fā)熱失控的原因來看，分為外部原因和內部原因。外部原因如電動汽車碰撞（動力電池包受到擠壓）、電動汽車浸水（動力電池包長時間浸泡在水中）、電動汽車電池冷卻系統失效和長時間高溫或低溫環(huán)境工況運行等；內部原因如電池的過充電、過放電、電池老化、鋰枝晶等。一般情況下都是外部故障原因引發(fā)內部故障原因，尤其是個別單體電池故障導致電池包故障最后導致電池熱失控。

3.1? ?溫度對動力電池的影響

電動汽車采用的高能量密度的鋰電池內的電解液屬于易燃物，電解液主要成分為碳酸酯，它的閃電點低，沸點也低，在高溫條件下，很容易被引燃，釋放大量氣體和熱量，同時三元材料會析出氧氣，這就意味著即便將三元鋰電池放置在一個完全隔絕氧氣的真空環(huán)境中，一旦出現異常高溫，電池引發(fā)自燃，電池內壓便會急劇上升而引起爆炸，而且靠目前的技術手段（與氧氣隔絕）很難將其撲滅，一旦起火后燃燒速度非常快[13]。

低溫狀態(tài)時鋰離子電池的正負極材料活性降低，電解液導電能力也受到影響。鋰離子電池工作時，電流流過電池內部會受到阻力，形成電池內阻。內阻增大會產生大量焦耳熱引起電池溫度升高。實驗表明環(huán)境0℃以下時，溫度每下降10℃，內阻約增大15%，導致電池容量下降。另外在低溫環(huán)境下，電池內部的鋰離子會析出成為金屬態(tài)，一方面導致電池容量減少，另一方面析出的金屬態(tài)鋰會聚集鍍在電芯負極表面形成鋰枝晶。一旦枝晶刺破隔膜連接電池的正負極，就會導致短路產生危險，引發(fā)電池熱失控。

3.2? ?充放電對動力電池的影響

動力電池的充放電電流都會導致鋰離子的快速移動，過大的充電電流讓鋰離子快速脫離晶格，會對結構穩(wěn)定性造成沖擊，想要快速嵌入陽極，擴散速率跟不上，則會出現鋰單質在陽極表面沉積；過大的放電電流會讓大量鋰離子短時間通過SEI膜，可能造成膜層結構的大規(guī)模破損[14]，所以過大的電流會讓電池快速老化。

電動汽車動力電池雖然具備快速充電功能，頻繁快速充電也會加速電池熱失控風險。動力電池快充之所以快，就是強行使鋰離子快速從正極嵌出并嵌入負極，增大鋰離子的流量與速度。鋰電池快速充會影響SEI的穩(wěn)定性，還會在短時間內帶來比較大的發(fā)熱量，發(fā)熱也不均勻?？斐鋾欢ǔ潭壬辖档蛶靷愋?，也即是放電效率，對于正極而言就是放電容量/充電容量（嵌鋰容量/脫鋰容量）。有些電池首次放電時的庫倫效率會高于100%，但隨著SEI膜的形成，便會降低到100%以下，并隨著循環(huán)增加而慢慢降低比例，活性越來越弱。

鋰電池的過充電會引起熱失控，電池過熱它會導致正極活性物質結構的不可逆變化及電解液的分解，同時過充還會產生大量有氣體，放出大量的熱。另外。鋰離子會堆積于負極材料表面形成金屬鋰，并由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶，形成的金屬鋰枝晶會穿破隔膜使正負極短路從而引發(fā)電池熱失控[15] 。

目前電動汽車的動力電池包，已經能夠支持2C充電倍率（充電倍率=充電電流/電池額定容量），通過電解液添加劑、各向同性石墨、石墨烯等材料的使用，可以一定程度上提升電池材料的電導率，改善高電壓下三元材料的穩(wěn)定性。但這些方案并不能從根本上避免副反應的發(fā)生，如果想要實現4C甚至6C充電倍率的超快充，還需要在電池材料、高控制精度的電池BMS管理系統等方面實現突破，不然容易造成過充電引發(fā)電池熱失控。

3.3? ?動力電池管理系統的影響

動力電池管理系統（Battery-Management-System，BMS）不夠完善，沒有及時監(jiān)控到電池組的問題并采取措施，導致了問題的發(fā)生。BMS監(jiān)測的是電池外部溫度，對于電池內部發(fā)生的問題很難做到提前發(fā)現，BMS可以監(jiān)測整個電池組，包括電池的電壓、電流，以及部分電池的溫度，防止過充或過放，確保電池組的健康工作。隨著動力電池的使用造成動力電池衰減，而衰減狀態(tài)（State-Of-Health，SOH）指標量化[16]，健康SOH指電池的劣化程度，對外表現為可用容量減少，以容量為指標SOH計算公式為：

式中：Qnow為當前電池的最大容量；Qnew為新電池的額定容量。

電動汽車SOH的精確計算是電動汽車動力電池使用中至關重要的環(huán)節(jié)，當電動汽車動力電池Qnow衰減至額定容量80%時，即認定為動力電池無法在電動汽車上使用。受動力電池內部管理系統控制，對SOH的錯誤估算很容易造成電池的過度放電或過度充電的情況，從而嚴重影響動力電池使用壽命。

另一方面，BMS控制檢測動力電池每一顆電芯的容量，避免動力電池過度放電，保證每一顆電池荷電狀態(tài)（State-of-charge，SOC）[17]，即電池剩余可用電量，通過計算分析合理估算SOC，充分發(fā)揮電池能力和提高安全性兩個角度對電池進行高效管理，計算公式為：

式中：Qremain為電池中剩余的電池電荷容量；Qdischargred為最近一次充滿電后電池中已經放掉的電荷量。

BMS對SOH和SOC進行精確計算可以有效反映出電動汽車動力電池的電量和健康狀態(tài)，受使用和外界各類因素影響，主要是環(huán)境溫度、充放電倍率和放電深度等多個因素相互耦合作用對動力電池內鋰離子電池組SOH和SOC的變化均有影響，使得鋰離子電池組的SOH和SOC的精確估算變得十分不易，而當前的充電倍率和放電深度是車載BMS通過當前電池的溫度、SOH、SOC等狀態(tài)決定的[18]。BMS實時監(jiān)控動力電池溫度、電壓和電流等參數，通過CAN總線把參數反饋給電動汽車控制系統，實時調節(jié)動力電池在最佳狀態(tài)下運轉工作，一旦BMS出現故障，尤其CAN通信傳輸故障，就無法監(jiān)控動力電池狀態(tài)，不能夠對動力電池SOH和SOC進行精確計算，導致電池過充、過放和溫度控制不精確，給動力電池運行埋下隱患，長時間故障不能排除就會引發(fā)動力電池熱失控，BMS具有極高重要性，直接影響電池續(xù)航里程和使用壽命，也是保證電池甚至整車安全的關鍵。見表3所示，BMS是保證動力電池安全運行的重要保障，合理優(yōu)化BMS能減少和避免動力電池在使用過程中出現熱失效現象。

3.4? ?電動汽車機械碰撞的影響

電動汽車動力電池一般由數個電池模塊組成，電池模塊內又單個或數個鋰離子電池組成，若干個鋰離子電池組成一個模組，加上冷卻、電路、電池控制等部件，就構成了一個完整的動力電池包，最終動力電池包會以一個總成的身份被裝上車。如圖5所示。動力電池包要通過電池管理系統和冷卻系統，保證每一顆鋰離子電池在正常的工作溫度下充放電，以及在極端環(huán)境溫度（高溫和低溫）下不會出現性能衰減。電池包內部還有多個溫度傳感器和煙霧傳感器，溫度傳感器會實時監(jiān)測電芯的溫度，煙霧傳感器能夠敏銳感知電池包內部因為高溫而產生的煙霧。當傳感器感知到異常數據時，會限制電池功率輸出，并向駕駛員發(fā)出警報，避免熱失控的發(fā)生。另外還要保證在極端碰撞下避免電池受到擠壓變形。

如圖6所示，電動汽車車身正面和測面碰撞受力圖，碰撞能量分散到車身各部位，正面碰撞中電動車前部可以吸收大部分能量，減少能量向車底動力電池包傳遞；側面碰撞車身無法吸收大量的能量和形變，大量能量傳遞給車身底部動力包，就會讓動力電池包的承受巨大形變壓力，電池受到變形引發(fā)電池破碎或者泄露。正面碰撞會損壞動力電池BMS和電池冷卻系統，將導致電池瞬間不受控制，引發(fā)電池熱失控。電動汽車行駛速度越高，瞬間碰撞速度越大越能引起動力電池自燃風險。電動汽車為滿足低能耗需求，車身設計都才用低風險系數的流線型外形，尤其底盤最小離地間隙都很小，動力電池包平整的安裝在底盤下部，保證最佳空氣動力學性能。由于過小的底盤離地間隙，在行駛時底盤難免會受到剮蹭或機械碰撞導致動力電池包出現變形擠壓內部單體電池引發(fā)熱失控的誘因。

電動汽車在發(fā)生碰撞的時候，由于碰撞車速較低或碰撞后未傷及動力電池包外表，但巨大慣性加速度可能已經損傷動力電池包內的單體電池，在后續(xù)使用中很可能變成電池熱失控的誘因，對這類電動汽車應該做系統的故障診斷與排除。電動汽車較高車速碰撞后，車身結構、BMS和零部件總成破損，會導致電池BMS和電池冷卻系統瞬間失效，激發(fā)動力電池熱失控，電動汽車碰撞后自燃事故機率較大。電動汽車在行駛過程中，會受到來自路面不平引起顛簸，可能導致內部電池連接組件松動故障，造成電池系統的機械濫用而觸發(fā)電池內短路，導致電池接觸內阻增加，若故障未能及時監(jiān)測排除，過高的電阻將引發(fā)局部高溫，溫度不斷積累出現過熱后，會引發(fā)附件單體內部發(fā)生副反應，導致電池內部發(fā)生活性物質不可逆反應，同樣當溫度不能有效擴散，導致電池內隔膜熔融，電解液分解后會引起電池熱失控，導致自燃事故。

5? ? 動力電池優(yōu)化措施

電動汽車動力電池的故障原因可能是多方面的、多系統、多因素的，屬于診斷與檢測難度較大的工作，對動力電池熱失控的誘因是很難預判的，只能通過預防和改進技術來減少或避免熱失控的發(fā)生，如表4所示，根據電動汽車動力電池結構和特點列舉改進和優(yōu)化措施。

冷熱散熱 BMS實時監(jiān)控，發(fā)現溫度異常時，立即啟動電池速冷系統為電池降溫 云端監(jiān)控，熱別到電池熱失控后，可快速開啟冷卻系統抑制熱擴散，冷卻液可采用滅火阻燃液體。

通路設計 在定向排爆出口設置多層不對稱蜂窩通道，保持包內壓力始終高于包外，避免氧氣吸入并實現自動滅火。 通過燃燒模型、熱流體力學、沖擊強度和壓力計算，可實現氣流在通道內的均勻分布和迅速排除。

6? ? 電動汽車安全駕駛

電動汽車動力性好，加速時間短，超控簡單，有較強的推背感覺，車身外形才用低風阻流線設計，各項性能參數能達到跑車級別。由于電動汽車加速快，存在駕駛欲望，在駕駛過程中應嚴格遵守交通法規(guī)，避免超速駕駛，尤其復雜市區(qū)路況，一旦造成電動汽車碰撞引發(fā)動力電池熱失控自燃，后果不堪設想。國家標準《GB38031-2020電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》當中有多達22項測試，涉及電芯、模組、電池包三大試驗對象，涵蓋機械沖擊類、環(huán)境類、過充過放等測試項目，在附錄C中C.1要求鋰離子電池包或系統在由于單個電池熱失控引起熱擴散，進而導致乘員發(fā)生危險之間5min，應提供一個預先警告信號（服務于整車熱事故報警），提醒乘員疏散[19]。但電動汽車行駛過程中發(fā)生的各類碰撞交通事故種類太多，尤其是電動汽車高速行駛發(fā)生碰撞事故后動力電池存在熱失控自燃機率較大，并且起火燃燒劇烈，幾分鐘就會燃燒整個車輛，發(fā)生事故后應立即逃離車輛或第一時間撥打救援電話和尋找救援幫助。由于電動汽車操控簡單，對于駕駛者不熟練或誤操作也容易造成汽車碰撞引發(fā)動力電池熱失控自燃。所以，對駕駛電動汽車駕駛者和乘員應有較強的安全防患意識，提倡文明駕駛和安全出行。

7? ? 結論

（1）利用故障分析方法查找了電動汽車動力電池因熱失控導致起火的各類誘因，針對各類引發(fā)熱失控的故障現象進行系統分析，得出鋰枝晶生長的速度與鋰離子偏移速度正相關，在電動汽車使用過程中快充、高溫、過放電更容易生成鋰枝晶，鋰枝晶是動力電池熱失控的主要故障產生原因。

（2）通過引發(fā)動力電池的熱失控導致動力電池起火的原因，提出動力電池在使用過程存在的各種安全隱患，通過故障診斷分析對電動汽車動力電池在使用過程中的隱患進行排除，優(yōu)化電動汽車駕駛、充電和使用環(huán)境下的合理安全方案，有效提升電動汽車的使用安全性和可靠性。

（3）電動汽車動力電池在各種工況下存在熱失控自燃機率，在駕駛和使用過程中，應建立防患意識，尤其電動汽車發(fā)生碰撞事故后，應迅速離開車輛，避免造成人身傷害。

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專家推薦語

吳杰余

東風汽車集團有限公司技術中心

新能源汽車總師? 研究員級高級工程師

如何避免電動汽車動力電池熱失控，是當前的熱門話題，本文基于電池內部鋰枝晶的形成過程和熱失控發(fā)展過程，分析其誘因，提出熱失控故障診斷的思路，值得借鑒。