近年以來，隨著中國新能源汽車數(shù)量的不斷增長，新能源汽車火災(zāi)事故的頻率也逐年增加，嚴(yán)重危害著駕駛?cè)藛T的生命財(cái)產(chǎn)安全。新能源汽車的起火原因由夠種因素構(gòu)成，其中動力電池的過充、擠壓、碰撞、涉水等惡劣條件及制造工藝的問題均可能引起電池的熱失控并造成新能源汽車起火甚至爆炸。新能源汽車在火災(zāi)事故中，盡管鋰離子電池燃燒時(shí)的火焰溫度較低，但當(dāng)電池起火被完全撲滅后，電池的溫度并沒有很快降低至安全水平，并伴隨著大量的有毒氣體產(chǎn)生。即使將其浸泡在水中，其溫度下降至安全水平也需較長的時(shí)間，電池也極易發(fā)生復(fù)燃，而且蔓延速度極快”。本文統(tǒng)計(jì)了近6年內(nèi)150余起新能源汽車起火事故，歸納總結(jié)其起火原因。對起火機(jī)理進(jìn)行了闡述，綜述了熱失控時(shí)特征參數(shù)的變化，并基于某事故車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析了熱失控時(shí)主要特征參數(shù)的變化。最后對未來新能源汽車動力電池安全的發(fā)展提供了一些建議并重點(diǎn)描述了基于智能算法的故障診斷方法。本文旨在為動力電池故障診斷研究工提供必要的依據(jù)。

1、起火事故統(tǒng)計(jì)
基于公開的新聞報(bào)導(dǎo)和文獻(xiàn)，本文收集了從2015年4月份到2021年10月150 余例新能源汽車起火事故，詳細(xì)的事故原因如圖1所示。充電站/樁起火事故位居第一約占26%，其包括直接起火、充電設(shè)備故障、過充等原因造成充電時(shí)起火。近幾年來由充電問題引起的起火事故尤為頻繁，引起了政府部門和相關(guān)專家的高度重視，對于充電設(shè)備的監(jiān)管和充電方式的規(guī)范使用，以及對充電時(shí)的特征參數(shù)檢測及充電車輛的安全評估都是應(yīng)該值得重視的方面。

除充電引起的事故之外，停置時(shí)起火也占據(jù)了很高的比例，約為13%。當(dāng)車輛處在斷電停置狀態(tài)時(shí)，汽車起火大多是由電池內(nèi)短路引起的，內(nèi)短路時(shí)并不一定立刻產(chǎn)生熱失控，可能電池高溫溫度還沒有到達(dá)熱失控的臨界閾值，但當(dāng)車輛駛離充電點(diǎn)或者運(yùn)行停止以后，隨著內(nèi)短路的加劇且持續(xù)的產(chǎn)熱，電池工作溫度不斷提高，一旦電池溫度超過熱失控閾值，就會產(chǎn)生熱失控。因此這為在停置斷電狀態(tài)下，對電池的有效監(jiān)管與防護(hù)提出了更高的要求。但是，目前大部分新能源汽車靜置時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)并沒有上傳至國家或者地方數(shù)據(jù)平臺，并且靜置起火前后的相關(guān)信息很難獲取,所以事故原因難以鑒定。此外，碰撞、涉水和線路老化等問題引發(fā)的事故概率分別約為11%、4%和11%，這些故障都會引起電池?zé)崾Э亍?/span>

2、起火原因機(jī)理分析
2.1、內(nèi)部短路機(jī)理
車載動力電池的工作條件十分復(fù)雜，不可避免的要出現(xiàn)大電流的充放電、高低溫的運(yùn)行環(huán)境、雨水浸泡、振動甚至過充過放電等情況，這些均極易誘發(fā)內(nèi)短路。內(nèi)短路是指由于內(nèi)部隔膜受到破壞，電池正負(fù)極相互接觸，形成電位差進(jìn)而導(dǎo)致持續(xù)放電和發(fā)熱現(xiàn)象。內(nèi)短路從電池的整個(gè)生命周期來看，具有隱蔽性和較長的潛伏期，其預(yù)測和檢測都相對較復(fù)雜，被認(rèn)為是導(dǎo)致動力電池自燃的主要因素。機(jī)械濫用、熱濫用、電濫用、機(jī)械制造等都是內(nèi)短路主要的觸發(fā)形式。機(jī)械濫用是由外力作用組成的，通常在事故中出現(xiàn)，包括電池的撞擊、擠壓、雜質(zhì)的流入、針刺等導(dǎo)致電解液泄露或隔膜破裂導(dǎo)致正負(fù)極產(chǎn)生機(jī)械接觸形，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部短路。熱濫用,是指電池在高熱狀態(tài)下因電池的隔膜大規(guī)模熱收縮而崩潰，造成電池正負(fù)極兩極直接接觸所造成的內(nèi)短路。電池的過熱可能是由于機(jī)械濫用、電氣濫用和連接器連接點(diǎn)失效造成的，連接器的接觸損耗會導(dǎo)致電池組內(nèi)電阻增大，進(jìn)而導(dǎo)致局部過熱。預(yù)緊力不足也會導(dǎo)致接觸電阻顯著增加，在界面處產(chǎn)生熱量，并造成大量電池能量損失。

同時(shí)，逐步的熱失控也伴隨著熱的產(chǎn)生。電濫用是由電池的過充或過放引起的電池內(nèi)部金屬枝晶，這并不是一個(gè)短期的過程，在長時(shí)間的枝晶生長下會導(dǎo)致枝晶穿透隔膜空隙以致正負(fù)極連接造成內(nèi)短路。在電池生產(chǎn)的過程中，由于金屬雜質(zhì)、分切毛刺、疊片、卷繞錯位以及電解質(zhì)溶解浸潤不均等情況，也可能造成電池內(nèi)短路。在內(nèi)短路的演變過程中，電池內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致電極、電解質(zhì)和隔板之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，大多以放熱反應(yīng)為主，進(jìn)一步加重內(nèi)短路的嚴(yán)重程度。當(dāng)電池發(fā)生大面積內(nèi)短路時(shí)，電能以很高的速率釋放出來，溫度急劇上升引發(fā)熱失控。

2.2、外部短路機(jī)理
外短路可能在意外漏水或油漬進(jìn)入電池包、電池因外力變形、汽車振動引起的連接板連接線松動等情況下觸發(fā)的。外短路的機(jī)理類似于在電池正負(fù)極兩端直接并聯(lián)一個(gè)較小的電阻，引起快速放電的現(xiàn)象。因?yàn)檫B接的電阻很小，所以會導(dǎo)致放電時(shí)電流極大、電池溫度迅速升高，可能造成電池端子熔斷，進(jìn)而引發(fā)熱失控。
2.3、過充電機(jī)理
在充電工況下，會發(fā)生某些電池單體在超過充電的截止電壓后仍繼續(xù)充電，造成過充現(xiàn)象。正常充電狀況下，電池中的鋰是以離子的形式存在，在過充電過程中，由于電池的負(fù)極隔膜內(nèi)會形成枝晶，電解液與電極之間造成了電池的內(nèi)部微短路現(xiàn)象，對電池內(nèi)的放熱反應(yīng)產(chǎn)生了加速的影響。隔膜間枝晶的不斷生長，將加劇電池內(nèi)的微短路現(xiàn)象，造成電芯溫度迅速上升并且會催生一系列的副反應(yīng)，觸發(fā)失控閾值，導(dǎo)致電池出現(xiàn)熱失控。

2.4、過放電機(jī)理
因?yàn)殡姵氐牟灰恢滦允遣豢杀苊獾?，?dāng)某個(gè)電池單體的電壓低于規(guī)定的放電截止電壓時(shí)仍持續(xù)放電，導(dǎo)致電池過放電。電池組中電壓最低的電池單體在過放電時(shí)會被-起串聯(lián)的其它電池單體強(qiáng)行放電，在強(qiáng)行放電過程中可能出現(xiàn)電極倒轉(zhuǎn)，電池的電壓變?yōu)樨?fù)壓，過放電單體會產(chǎn)生異常產(chǎn)熱現(xiàn)象。過放電會導(dǎo)致電池的容量下降，負(fù)極的固體電解質(zhì)界面膜(Solid electrolyte interface, SED)分解，產(chǎn)生CO或CO2等氣體導(dǎo)致電池膨脹。當(dāng)故障的單體再次充電時(shí)，鋰離子流通時(shí)的阻力將會增大，而SEI膜則在其負(fù)極會再次形成，同時(shí)也將損耗大量的鋰離子，使在碳層微孔內(nèi)的鋰離子數(shù)量受到了限制，而且這些損耗是不可逆的，也會嚴(yán)重影響電池的健康狀態(tài)。另外，在過放電的狀態(tài)下，負(fù)極電勢持續(xù)上升。在高電勢狀態(tài)下負(fù)極集流體銅箔會出現(xiàn)氧化物侵蝕，負(fù)極的表面會出現(xiàn)集流體的沉積，而活性物質(zhì)和集流體之間的結(jié)合力及負(fù)極集流體傳遞電子的能力會發(fā)生破壞，進(jìn)而造成電池?fù)p壞。

2.5、熱失控
當(dāng)電池?zé)崾Э刂型殡S著大量的物理化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，比如: SEI 膜分解、負(fù)極活性物質(zhì)與電解液反應(yīng)、正極活性物質(zhì)與電解液反應(yīng)、電解液分解、負(fù)極活性物質(zhì)與粘合劑反應(yīng)等。上述反應(yīng)并沒有根據(jù)規(guī)定的先后順序分別發(fā)生，也可能是多個(gè)化學(xué)反應(yīng)一起發(fā)生。在高溫下，鋰離子電池的容量衰減，電池內(nèi)阻增大，且電池負(fù)極內(nèi)阻增加值高于正極。溫度超過80°C時(shí)，鋰離子內(nèi)部將出現(xiàn)熱分解反應(yīng)。大概在80~ 120°C，由SEI膜首先進(jìn)行反應(yīng)，SEI 膜的分解會使得負(fù)極活性物質(zhì)失去保護(hù)層，電解質(zhì)將會和負(fù)極的鋰發(fā)生反應(yīng)。電池的隔膜耐高溫性不強(qiáng)，聚乙烯隔膜在130°C左右時(shí)、聚丙烯在170°C左右時(shí)隔膜孔將會關(guān)閉，能阻斷短路電流，對電芯起到一定保護(hù)作用。

溫度在190°C左右時(shí)電阻隔膜將會溶解，此時(shí)正負(fù)電極將直接接觸引發(fā)電池內(nèi)短路，并且釋放大量的電能使得溫度迅速升高。電池正極和電解液會衍生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成大量的氣體。產(chǎn)生的氣體迅速聚集膨脹，電池內(nèi)部壓力迅速上升，當(dāng)內(nèi)部壓力超過安全閥的閥值時(shí)會形成噴射。

3、熱失控表征參數(shù)
國內(nèi)外學(xué)者通過研究動力電池?zé)崾Э匦袨?，將?shí)時(shí)檢測的動力電池電壓、電流、溫度及氣體作為電池?zé)崾Э毓收咸卣鲄?shù)，通過對其中一種或幾種特征參數(shù)引入熱失控早期的預(yù)警技術(shù)中，能有效的對動力電池?zé)崾Э剡M(jìn)行預(yù)警，避免造成較大的損失。詳細(xì)試驗(yàn)與特征參數(shù)見表1。

4、基于大數(shù)據(jù)平臺的案例分析
事故概況: 2019年 10月，某新能源汽車在充電站發(fā)生自燃。該事故車輛于上午進(jìn)入充電站采用直流快充的方式進(jìn)行充電，一小時(shí)后充電發(fā)生故障并且停止充電，十分鐘后車輛出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，車主嘗試撲救未果。半個(gè)小時(shí)后消防到達(dá)現(xiàn)場，進(jìn)行滅火并將事故車輛帶回服務(wù)站進(jìn)行拆解。該車處于直流快速充電狀態(tài)時(shí)發(fā)生自燃，外接充電電源槍及線路完好。該事故車整體保存基本完好，前機(jī)艙蓋靠近前風(fēng)擋位置、后部后輪兩側(cè)及后部有明顯燒蝕痕跡，駕駛室內(nèi)基本完好，但有明顯的煙熏痕跡，座椅有明顯的表面高溫炙烤熔融及發(fā)黃。其事故車輛見圖2。

該事故車輛搭載的CATL45. 3kWh(126Ah)三元材料鋰離子電池。通過分析該事故車輛傳至國家大數(shù)據(jù)平臺的電芯的電壓、溫度等數(shù)據(jù)分析該事故車輛在熱失控時(shí)特征參數(shù)的變化可以得出:在發(fā)生熱失控時(shí)，故障電芯的溫度和電壓發(fā)生異常變化。48號電芯從5:47:17開始出現(xiàn)電壓下降，5:47:24 停止充電，5:48:15 時(shí)49號電芯開始出現(xiàn)電壓下降。51、52、53號電芯在5:48:16出現(xiàn)電壓下降，54、55、56號電芯采樣失效，57號電芯電壓異常上升。各電芯電壓數(shù)據(jù)如圖3所示。
分析各探針溫度發(fā)現(xiàn)探針16、17、18、19的溫度最先出現(xiàn)異常，如圖4所示。5:47:19 探針17溫度采樣點(diǎn)出現(xiàn)溫度升高，5:47:22 探針16、18、 19、 20 溫度采樣點(diǎn)出現(xiàn)溫度集體升高，溫度持續(xù)上升直至超過傳感器測量范圍。

綜上，當(dāng)新能源汽車起火時(shí)，故障電芯的電壓和溫度將會迅速上升并且熱傳遞的時(shí)間極短，短時(shí)間內(nèi)會引起電芯大面積的熱失控。如果能準(zhǔn)確捕捉到故障單體電芯的特征參數(shù)變化并對駕駛員提供警示將會減少事故的發(fā)生。
5、動力電池改進(jìn)措施及趨勢

5.1、改進(jìn)電池材料
電池的正負(fù)極材料、隔膜、電解液等都是電池安全性的影響因素。電池隔膜的功能是關(guān)閉或阻斷通道，防止電池正負(fù)極接觸。當(dāng)電池內(nèi)溫度出現(xiàn)異常的上升跡象時(shí)，就會引起隔膜收縮并熔解，導(dǎo)致電解液泄漏，從而造成內(nèi)短路現(xiàn)象并造成電池的熱失控。電池隔膜的一般材料為聚丙烯或聚乙烯等材料，其耐高溫性能都比較差。聚酰亞胺材料的耐熱性能較強(qiáng)，可以用作電芯隔膜基材，又或者在隔膜中加添加無機(jī)納米涂層，都可以有效的提高隔膜的耐高溫性和穩(wěn)定性。

Xiaowei等人”制備了三聚氰胺基多孔有機(jī)聚合物復(fù)合隔膜具有很強(qiáng)的阻燃性，在火災(zāi)時(shí)正負(fù)極之間形成良好的膨脹保護(hù)炭，增加內(nèi)阻，防止熱失控。電解液燃燒將會產(chǎn)生極大的危害和風(fēng)險(xiǎn)，可以在電解液中添加相應(yīng)的阻燃添加劑來降低燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。如今常用高阻燃、低污染、電化學(xué)穩(wěn)定的阻燃添加劑包括磷酸三甲酯、氟化亞磷酸鹽/磷酸鹽等，自由基的清除反應(yīng)是阻燃添加劑的基本原理。當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，會伴隨著大量的副反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫和氫氧活性自由基，阻燃添加劑在高溫時(shí)會分解出含磷白由基，與其發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而提高電池的安全性。

5.2、電池包殼體的改善
當(dāng)電動車發(fā)生機(jī)械碰撞電池受到擠壓碰撞時(shí)或電動汽車著火時(shí)，電池包殼體對電池組的機(jī)械防護(hù)至關(guān)重要。增強(qiáng)外殼的阻燃性能，當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，高阻燃外殼具有抑制火勢擴(kuò)散的功能。改善電池的密封性能，對防止電池包浸水、熱失控時(shí)產(chǎn)出的氣體泄露和燃燒擴(kuò)散具有重大的影響。在殼體表層采用耐阻燃涂層，增強(qiáng)了電池包外殼的抗火焰能力。模組、電芯和電池包殼體之間可以加裝防火氈材料，在電池發(fā)生熱失控時(shí)，防火氈材料能夠有效阻隔熱量傳播以及限制火勢走向，起到了阻隔單體電芯之間發(fā)生連鎖反應(yīng)的作用，改善了電池防火性能的能力。在電池箱的結(jié)構(gòu)上也可以采用高強(qiáng)度材料，采用加強(qiáng)筋或者設(shè)置緩沖裝置等，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)來緩沖吸收部分碰撞的力，保護(hù)電池組受到損壞，降低由于機(jī)械碰撞造成短路的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3、改進(jìn)散熱系統(tǒng)
動力電池包是由若干個(gè)單體電池串并聯(lián)組成，同一規(guī)格型號單體電池在組成電池組后可能存在不一致性，所以電池產(chǎn)生的熱量也有差異性。在實(shí)際的工作條件下，由于各電池單體的散熱條件的不一致將會加劇電池組的不一致性,會影響電池單體的充放電速率和容量衰減，所以改進(jìn)散熱系統(tǒng)對提高電池性能有很大幫助。采用相變的散熱材料四,相變材料形態(tài)會隨溫度改變而發(fā)生變化，并且在相變過程中會吸收或釋放大量能量，來保證電池包的溫度恒定。當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，合理的氣體泄壓閥的結(jié)構(gòu)能及時(shí)排出內(nèi)部的產(chǎn)生的氣體，控制電池包內(nèi)的氣壓。設(shè)計(jì)易燃?xì)怏w的快速擴(kuò)散通道，使易燃?xì)怏w更能有效的排出電池包，減少了氣體和產(chǎn)生的熱量殃及相鄰電池引起的連鎖反應(yīng)。

5.4、基于大數(shù)據(jù)的安全預(yù)警
大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中呈現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景，新能源汽車行業(yè)與大數(shù)據(jù)的融合不僅是未來發(fā)展的趨勢而且也被看作中國新能源汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要戰(zhàn)略方向。當(dāng)前，新能源汽車運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于動力電池等領(lǐng)域，2016 年在北京建立了新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺，新能源國家大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)加強(qiáng)了政府部門對新能源企業(yè)的監(jiān)管并對新能源汽車安全運(yùn)行提供了保障。海量的運(yùn)行數(shù)據(jù)和完善的監(jiān)管制度，為解決我國新能源汽車安全問題，促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。利用車輛上傳到平臺的歷史數(shù)據(jù)對新能源汽車進(jìn)行故障診斷并及時(shí)向車主警示和提供處理方案，能大大降低新能源事故發(fā)生的概率。

6、結(jié)論
本文綜述了新能源汽車動力電池安全問題分析及改進(jìn)趨勢。
(1)基于文獻(xiàn)和新聞報(bào)道統(tǒng)計(jì)了近6年內(nèi)150余起新能源汽車起火事故，并對其起火原因進(jìn)行了歸納總結(jié)。
(2)對起火原因進(jìn)行了分析，重點(diǎn)描述了內(nèi)短路、外短路、過充過放、熱失控等機(jī)理。對于機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等觸發(fā)形式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
(3)在發(fā)生熱失控時(shí)特征參數(shù)方面，以電池的電壓、電流、溫度作為電池?zé)崾Э氐奶卣鲄?shù)，歸納總結(jié)了國內(nèi)外文獻(xiàn)基于電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)時(shí)特征參數(shù)的變化和定義。

(4)在實(shí)例方面，基于國家大數(shù)據(jù)平臺的歷史數(shù)據(jù)，分析了某新能源汽車起火前特征參數(shù)的變化，結(jié)果表明在發(fā)生熱失控前電池電壓和溫度會迅速上升且熱擴(kuò)散時(shí)間極短。
(5)在安全建議方面，從改進(jìn)電池材料、電池包殼體、散熱系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)的安全預(yù)警方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。重點(diǎn)總結(jié)了數(shù)學(xué)模型和智能算法的故障診斷方法。

目前，由于電池?zé)崾Э貦C(jī)理還未完全清晰以及故障模型眾多，且各故障模式之間互相耦合的特點(diǎn)，使其故障診斷難度較大，電池安全依然是未來的研究熱點(diǎn)。隨著大數(shù)據(jù)平臺的建立和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的逐漸完善成熟，基于大數(shù)據(jù)建立的精準(zhǔn)電池模型和智能算法將會成為下一代的智能電池系統(tǒng)故障診斷技術(shù)，未來將會向著監(jiān)控、診斷、預(yù)測的電池管理方向發(fā)展。