文章來(lái)源：應(yīng)急管理部天津消防研究所

0 引言

發(fā)展新能源汽車(chē)是我國(guó)應(yīng)對(duì)國(guó)家能源戰(zhàn)略需求、實(shí)現(xiàn) 2060 年碳中和目標(biāo)的重大戰(zhàn)略選擇。截止 2021 年，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量連續(xù) 6 年位居全球第一，累計(jì)推廣數(shù)已達(dá) 550 余萬(wàn)輛。同時(shí)，新能源汽車(chē)保有量仍保持上升趨勢(shì)，國(guó)務(wù)院2020 年發(fā)布了《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》提出：到 2025 年，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)售量達(dá)到汽車(chē)新車(chē) 銷(xiāo)售總量的 20%；汽車(chē)工程學(xué)會(huì)發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖 2.0》，預(yù)計(jì) 2035 年國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)保有量將超 過(guò) 1 億輛。然而，隨著新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量飛速提升、技術(shù)快速發(fā)展，新能源汽車(chē)起火現(xiàn)象也逐漸頻發(fā)。據(jù)應(yīng)急管理部統(tǒng) 計(jì)數(shù)據(jù)，2021 年新能源汽車(chē)著火事故超過(guò) 1000 起。新能源汽車(chē)火災(zāi)蔓延速度較快，火災(zāi)危害大，引發(fā)全行業(yè)及社會(huì)密切 關(guān)注，起火問(wèn)題嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)快速、健康可持續(xù)發(fā)展。

動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)能源系統(tǒng)的核心，其在全氣候環(huán)境下動(dòng)力電池工作性能和安全性隨時(shí)間動(dòng)態(tài)演變，是導(dǎo)致新 能源汽車(chē)出現(xiàn)起火問(wèn)題的關(guān)鍵誘因。然而目前動(dòng)力電池?zé)崾Э赜|發(fā)機(jī)理尚不明確，誘因繁多，無(wú)預(yù)兆突發(fā)性熱失控難以 復(fù)現(xiàn)，這些問(wèn)題制約了動(dòng)力電池應(yīng)急管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也導(dǎo)致新能源汽車(chē)火災(zāi)消防難等問(wèn)題。研究新能源汽車(chē)火災(zāi) 事故復(fù)現(xiàn)，探究電池系統(tǒng)內(nèi)部熱蔓延、熱擴(kuò)散過(guò)程，指導(dǎo)高安全電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與過(guò)火后消防應(yīng)急管理設(shè)計(jì)，查清火災(zāi)事 故的原因，是目前新能源汽車(chē)安全管理的重要研究?jī)?nèi)容。

單明新等則在 2015 年首次對(duì)敞開(kāi)空間電池爆炸強(qiáng)度進(jìn)行了直接測(cè)量，2018 年—2021 年，清華大學(xué)歐陽(yáng)明高院士 團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事動(dòng)力電池?zé)崾Э叵嚓P(guān)研究，為分析熱失控可能觸發(fā)方式、內(nèi)部觸發(fā)機(jī)理、熱擴(kuò)散機(jī)制等奠定了理論基礎(chǔ)。2021 年，Yang 等最先研究了熱失控后的碳氧化物（特別是一氧化碳）的逸散，并建立了基于 CO 濃度的熱失控預(yù)測(cè)模 型。2021 年，王青松教授等研究了熱失控時(shí)的泄壓閥開(kāi)啟導(dǎo)致的噴發(fā)和燃燒等現(xiàn)象，并針對(duì) 811 體系電池和 18650 電 池分別展開(kāi)了研究。2021 年，王芳等首次研究了高比能電池在低 SOC 下的熱失控行為，并認(rèn)為隔膜的相變反應(yīng)是該條 件下熱失控的主要影響因素。目前，大部分針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯烤槍?duì)單體電池?zé)崾Э貦C(jī)理、熱失控行為及特 征等，針對(duì)系統(tǒng)級(jí)或整車(chē)級(jí)的熱失控研究不充分，缺乏電池?zé)崾Э貢r(shí)整車(chē)級(jí)的燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于整車(chē)級(jí)的火災(zāi)和 煙氣蔓延、致災(zāi)危害和致災(zāi)前后數(shù)據(jù)特征變化仍需開(kāi)展深入研究。

本文建設(shè)了新能源汽車(chē)整車(chē)級(jí)熱失控試驗(yàn)平臺(tái)，基于電池包內(nèi)單個(gè)模組外部加熱方法開(kāi)展了整車(chē)級(jí)熱失控試驗(yàn)，探 究了電池?zé)崧?、熱擴(kuò)散路徑，分析了整車(chē)級(jí)熱失控的數(shù)據(jù)特征，為設(shè)計(jì)火災(zāi)車(chē)消防系統(tǒng)、安全電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及災(zāi)害 事故調(diào)查提供參考。

1 試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與熱失控觸發(fā)方式

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為探究新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)失效過(guò)程及特征，本文基于前期建立的新能源汽車(chē)整車(chē)級(jí)熱失控試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展整車(chē)燃 燒試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)可采集電池組電壓、溫度、煙氣等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)布置多組攝像頭、紅外熱像儀等實(shí)時(shí)記錄電池組內(nèi)、 外熱失控觸發(fā)與火災(zāi)蔓延過(guò)程，以及整車(chē)溫度場(chǎng)分布等信息。試驗(yàn)臺(tái)布置簡(jiǎn)圖如圖 1 所示，其中電壓傳感器、溫度傳感 器、煙氣傳感器為特制設(shè)備，可滿(mǎn)足電池組內(nèi)高溫環(huán)境下的數(shù)據(jù)與信號(hào)采集；其他設(shè)備等為標(biāo)準(zhǔn)采集設(shè)備，具體設(shè)備種 類(lèi)與型號(hào)見(jiàn)表 1。

為對(duì)比分析火焰?zhèn)鞑ヅc擴(kuò)散路徑，選用四個(gè)攝像機(jī)布置在車(chē)身四角方向上，可實(shí)現(xiàn)全景攝像信息采集以分析火焰在 車(chē)身上的傳播路徑。此外，車(chē)身內(nèi)駕駛員座位上布置了煙氣傳感器，用于檢測(cè)煙氣進(jìn)入乘員艙內(nèi)的時(shí)間與煙氣擴(kuò)散速率。

1.2 傳感器布置方式

在本次試驗(yàn)過(guò)程中，在電池包中共布置 22 個(gè)熱電偶。在熱電偶布置前，將電池包上蓋打開(kāi)后在內(nèi)部布置熱電偶，采 用絕緣膠帶與鋁箔膠帶對(duì)各熱電偶進(jìn)行固定與絕緣處理。然后將熱電偶連接線(xiàn)沿電池包上蓋與箱體結(jié)合處依次甩出，并 打膠密封以保持電池包完整結(jié)構(gòu)與氣密性。在試驗(yàn)過(guò)程中采用無(wú)紙記錄儀記錄熱電偶采樣溫度值，采樣間隔為 1s，熱電 偶承受溫度超過(guò) 1000℃。電池組系統(tǒng)內(nèi)電壓傳感器與溫度傳感器布置方式如圖 2 所示。

本次測(cè)試選取的動(dòng)力電池組內(nèi)模組排布如下：電池組前部為單層模組連接，后部為雙層式模組疊放式連接，圖中的M7/M8/M11/M12/M15 號(hào)模組分別位于 M6/M9/M10/M13/M14 號(hào)模組下方，故而在圖中并未標(biāo)明，每個(gè)模組內(nèi)有 12 個(gè)電 池單體。圖中標(biāo)紅的部位為溫度傳感器布置位置，其中 6/7/8/9/10 號(hào)溫度傳感器布置在了雙層模組的側(cè)壁上。圖中標(biāo)色的M4/M6/M17/M18/M21/M24 模組為布置了電壓傳感器的模組。除 M20/M21/M22 號(hào)模組布置在了電池箱體表面外，其他溫 度傳感器均布置在電池模組的側(cè)壁中央。被加熱模組為 M18 模組，因此 22/23 號(hào)傳感器檢測(cè)的是被加熱模組附件電池包 外殼溫度，可分析電池組內(nèi)熱失控發(fā)展速度與過(guò)程。特別的，由于溫度傳感器僅能布置在電池模組表面，因此其檢測(cè)到 的溫度不代表電池核心/平均溫度，且由于熱失控觸發(fā)方式為表面加熱，18 號(hào)模組表面的溫度傳感器采集溫度可能偏高。

1.3 熱失控觸發(fā)方式

本試驗(yàn)中動(dòng)力電池?zé)崾Э赜|發(fā)方式為外部加熱觸發(fā)。通過(guò)在 18 號(hào)模組表面布置加熱膜，在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)通過(guò)對(duì)加熱膜 進(jìn)行供電，持續(xù)加熱電池模組直至觸發(fā)熱失控。為了提高電池?zé)崾Э厮俣?，根?jù)模組不同面的面積大小，本試驗(yàn)中共使 用兩個(gè) 1000 W 和一個(gè) 800W 的加熱膜分別貼在被加熱模組兩個(gè)長(zhǎng)壁面處和模組底部，提高電池溫升速度。試驗(yàn)開(kāi)始前， 溫度傳感器、電壓傳感器、加熱膜供電線(xiàn)均被引出至電池組外，而后重新密封電池組以模擬內(nèi)部封閉環(huán)境。所有線(xiàn)束均 無(wú)重疊，以減少對(duì)電池組密封性的影響。

2 整車(chē)級(jí)熱失控?cái)?shù)據(jù)分析

2.1  溫度數(shù)據(jù)及特征分析

為本次試驗(yàn)采集的動(dòng)力電池包內(nèi)各模組溫度分布。圖中繪制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)清洗，剔除了部分無(wú)效值。所用的無(wú)紙記錄儀 溫度測(cè)量范圍為-200℃~1300℃，然而在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，部分采樣點(diǎn)溫度達(dá)到 1300℃，為采樣設(shè)備上限值，實(shí)際溫度可 能高于 1300℃。另一方面，在實(shí)際的電池包熱失控過(guò)程中，一般情況下電池組表面溫度（傳感器測(cè)量溫度）大約在 400-1000℃左右，而部分采樣點(diǎn)溫度超過(guò) 1300℃，應(yīng)是采樣線(xiàn)燒損、傳感器故障等導(dǎo)致。在本次試驗(yàn)中，在剔除掉溫度 故障數(shù)據(jù)點(diǎn)后，無(wú)明顯的異常溫度值出現(xiàn)，少部分突然出現(xiàn)的溫升可能與電池模組熱失控噴發(fā)的高溫氣液混合物導(dǎo)致。同時(shí)在本次內(nèi)加熱試驗(yàn)中，發(fā)生熱失控的各模組溫度變化與動(dòng)力電池的一般熱失控溫度演化過(guò)程相似，除 M18 號(hào)模組因 表面被加熱外，其他模組在發(fā)生熱失控前大多有短暫的自產(chǎn)熱與引發(fā)階段，隨后才出現(xiàn)突然的溫度升高現(xiàn)象。大部分動(dòng) 力電池模組在發(fā)生熱失控過(guò)程中均保持相似的溫升曲線(xiàn)，總體保持在發(fā)生熱失控之前溫度升至熱失控自產(chǎn)熱溫度 T1，而 后溫度保持在一定范圍內(nèi)引發(fā)熱失控，溫度快速上升至最高溫度而后下降。但對(duì)于每個(gè)模組而言，由于每個(gè)模組內(nèi)有 12 個(gè)電池單體構(gòu)成，其熱失控自產(chǎn)熱階段保持時(shí)間不同，加上熱蔓延路徑的差異，少部分模組可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘，也有模組 在幾十秒左右后即進(jìn)入熱失控引發(fā)階段。

一般情況下，動(dòng)力電池?zé)崾Э剡^(guò)程需依次經(jīng)歷多種副反應(yīng)過(guò)程。在熱失控自產(chǎn)熱階段，電極表面的 SEI 膜會(huì)逐 漸發(fā)生分解并放出熱量，從而維持電池組溫度保持。隨著 SEI 膜分解加劇，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致石墨負(fù)極與電解 液直接發(fā)生反應(yīng)，并引發(fā)熱失控。在熱失控引發(fā)階段中，電池組溫度快速上升，同時(shí)內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)等被破壞，正極 材料發(fā)生分解、電解液發(fā)生分解，電池內(nèi)短路發(fā)生造成快速自產(chǎn)熱，到最后電解液燃燒，核心溫度劇烈上升。

以開(kāi)始加熱的 9 時(shí) 10 分 00 秒為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，所有的溫度、煙氣和電壓分析均以此為計(jì)時(shí) 0 秒，1900 秒左右時(shí)電池包 內(nèi)出現(xiàn)異響，隨后電池包內(nèi)向外冒出煙氣，1963 秒時(shí)模組內(nèi) 18 號(hào)模組的溫度測(cè)試點(diǎn) T13 出現(xiàn)了近 70℃的上升，隨后周 圍的測(cè)溫點(diǎn)也迅速出現(xiàn)了不同程度的溫升。

因?yàn)楸驹囼?yàn)研究中的測(cè)溫點(diǎn)布置在模組之上，模組內(nèi)單體的熱失控表征出的溫度特征、電壓特征沒(méi)有那么明顯，一 個(gè)模組內(nèi)單體熱失控后可能會(huì)對(duì)鄰近模組的測(cè)溫點(diǎn)也有升溫的影響。從事故后拆解得到的電池包殘?bào)w現(xiàn)象表明，M1、M2、 M3、M20、M22、M23 和 M24 這些電池模組受損情況較小,整體形狀保持完整；從溫度數(shù)據(jù)分析，這幾個(gè)模組總體的溫 度分布較低，模組表面后期溫度在約為 300℃左右。溫度分析結(jié)果與痕跡分析結(jié)果吻合，表明這些模組受損較輕，為后期 火燒所致，見(jiàn)圖 3。

如圖 4 所示，為 M5、M6、M9、M10 號(hào)模組上布置的熱電偶采集溫度值。該四個(gè)模組表面溫度在最早模組出現(xiàn)熱失 控后溫度維持在高值，M5 與 M6 模組在后期出現(xiàn)了溫度的上升，說(shuō)明火勢(shì)后期蔓延到兩個(gè)模組時(shí)受熱發(fā)生熱失控，溫度 快速上升。

如圖 5 所示，為 M18-M21 號(hào)模組上布置的熱電偶采集溫度值。其中，M18 為被加熱模組，其表面溫度最先升高至 較高水平；然而在試驗(yàn)過(guò)程中曾多次下電并重啟，因此其表面溫度曲線(xiàn)存在多次上升和下降階段。同時(shí)，其表面溫度在 被加熱時(shí)約 600℃左右，然而并不代表其內(nèi)部核心溫度，因此熱失控并沒(méi)有在最開(kāi)始時(shí)發(fā)生，而是在加熱一段時(shí)間后。在 1860 秒左右，表面溫度緩慢上升，此時(shí)推測(cè)為熱失控自產(chǎn)熱階段，內(nèi)部 SEI 分解反應(yīng)已開(kāi)始進(jìn)行，而在 1963 秒左右其表面溫度迅速升高，此時(shí)表面電池內(nèi)部已發(fā)生劇烈的熱失控副反應(yīng)。在 18 號(hào)模組熱失控觸發(fā)后，其噴射的高溫氣液混合物也迅速加熱臨近模組，導(dǎo)致其他模組表面也存在快速溫升，冷卻后又迅速下降，并在一段時(shí)間之后重新上升，表明這些 模組已發(fā)生熱擴(kuò)散。

如圖 6 所示，為 M22-M24 模組上布置的熱電偶采集溫度值。圖中溫度數(shù)據(jù)表明，模組在熱失控前存在一次較快的溫 升和冷卻，這一過(guò)程疑似其他模組發(fā)生熱失控產(chǎn)生的高溫噴發(fā)物導(dǎo)致的溫升。而在這一階段過(guò)后，幾個(gè)模組溫度緩慢上 升，但沒(méi)有出現(xiàn)明顯發(fā)生熱失控的過(guò)程。根據(jù)電池拆解試驗(yàn)結(jié)果，這些模組的熱失控可能發(fā)生在數(shù)據(jù)記錄儀停止工作后。

2.2 電壓數(shù)據(jù)分析

圖 7 為在熱失控發(fā)生前，主要模組的電壓分布趨勢(shì)。最先發(fā)生熱失控的 M18 號(hào)模組，在電壓恢復(fù)過(guò)程中突然存在較 明顯的電壓下降過(guò)程，這一過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為 10min，同時(shí)電壓下降幅度為 40mV 左右，這一過(guò)程表明在電池模組發(fā)生熱 失控前存在較明顯的電壓特征，隨著加熱內(nèi)部電池反應(yīng)，電池電壓值的下降明顯，可指導(dǎo)后續(xù)熱失控預(yù)警算法設(shè)計(jì)以及 事故車(chē)輛后臺(tái)數(shù)據(jù)特征的捕捉。

圖 8 為 M18 號(hào)模組電壓下降過(guò)程，在發(fā)生熱失控前電壓緩慢下降，而后在某一點(diǎn)發(fā)生電壓突降，幅值為 4V 左右， 表明模組內(nèi)有單體發(fā)生了內(nèi)短路，對(duì)外電壓為 0V。而后電壓繼續(xù)緩慢下降，并又一次發(fā)生突降，幅值為 4V 左右，此時(shí) 模組內(nèi)繼續(xù)有單體失控電壓降為 0。而后電壓保持并又發(fā)生突降，幅值較大，單體數(shù)據(jù)接近 0，模組內(nèi)剩余的單體相繼傳 導(dǎo)發(fā)生了熱失控。而總電壓無(wú)明顯變化，在電池組內(nèi)部溫升上升后通訊線(xiàn)斷開(kāi)，無(wú)電壓信號(hào)采集。

2.3 其他數(shù)據(jù)分析

如圖 9 所示，為本次試驗(yàn)中采集的煙氣數(shù)據(jù)。整體數(shù)據(jù)在電池包發(fā)生熱失控前幾乎無(wú)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，而后在 1932 秒左右 監(jiān)測(cè)到包括一氧化碳與硫氧化物的煙氣數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)與布置在駕駛室內(nèi)的攝像頭捕捉到煙氣進(jìn)入駕駛室的時(shí)間幾乎 同步，30 秒左右一氧化碳濃度迅速上升達(dá)到傳感器檢測(cè)峰值，超過(guò)了 12000ppm，硫氧化物濃度隨著熱失控的發(fā)生也超過(guò) 了 2500ppm，達(dá)到了危及乘員生命安全的濃度水平。自電池包內(nèi)出現(xiàn)異響到與冒煙后到乘員艙內(nèi)可檢測(cè)到一氧化碳煙氣， 共經(jīng)歷近 3 分鐘左右時(shí)間，表明熱失控蔓延速度較快，同時(shí)煙氣進(jìn)入乘員艙速度也較快。此時(shí)的致災(zāi)危害主要集中在駕 駛室內(nèi)煙氣對(duì)于乘員的危害，底盤(pán)電池包周?chē)鹧鎸?duì)于周?chē)伺c環(huán)境的危害。

2.4 電池組熱蔓延路徑分析

根據(jù)電池組內(nèi)溫度、電壓分布數(shù)據(jù)、燒損形態(tài)，可以大致推測(cè)電池組內(nèi)各個(gè)電池模組發(fā)生熱失控與燃燒蔓延順序。如表2 所示，基于電池組首個(gè)溫度峰值、電壓的早期電壓降、燒損形態(tài)與最早加熱觸發(fā)的事實(shí)，確認(rèn)18 號(hào)電池模組為首個(gè)發(fā)生熱失控的電池模組。而后基于后續(xù)的有效溫度階躍，推測(cè)與18 號(hào)模組最鄰近的M4、M17、M19、M21 模組相繼發(fā)生熱失控。第三批次是相鄰近的M5、M6、M13、M14 模組。M1、M2、M3、M20、M22、M23、M24 模組距離18 號(hào)電池模組較遠(yuǎn)，拆解后發(fā)現(xiàn)該模組形態(tài)保持較完好，其與核心觸發(fā)模組間間距離較大，導(dǎo)致噴發(fā)物導(dǎo)致的高溫不足以引發(fā)其發(fā)生熱失控，因此電池包內(nèi)模組發(fā)生熱失控的先后順序與最早加熱模組及蔓延路徑方向有很大關(guān)系。

3 結(jié)論

本文借助已有的新能源汽車(chē)整車(chē)級(jí)熱失控試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)人為加熱觸發(fā)電池?zé)崾Э胤绞教骄縿?dòng)力電池?zé)崾Э睾舐?及擴(kuò)散過(guò)程，針對(duì)某輛新能源汽車(chē)開(kāi)展了熱失控試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)在電池組內(nèi)部埋設(shè)加熱膜對(duì)某個(gè)電池模組持續(xù)加熱以觸 發(fā)熱失控，并持續(xù)采集電池組內(nèi)電壓、溫度、煙氣等信號(hào)，并探究整車(chē)級(jí)熱失控破壞程度及致災(zāi)危害，以及煙氣與火在 電池包內(nèi)、車(chē)體內(nèi)的蔓延路徑，為指導(dǎo)新能源汽車(chē)安全系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及事故調(diào)查的數(shù)據(jù)分析提供參考。

（1）在電池模組加熱過(guò)程中，前期電池內(nèi)模組內(nèi)單體溫度不斷升高，在熱失控發(fā)生后有一個(gè)溫度突升的過(guò)程，而且 影響到電池包內(nèi)其它模組，瞬間可躥升 300℃以上，部分測(cè)溫點(diǎn)的突升與火焰在包內(nèi)的蔓延和電池失控后噴濺物的滴落有關(guān)。

（2）熱失控發(fā)生后，火勢(shì)沿包內(nèi)的空隙（密封條、泄壓口）向底盤(pán)、車(chē)身處進(jìn)一步蔓延，部分熱煙氣通過(guò)底盤(pán)的空 隙進(jìn)入到駕駛室內(nèi)部。從電池有異響到駕駛室內(nèi) CO 濃度達(dá)到峰值超過(guò) 12000ppm，只有不到 2 分鐘時(shí)間，在此期間硫氧 化物的濃度最高達(dá)到了 2734ppm。

（3）電池模組發(fā)生熱失控前存在較明顯的電壓下降特征，下降幅度在 50mV 左右，可指導(dǎo)后續(xù)熱失控預(yù)警算法設(shè)計(jì) 以及事故車(chē)輛后臺(tái)數(shù)據(jù)特征的捕捉。模組的電壓呈現(xiàn)階梯狀下降，與模組內(nèi)的單體先后熱失控后的電壓變化有關(guān)。

（4）電池包內(nèi)的模組失控順序基本與包內(nèi)的熱傳遞路徑一致，最先加熱的模組首先失控，其次是緊鄰加熱模組的幾 個(gè)模組，然后向遠(yuǎn)處擴(kuò)散。電池包內(nèi)的模組變形痕跡也可以與此相對(duì)應(yīng)。