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電動(dòng)汽車電池安全事故分析與研究現(xiàn)狀

2020-06-22 22:52:48·  來源：《電動(dòng)汽車電池安全事故分析與研究現(xiàn)狀》  
　
0 前言本文對(duì)近五年來國內(nèi)外主要的電動(dòng)汽車的電池安全事故進(jìn)行了深入統(tǒng)計(jì)，歸納總結(jié)了電池起火、爆炸的起因，對(duì)幾種主要的事故起因背后的故障特征和熱失控觸發(fā)機(jī)
0  前言

本文對(duì)近五年來國內(nèi)外主要的電動(dòng)汽車的電池安全事故進(jìn)行了深入統(tǒng)計(jì)，歸納總結(jié)了電池起火、爆炸的起因，對(duì)幾種主要的事故起因背后的故障特征和熱失控觸發(fā)機(jī)理進(jìn)行了探究，進(jìn)一步地，綜述了當(dāng)前國內(nèi)外主要團(tuán)隊(duì)在電池安全方面的研究現(xiàn)狀及成果，最后對(duì)動(dòng)力電池故障診斷及安全管理等的研究趨勢(shì)及思路進(jìn)行了幾點(diǎn)探討，為電池?zé)崾Э卦\斷及防控的進(jìn)一步研究提供一定的思路。

1  電動(dòng)汽車起火事件分析

1.1  近五年電動(dòng)汽車起火事件統(tǒng)計(jì)
 
 
 
 
 
 
近年來電池安全事故頻發(fā)，表1～6詳細(xì)地統(tǒng)計(jì)了自2014年至2019年上半年全球主要的電動(dòng)汽車起火事件(數(shù)字來源互聯(lián)網(wǎng)，僅列舉了引起較大社會(huì)關(guān)注的嚴(yán)重事故，實(shí)際電動(dòng)汽車起火事件數(shù)量比統(tǒng)計(jì)結(jié)果多，例如2019年5～8月，新能源汽車自燃事故高達(dá)79起)。
2014年一共發(fā)生了6起電動(dòng)汽車起火事件，當(dāng)時(shí)還并未引起人們的足夠重視，到2015年，電動(dòng)汽車起火事件增加到了11起，幾乎每個(gè)月都有安全事故發(fā)生，這兩年間，事故車輛以純電動(dòng)汽車為主，起因主要是動(dòng)力電池的自燃。2016年電動(dòng)汽車起火事件開始大量增加，不僅涉及許多國產(chǎn)品牌汽車，一些國際知名汽車品牌，例如特斯拉，也頻頻發(fā)生起火事件，同年一起三星Note7手機(jī)電池起火引發(fā)西南航空公司客機(jī)火災(zāi)的事故，一時(shí)間電池安全引起了極大關(guān)注。2017、2018年相繼發(fā)生了18起與25起電動(dòng)汽車事故，到2019年，僅上半年就接連發(fā)生了12起嚴(yán)重汽車安全事故，可以看出，電池安全問題仍未得到很好解決。
 
圖1所示為部分典型的電動(dòng)汽車起火事故現(xiàn)場照片。其中，事故一為我國首例因?yàn)檫^充電而引發(fā)的電池起火，事故勘驗(yàn)顯示發(fā)生故障的純電動(dòng)大巴車過充電長達(dá)72min，造成動(dòng)力電池電解液泄漏引發(fā)短路并最終導(dǎo)致火災(zāi)；

事故二為挪威耶爾斯塔一輛電動(dòng)汽車充電時(shí)發(fā)生的火災(zāi)，這起事故的起因是充電設(shè)備故障引發(fā)電池起火，由于無法用水來撲滅，消防人員只能任由汽車燒毀；

事故三為首例由于浸水造成汽車起火的案例，原因是電池箱浸水后引發(fā)了電池的外部短路；

事故四與事故五為兩起因碰撞而引發(fā)的起火事件，其中事故四為廣州一輛電動(dòng)汽車發(fā)生輕微碰撞事故后起火爆炸，碰撞過程中兩車均無明顯受損，但是隨后很快冒起濃煙并伴隨著多次爆炸聲，而事故五為一起猛烈的車禍，電動(dòng)汽車在撞上隔離帶后翻轉(zhuǎn)并迅速起火，原因是猛烈沖擊引發(fā)了電池短路，這兩起事故明確表明在汽車碰撞過程中極易引發(fā)電池起火；

事故六為一起連環(huán)起火事故，共波及電動(dòng)大巴80余輛，是截止目前全球最大規(guī)模的電池起火事故，事故的起因是外部燃燒波及停車場造成；

事故七為上海一輛純電動(dòng)汽車在停車狀態(tài)下發(fā)生自燃，事故八為2019年某電動(dòng)汽車在服務(wù)中心維修時(shí)起火，起因是該車送修之前曾受撞擊導(dǎo)致電池箱變形，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，最終引發(fā)電池起火。

1.2  電池起火起因分析

上述統(tǒng)計(jì)可知，電動(dòng)汽車起火事故具有易觸發(fā)、多誘因、潛伏性強(qiáng)的特點(diǎn)，不經(jīng)意的小事件可能引發(fā)慘重的后果，起火過程有時(shí)是迅速的，也可能會(huì)在誘因發(fā)生的數(shù)個(gè)小時(shí)之后才突然起火。為了更好地分析其事故根源，對(duì)近五年電動(dòng)汽車起火事件的歷年起因分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。從起火原因上看，2014～2015兩年間的電動(dòng)汽車起火大部分源自于電池的自燃，而自2016年開始電動(dòng)汽車起火的根源變得更加復(fù)雜和多樣化，除電池自燃外，汽車碰撞、設(shè)備故障、充電、線纜老化、零部件短路、浸水以及人為操作因素均占了一定的比例。

 
 
 
圖3給出了2014～2019年上半年的整體數(shù)據(jù)分布。從整體上看，電池自燃仍然是電動(dòng)汽車起火事件的最大根源，占比38%，其中包括行駛過程中的電池自燃(22%)與停置時(shí)的電池自燃(16%)，值得注意的是，2014～2015年的電池自燃事故大部分在車輛行駛狀態(tài)下，但是自2016年起，車輛停置時(shí)自燃的事故比例在逐年上升，尤其在2019年最新發(fā)生的電動(dòng)汽車起火事故中，有41%的事故是由車輛在停車場中停置時(shí)的電池自燃而引發(fā)，占據(jù)了相當(dāng)高的比例。

車輛停置狀態(tài)下的自燃顛覆了人們對(duì)汽車安全的常規(guī)認(rèn)識(shí)，也為電池安全管理提出了更高的要求，不僅在運(yùn)行過程中、在斷電狀態(tài)下也要對(duì)電池進(jìn)行有效監(jiān)管與防護(hù)。引發(fā)電池自燃的根本原因是內(nèi)部短路，加工制備時(shí)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，它們會(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。

充電過程的起火事故位居第二，占了20%的比例，其中14%為正常充電過程中的起火，5%為充電設(shè)備故障引起，1%為電池直接過充電引發(fā)?？梢钥闯觯３潆娺^程中引發(fā)的電池起火事故的比例在逐年上升，2019年上半年發(fā)生的起火事件中就有四分之一是由電池充電引發(fā)的。即使是手機(jī)充電寶等小型移動(dòng)設(shè)備，充電安全也一直是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，盡管電池充電安全問題已經(jīng)引起了很高的重視，但是隨著電動(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，是非常重要的問題。

除充電之外，汽車碰撞引發(fā)電池起火的事故占據(jù)了很高的比例，位居第三。車輛碰撞時(shí)會(huì)給電池帶來猛烈的沖擊，極易導(dǎo)致電池組結(jié)構(gòu)受損引發(fā)短路。電動(dòng)汽車電池箱的設(shè)計(jì)要滿足通風(fēng)散熱、絕緣防水等復(fù)雜功能，如果同時(shí)還要具備防撞、吸能等功能，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。因此需要在電池安全研究中給予更高的重視，車輛碰撞引發(fā)電池起火的本質(zhì)是電池短路，但是這與正常情況下的電氣短路又存在很大區(qū)別，現(xiàn)有的電池安全研究成果難以直接適用。

圖1中的“事故八”即為一起典型案例，汽車碰撞如果波及到電池箱，猛烈的撞擊極易引發(fā)箱體變形導(dǎo)致電池組中的電池異常連接，發(fā)生外部短路，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，一旦遭遇明火便會(huì)立刻起火。

 
此外，零部件/線纜的老化、電池箱浸水等引發(fā)電池起火的事故也占有一定的比例，這些故障的本質(zhì)線纜老化剝落、浸水等導(dǎo)致電池非正常搭連引發(fā)了局部外部短路。電動(dòng)汽車起火事件在各個(gè)月份的分布情況如圖4所示?？梢钥闯觯?2月數(shù)量略少之外，其余每個(gè)月份都有超過4起的嚴(yán)重起火事故發(fā)生，兩個(gè)高峰期出現(xiàn)在5～6月和11月，表明電動(dòng)汽車的起火事件在全氣候條件下均易發(fā)生，“高溫炎熱的夏天更易引發(fā)電池起火”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)對(duì)于電動(dòng)汽車而言并不正確，這主要是因?yàn)殡妱?dòng)汽車電池起火的誘因過于復(fù)雜且多樣化，淡化了“高溫”單一誘因的作用，另外現(xiàn)代電動(dòng)汽車普遍配置的熱管理系統(tǒng)使動(dòng)力電池不太容易因?yàn)閱我坏臒釣E用而觸發(fā)熱失控。解決電池安全問題必須從更為復(fù)雜的角度對(duì)其誘因加以深度思考與全面分析。

2  電池失效機(jī)理分析
 
電動(dòng)汽車起火事故最主要的三大起因是電池的自燃、充電和汽車碰撞，而這些起因所對(duì)應(yīng)的內(nèi)部機(jī)理是電池的內(nèi)部短路、外部短路與過充電等故障及其進(jìn)一步引發(fā)的熱失控。熱失控的觸發(fā)誘因復(fù)雜，已有許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，但目前其機(jī)理仍未徹底明晰。現(xiàn)有文獻(xiàn)普遍認(rèn)為引發(fā)電池?zé)崾Э氐闹饕收闲问礁爬樗念?，即：?nèi)部短路、外部短路、過充電與過放電。結(jié)合上面分析，圖5概括了真實(shí)的電動(dòng)汽車起火事故的原因分布與電池故障研究之間的關(guān)聯(lián)性。其中，內(nèi)部短路引起了電池的自燃，充電時(shí)電池起火的原因主要是過充電，而持續(xù)的過充電或過放電會(huì)引起電池的內(nèi)部短路，汽車碰撞中起火事故同時(shí)對(duì)應(yīng)著電池的內(nèi)部、外部短路，而設(shè)備、線纜的老化、電池箱浸水等引發(fā)起火的本質(zhì)則是外部短路。電池的內(nèi)部短路、外部短路和過充電都會(huì)大量產(chǎn)熱導(dǎo)致電池?zé)崾Э?、引發(fā)火災(zāi)。綜合事故發(fā)生的概率，我們可以看出，內(nèi)部短路與外部短路是多種故障的共性問題，內(nèi)部短路涉及了52%的事故概率，而外部短路涉及了26%的事故概率，過充電涉及了20%的事故概率，由過放電引發(fā)電池起火的可能性從理論上講是存在的，但在實(shí)際情況中從未出現(xiàn)。

2.1  內(nèi)部短路故障機(jī)理

從觸發(fā)機(jī)制上看，內(nèi)部短路有三類不同的類型，第一類是自引發(fā)內(nèi)短路，第二類是由于過充電/過放電引發(fā)的內(nèi)短路，第三類則是由于機(jī)械破壞引發(fā)的內(nèi)短路。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強(qiáng)、作用時(shí)間長。自引發(fā)內(nèi)短路主要是由于電池內(nèi)部原因所導(dǎo)致，包括正極材料摻雜，隔膜材質(zhì)不佳，銅箔鋁箔分切毛刺，疊片、卷繞錯(cuò)位，以及電解液浸潤不均等。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強(qiáng)、作用時(shí)間長；過充電/過放電時(shí)會(huì)在電極形成許多針狀晶枝，這些針狀晶枝會(huì)刺破電池隔膜，造成多個(gè)微小的短路回路，并持續(xù)放熱，需要注意的是，過充引發(fā)的內(nèi)短路也并不一定立刻觸發(fā)熱失控，有可能這個(gè)過程的溫升還不足以達(dá)到熱失控臨界閾值，在車輛駛離充電站之后，由于內(nèi)短路的持續(xù)運(yùn)作，電池溫度繼續(xù)攀升而達(dá)到失控溫度引發(fā)車輛起火。機(jī)械破壞引發(fā)內(nèi)短路是汽車碰撞時(shí)電池被擠壓/穿刺而引發(fā)，這類情況難以預(yù)測，只能通過恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施來降低危害。

2.2  過充電故障機(jī)理

關(guān)于電池過充電的故障機(jī)理目前已有較為成熟的研究，當(dāng)電池發(fā)生過充電時(shí)，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已裝滿，后續(xù)的鋰離子會(huì)堆積于負(fù)極材料表面形成金屬鋰，并由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶，形成的金屬鋰結(jié)晶會(huì)穿破隔膜使正負(fù)極短路從而引發(fā)短路。實(shí)際情況下，車載電池管理系統(tǒng)(Battery management system,BMS)會(huì)對(duì)電池過充電進(jìn)行有效監(jiān)管，然而電池組是由諸多單體電池組合而成，由于各電池單體之間存在不一致性，因此雖然整個(gè)電池組狀態(tài)完好，但難以避免某單一個(gè)體發(fā)生過充，另一方面，不恰當(dāng)?shù)某潆姺绞揭苍黾恿诉^充的可能性，過大的充電電流、極片涂層分布不均等現(xiàn)象也可能會(huì)引起局部過充電。

2.3  過放電故障機(jī)理

電池發(fā)生過放電時(shí)首要的表現(xiàn)是活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，將對(duì)鋰電池的正負(fù)極造成永久的損壞。從分子層面看，過放電導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋放出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，最直觀的損傷效果是嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命。但是持續(xù)的過放電過程會(huì)導(dǎo)致電池負(fù)極電位不斷升高，當(dāng)負(fù)極電位達(dá)到銅箔集流體溶解電位時(shí)，發(fā)生銅箔溶解的電化學(xué)反應(yīng)，溶解的銅離子穿過隔膜到達(dá)電池正極，在低電勢(shì)區(qū)域被還原為金屬銅，逐漸沉積的金屬銅從正極方向生長并最終穿過隔膜、引發(fā)電池內(nèi)部短路。

2.4  外部短路故障機(jī)理

電池外部短路時(shí)電池會(huì)產(chǎn)生很大的電流，大量的歐姆熱并使電池內(nèi)部及表面連接處急速升溫，如果防護(hù)器件未能切斷會(huì)亂，電池內(nèi)部會(huì)很快升溫造成電解液汽化，可能會(huì)造成電池鼓包或者沖開泄氣閥，漏液并噴射出可燃?xì)怏w。外部短路可能會(huì)產(chǎn)生明火(電弧)，是非常危險(xiǎn)的故障形式。盡管外部短路故障的觸發(fā)機(jī)理較為簡單，但是其復(fù)雜不確定性后果和影響不容忽視。尤其當(dāng)外部短路與其他故障并發(fā)時(shí)，當(dāng)電池發(fā)生外部短路時(shí)，很容易導(dǎo)致電池直接起火甚至爆炸。

2.5  熱失控觸發(fā)機(jī)理

綜上所述電池故障均會(huì)引發(fā)電池溫度驟升，隨著電池溫度的升高電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生連鎖的放熱反應(yīng)，如圖6所示。
 
根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，當(dāng)電池溫度達(dá)到80～120℃時(shí)，覆蓋在電池負(fù)極表面的SEI膜發(fā)生分解，隨后負(fù)極活性物質(zhì)失去保護(hù)，嵌入負(fù)極的鋰金屬與電解液發(fā)生反應(yīng)。溫度繼續(xù)上升會(huì)引發(fā)電池多孔隔膜閉孔，常見的隔膜材料有聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)兩類，其隔膜閉孔的起始溫度約為130℃和170℃，隔膜閉孔會(huì)阻斷外部短路的電流回路，起到一定的自保護(hù)作用，但如果溫度繼續(xù)上升，隔膜會(huì)在190℃左右解體，引發(fā)內(nèi)部短路，釋放大量的電能使溫度迅速升高，進(jìn)而引發(fā)正極分解與電解質(zhì)分解反應(yīng)，正極分解會(huì)釋放大量的熱量，被認(rèn)為是觸發(fā)熱失控的重要原因之一。需要注意的是，圖6所示為理想加熱情況下的純理論結(jié)論，實(shí)際情況下由于存在電池短路所產(chǎn)生的歐姆熱以及復(fù)雜塑性破壞引發(fā)的不確定性因素，熱失控觸發(fā)過程會(huì)更為復(fù)雜。

3  電池安全研究現(xiàn)狀
 
為了解決電池的安全問題，一方面需要通過BMS對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)管，及早發(fā)現(xiàn)單體電池潛在異常，另一方面需要對(duì)引發(fā)電池?zé)崾Э氐碾姵毓收咸匦赃M(jìn)行深入分析，構(gòu)建有效的診斷方案與防護(hù)措施。目前已有大量文獻(xiàn)圍繞電池安全問題展開了深入研究，圖7給出了文獻(xiàn)檢索統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯霈F(xiàn)有文獻(xiàn)較大比例集中在了過充電與內(nèi)部短路方面，而對(duì)于外部短路和過放電的研究相對(duì)較少。另外針對(duì)電動(dòng)汽車的碰撞起火的研究中，許多學(xué)者開展了擠壓穿刺等機(jī)械濫用試驗(yàn)研究來分析汽車碰撞對(duì)電池的擠壓破壞特性，這些研究均是采用靜態(tài)加載的擠壓，而采用動(dòng)態(tài)的沖擊加載(撞擊)的文獻(xiàn)仍極為匱乏。

3.1  內(nèi)部短路研究

近年來內(nèi)部短路方面的研究引起了許多學(xué)者的關(guān)注，目前在內(nèi)部短路領(lǐng)域主要的研究團(tuán)隊(duì)有如下三個(gè)。

(1)美國加州大學(xué)。加州大學(xué)圣地亞哥分校結(jié)構(gòu)工程系QIAO教授團(tuán)隊(duì)通過紐扣電池進(jìn)行了內(nèi)部短路試驗(yàn)研究，該團(tuán)隊(duì)的研究側(cè)重于揭示電池受到?jīng)_擊時(shí)的內(nèi)短路機(jī)理，其成果表明通過適當(dāng)?shù)募娖鞅砻嫒笨谠O(shè)計(jì)可以使內(nèi)部短路時(shí)電池的溫升很小，從而達(dá)到降低內(nèi)部短路損傷的效果。

(2)美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)技術(shù)部的DUDNEY教授與WANG教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合Motorola公司的MALEK等開展了內(nèi)部短路研究，進(jìn)行了鋰離子聚合物電池內(nèi)部短路故障的試驗(yàn)?zāi)M，研究了內(nèi)部短路對(duì)不同尺寸的鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的影響，該團(tuán)隊(duì)的研究側(cè)重于探求如何降低內(nèi)部短路對(duì)電池帶來的損傷，提出了通過將電極沿預(yù)設(shè)方式斷開的策略來限制短路電流的思路。

(3)清華大學(xué)。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室歐陽明高院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)、密歇根大學(xué)、香港科技大學(xué)、上海理工大學(xué)等共同對(duì)電池內(nèi)部短路問題展開了研究，該團(tuán)隊(duì)的研究側(cè)重于對(duì)電池內(nèi)部短路的診斷。提出了基于模型的故障診斷方法來檢測電池的內(nèi)部短路，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性并討論了內(nèi)部短路對(duì)電池OCV和內(nèi)阻的影響，在內(nèi)部短路試驗(yàn)中觀察到了融合現(xiàn)象，分析了融合現(xiàn)象的影響因素。

3.2  過充電研究

過充電方面研究相對(duì)較多，目前在過充電領(lǐng)域主要的研究團(tuán)隊(duì)有如下三個(gè)。

(1)美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室。

(2)法國奧爾良大學(xué)。

(3)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

3.3  過放電研究

與過充電的研究相比，過放電的研究成果相對(duì)較少。清華大學(xué)歐陽明高院士團(tuán)隊(duì)對(duì)過放電進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在電池達(dá)到112%DOD時(shí)開始出現(xiàn)內(nèi)部短路，在達(dá)到120%DOD時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)部短路，進(jìn)一步闡明了過放電引發(fā)內(nèi)短路的電化學(xué)機(jī)理，指出持續(xù)的過放電導(dǎo)致負(fù)極電位不斷升高，引發(fā)銅箔溶解，溶解的銅離子穿過隔膜到達(dá)電池正極，還原為金屬銅，逐漸沉積的金屬銅從正極方向生長并刺破隔膜。另外還有部分學(xué)者展開了相關(guān)研究，通過對(duì)比過放電之前和之后的電池電壓及容量特性，從而評(píng)價(jià)過放引起的輕微內(nèi)短路的程度。

目前在過充電/過放電的研究方面的研究成果很好地揭示了其對(duì)內(nèi)短路的引發(fā)機(jī)理，并初步具備了一些降損措施，但是當(dāng)前研究成果多是針對(duì)少量電池樣本開展，其結(jié)論對(duì)于復(fù)雜電池使用環(huán)境是否具備普遍適用性，仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.4  外部短路研究

外部短路方面的研究目前尚不成熟，目前主要有以下三個(gè)團(tuán)隊(duì)在開展此方面的研究。

(1)歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心。歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心(Joint Research Centre,JRC)能源、交通與氣候研究部的Kriston團(tuán)隊(duì)對(duì)電池外部短路研究開展了研究工作，通過試驗(yàn)系統(tǒng)地探究了不同外電阻下電池的外短路性能，該團(tuán)隊(duì)側(cè)重于電池外部短路對(duì)電池的內(nèi)部影響機(jī)理的分析。

(2)北京理工大學(xué)。北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室孫逢春院士、熊瑞教授課題組在外部短路方面開展了大量系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究，基于試驗(yàn)分析闡明了單體電池外部短路熱電特性演化規(guī)律，揭示了環(huán)境溫度、電池SOC等隨機(jī)因素對(duì)外部短路特性的影響機(jī)理，闡明了外部短路時(shí)的電池內(nèi)部產(chǎn)熱模式，建立了外短路故障診斷與溫升預(yù)測方法；基于鋰離子電池車載應(yīng)用的特點(diǎn)，進(jìn)行了單體到電池組的外部短路診斷理論研究，揭示了外部短路的損傷機(jī)理，明確了電池外部短路時(shí)的臨界安全時(shí)間曲面，為后續(xù)電池短路安全研究提供了重要支撐。

(3)德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)。慕尼黑工業(yè)大學(xué)的RHEINFELD教授團(tuán)隊(duì)也針對(duì)外部短路情況下的電池安全特性開展了研究。該團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)針對(duì)準(zhǔn)等溫情況下的外部短路進(jìn)行研究，包括進(jìn)行了不同測試條件下的短路試驗(yàn)研究，觀察短路過程中的電池特性及內(nèi)部變化機(jī)理，并進(jìn)一步開展了建模與仿真研究。

此外，還有部分學(xué)者開展了相關(guān)研究，目前外部短路的研究尚處于起步階段，盡管當(dāng)前的研究在一定程度上闡明了外部短路的電熱特性，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完備性仍須進(jìn)一步提高，尤其外部短路與其他故障并發(fā)復(fù)雜情況的試驗(yàn)分析仍匱缺。

3.5  擠壓/碰撞特性研究

鋰離子電池的車載應(yīng)用具有一定的特殊性，由于汽車碰撞是難以避免的現(xiàn)象，很多學(xué)者開展了電池?cái)D壓穿刺等機(jī)械濫用試驗(yàn)。這里列舉部分主要的研發(fā)團(tuán)隊(duì)如下。

(1)美國麻省理工學(xué)院。麻省理工學(xué)院碰撞實(shí)驗(yàn)室ZHU教授與SAHRAEI教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合喬治梅森大學(xué)、清華大學(xué)等針對(duì)電池的機(jī)械破壞展開了大量的研究，例如通過試驗(yàn)探索了各種不同的機(jī)械加載下電池組件的變形與失效機(jī)理，計(jì)算了卷繞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立了電池的有限元模型，分析了殼體強(qiáng)度與抗斷裂性，面向機(jī)械濫用條件下的電池安全性評(píng)估開發(fā)了簡單而精確的單電池模型等，該團(tuán)隊(duì)還針對(duì)復(fù)雜機(jī)械加載情況下引發(fā)內(nèi)部短路的機(jī)理進(jìn)行了分析，建立了微尺度機(jī)械濫用模型。

(2)北京航空航天大學(xué)。北京航空航天大學(xué)許駿教授團(tuán)隊(duì)對(duì)電池?cái)D壓、彎曲、針刺等機(jī)械濫用開展了豐富的研究，提出了多物理場計(jì)算框架，耦合機(jī)械-熱-電化學(xué)特性對(duì)18650鋰離子電池從初始變形到熱失控的機(jī)械濫用過程進(jìn)行描述，建立了3D機(jī)械模型對(duì)針刺等過程進(jìn)行仿真，分析了在各種SOC情況下的壓縮、彎曲載荷下的電化學(xué)失效行為等。

(3)日本早稻田大學(xué)。早稻田大學(xué)納米與生命創(chuàng)新研究所針對(duì)電池穿刺試驗(yàn)開展了研究，試驗(yàn)過程中首次采用X射線貫穿了鋰離子電池的內(nèi)部狀態(tài)，系統(tǒng)地研究了針刺引發(fā)鋰離子電池的熱失控行為。

上述研究均是針對(duì)電池的靜態(tài)加載，部分最新的研究已經(jīng)開始著眼于動(dòng)態(tài)加載下的電池機(jī)械濫用，例如ZHU等指出動(dòng)態(tài)加載情況下電池電阻比靜態(tài)加載時(shí)更大，量化了此效應(yīng)并建立了整體力學(xué)行為模型；JIA等研究了鋰離子電池在動(dòng)態(tài)載荷下的機(jī)械與電耦合特性，CHEN等研究了高速?zèng)_擊情況下的電池機(jī)械響應(yīng)特性。

4  電池安全管理研究的幾點(diǎn)探討

4.1  完備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建任重道遠(yuǎn)

電池安全數(shù)據(jù)匱缺是導(dǎo)致電池安全管理技術(shù)不成熟的重要原因。傳統(tǒng)汽車安全技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了大量的試驗(yàn)研究，甚至包括大量成本昂貴的碰撞安全試驗(yàn)，才逐步完善。電池安全研究也不例外，只有建立充足且完備的電池安全性試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、觀察和探索，方有可能從根源上得以突破。如今不論研究機(jī)構(gòu)還是汽車企業(yè)，對(duì)電池安全領(lǐng)域的試驗(yàn)都只處于起步階段，試驗(yàn)條件單一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)匱缺，遠(yuǎn)不能夠支撐當(dāng)前電池安全技術(shù)研究的需要，在后續(xù)的工作中，針對(duì)多種電池電極材料、多種電池型號(hào)類型，考慮多種復(fù)雜故障狀態(tài)，在全SOC區(qū)間、全溫度范圍、全壽命周期內(nèi)建立豐富的電池安全試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是電池安全研究的重中之重。

4.2  動(dòng)態(tài)加載的濫用試驗(yàn)尚需進(jìn)一步開展

電動(dòng)汽車碰撞過程中，外力對(duì)電池結(jié)構(gòu)的破壞可以視為一種動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用過程，這與電池靜態(tài)擠壓/穿刺試驗(yàn)所反應(yīng)的結(jié)果存在很大差別。動(dòng)態(tài)加載下的濫用試驗(yàn)需要考慮兩個(gè)層次，一是發(fā)生故障時(shí)的電池充放電負(fù)載是動(dòng)態(tài)的，應(yīng)與實(shí)車運(yùn)行工況相吻合；二是施加的機(jī)械破壞應(yīng)是動(dòng)態(tài)沖擊而非簡單的靜態(tài)擠壓。目前多數(shù)的機(jī)械濫用試驗(yàn)是對(duì)靜置電池的準(zhǔn)靜態(tài)加載，而動(dòng)態(tài)沖擊載荷下的電池響應(yīng)特性、塑性破壞、產(chǎn)熱機(jī)理及故障診斷的研究都十分匱缺。

4.3  高可信度電池故障模型是必由之路

故障狀態(tài)下的電池特性極其復(fù)雜，對(duì)電池故障特性進(jìn)行模型表征是進(jìn)行故障診斷和分析故障特性的有效措施，然而現(xiàn)有的電池安全研究多數(shù)是依賴于傳統(tǒng)的電化學(xué)模型或等效電路模型的基礎(chǔ)上稍加修改而形成，這些模型在故障狀態(tài)下的可信度與適用性有待考究。電池發(fā)生故障時(shí)其內(nèi)部的電化學(xué)特性與正常運(yùn)行時(shí)有很大差異，一些在正常情況下的電池“副反應(yīng)”此時(shí)反而可能變成起主導(dǎo)效果的“主反應(yīng)”，與之對(duì)應(yīng)的等效電路特性也有了很大變化，因此傳統(tǒng)的電池模型并不能準(zhǔn)確刻畫故障狀態(tài)下的電池機(jī)理，針對(duì)電池各類故障失效形式，分析并建立高精度、高可信度的電池模型，是透析電池安全問題本質(zhì)、建立有效診斷機(jī)制及安全管理方法的必由之路。

4.4  多故障復(fù)雜狀態(tài)的特性研究是趨勢(shì)

現(xiàn)有故障診斷研究多是針對(duì)某單一故障的“0/1”診斷，而實(shí)際情況下電池故障類型未知且不確定，甚至可能多種故障并發(fā)，其特性相互耦合，現(xiàn)有的故障診斷策略的適用性難以保證，另一方面，熱失控是動(dòng)力電池起火的主要根源，但并非所有的電池起火一定源自熱失控，在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，猛烈的撞擊有可能會(huì)直接導(dǎo)致電池劇烈受損、電解液大量泄漏，并逸散出可燃性氣體，如遇明火則立刻起火甚至爆炸。因此，僅從“熱”或“電”等某單一角度切入，不能準(zhǔn)確地描述電池的安全問題。今后的研究中，必須結(jié)合“熱-電-流體-化學(xué)-力學(xué)”等多學(xué)科領(lǐng)域，探究包括極端故障及多故障并發(fā)復(fù)雜情況下的電池多域特性耦合機(jī)理，建立全面有效、面向?qū)嶋H的電池安全管理體系。

5  結(jié)論

對(duì)近五年嚴(yán)重的電動(dòng)汽車電池起火事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了起火事件的起因分布，闡明了真實(shí)的事故起因與其背后所隱含的電池故障間的關(guān)聯(lián)性，討論了電池內(nèi)部短路、外部短路與過充電等主要電池故障類型的失效原理及其對(duì)熱失控的觸發(fā)機(jī)理；對(duì)電池安全研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，列舉了各大技術(shù)團(tuán)隊(duì)的研究方向和已取得的研究成果，最后圍繞當(dāng)前的研究工作不足和未來的技術(shù)路線給出了幾點(diǎn)探討。本文內(nèi)容對(duì)電池安全性研究的必要性和關(guān)鍵性提供了事實(shí)支撐和評(píng)價(jià)，并為未來研究工作開展給出了一定的依據(jù)和思路。
 
 
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