新能源汽車動力電池安全問題分析及改進趨勢綜述

作者 舒俊豪，西華大學(xué)汽車測控與安全四川省重點實驗室

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 的生命財產(chǎn)安全。 新能源汽車的起火原因由多種因素構(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。 對起火機理進行了闡述，綜述了熱失 控時特征參數(shù)的變化，并基于某事故車輛的運行數(shù)據(jù)分析了熱失控時主要特征參數(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作提供必要的依據(jù)。

1 起火事故統(tǒng)計

基于公開的新聞報導(dǎo)和文獻，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，汽車起火大多是由電池內(nèi)短路引起的，內(nèi)短路時并不一定立刻產(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)車輛駛離充電點或者運行停止以后，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)管與防護提出了更高的要求。 但是，目 前大部分新能源汽車靜置時的狀態(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?/p>

2 起火原因機理分析

2.1 內(nèi)部短路機理

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。 機械濫用、熱濫用、電濫用、機械制造等都是內(nèi)短路主要的 觸發(fā)形式。 機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)生機械接觸形，進而導(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械濫用、電氣 濫用和連接器連接點失效造成的，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，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，這并不是一個短期的過程，在長時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， 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 外部短路機理

外短路可能在意外漏水或油漬進入電池包、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。 外短路的機理類似于在電池正負(fù)極兩端直接并聯(lián)一個較小的電阻，引起快速放電的現(xiàn)象。 因為連接的電阻很小，所以 會導(dǎo)致放電時電流極大、電池溫度迅速升高，可能造成電池端子熔斷，進而引發(fā)熱失控。

2.3 過充電機理

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 過放電機理

因為電池的不一致性是不可避免的，當(dāng)某個電池單體的電壓低于規(guī)定的放電截止電壓時仍持續(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會被一起串聯(lián)的其它電池單體強行放電，在強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, SEI)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 ，鋰離子流通時的阻力將會增大，而 SEI 膜則在其負(fù)極會再次形成，同時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，鋰離子內(nèi)部將出現(xiàn)熱分解反應(yīng)。 大概在 80~120°C，由 SEI 膜首先進行反應(yīng)，SEI 膜的分解 會使得負(fù)極活性物質(zhì)失去保護層，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，聚乙烯隔膜在 130°C 左右時、聚丙烯在 170°C 左右時隔膜孔將會關(guān)閉，能阻斷短路電流，對電芯起到一定保護作用。 溫度在 190℃左右時 電阻隔膜將會溶解，此時正負(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匦袨椋瑢崟r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行預(yù)警，避 免造成較大的損失。 詳細(xì)試驗與特征參數(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入充電站采用直流快充的方式 進行充電，一小時后充電發(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。 半個小時后消防 到達(dá)現(xiàn)場，進行滅火并將事故車輛帶回服務(wù)站進行拆解。 該車處于直流快速充電狀態(tài)時發(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特征參數(shù)的變化可以得出：在發(fā)生熱失控時，故障電芯的溫度和電壓發(fā)生異常變化。 48 號電芯從 517 開始出現(xiàn)電壓下降，524 停止充電，515 時 49 號電芯開始出現(xiàn)電壓下降。 51、52、53 號電芯在 516 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。 519 探針 17 溫度采樣點出現(xiàn)溫度升高，522 探針 16、18、19、20 溫度采樣點出現(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，故障電芯的電壓和溫度將會迅速上升并且熱傳遞的時間極短，短時間內(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 動力電池改進措施及趨勢

5.1 改進電池材料

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，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，可以用作電芯隔膜基材，又或者在隔膜中加添加無機納米涂層，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聚合物復(fù)合隔膜具有很強的阻燃性，在火災(zāi)時正負(fù)極之間形成良好 的膨脹保護炭，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，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。 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，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會分解出含磷自由基，與其發(fā)生反應(yīng)進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)生機械碰撞電池受到擠壓碰撞時或電動汽車著火時，電池包殼體對電池組的機械防護至關(guān)重要。 增強 外殼的阻燃性能，當(dāng)電池發(fā)生熱失控時，高阻燃外殼具有抑制火勢擴散的功能。 改善電池的密封性能，對防止電池包 浸水、熱失控時產(chǎn)出的氣體泄露和燃燒擴散具有重大的影響。 在殼體表層采用耐阻燃涂層，增強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，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) 上也可以采用高強度材料，采用加強筋或者設(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，保護電池組受 到損壞，降低由于機械碰撞造成短路的風(fēng)險。

5.3 改進散熱系統(tǒng)

動力電池包是由若干個單體電池串并聯(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， 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，合理的氣體泄壓閥的結(jié)構(gòu)能及時排出內(nèi)部的產(chǎn)生的氣體，控制電池包內(nèi)的氣壓。 設(shè)計易燃?xì)怏w的快 速擴散通道，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行提供了保障。海量的運行數(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，促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，打下了堅實的基礎(chǔ)。利用車輛上傳到平臺的歷史數(shù)據(jù)對新能源汽車進行故障診斷并及時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?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的安全智能算法正是目前學(xué)者們研究的熱點。Ruixin Yang 等人提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，僅通過電壓數(shù)據(jù)來估計短路電池單元的電流，然后再通過三維電熱耦合模型，利用估計的電流預(yù)測外短路單元的 最高溫度，及其在內(nèi)部和表面的溫度變化分布。Sida Zhou 等人提出了一種新的耦合的自適應(yīng)粒子群模擬退火算法， 將它應(yīng)用到了三種常見的等效電路模型中，并對三種商用電池進行了試驗，為算法的合理性做出了證明。Lei Yao 等 人提出了一種基于支持向量機的故障診斷算法，該算法根據(jù)電池電壓曲線的波動程度，將其電池狀態(tài)分為四個級別。Jiannan Zhang 等人提出了一種基于雙溫度測量和雙態(tài)熱模型的總產(chǎn)熱估算方法，并通過實驗校準(zhǔn)該模型進行計算研 究，在設(shè)計的快速充電實例中，充分驗證了該算法的精度和有效性。Xiaoyu Li 等人提出了一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 和樣本熵的電池故障檢測方法。首先對電池電壓信號進行分析，消除電壓采集過程中的噪聲干擾，使用模態(tài)分解方法 獲得有效的故障信息，通過實驗定量地說明提取的故障特征。然后，根據(jù)這些提取的故障特征，計算樣本熵值，幫助 準(zhǔn)確檢測和定位電池故障。Chang Chun 等人利用粒子群算法和 3σ 準(zhǔn)則篩選策略設(shè)計出一種故障診斷方法，對電池 單體的一致性相對位置演化進行定量評分，通過該評分結(jié)果，對故障電芯進行識別和定位。利用收集到的實際故障車 輛的數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性，并分析了不同電池對該算法的影響。Jichao Hong 等人結(jié)合北京電動汽車服務(wù)和管 理中心獲取大量的電動出租車的實際操作數(shù)據(jù)，提出了長短記憶型遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過對不同參數(shù)和季節(jié)進行 10 倍交 叉驗證，驗證了該方法的準(zhǔn)確性和魯棒性。并結(jié)合閾值和實際運行數(shù)據(jù)驗證了所建模型對各種電壓異常預(yù)測的可行性、 穩(wěn)定性和可靠性。Yujie Wang 等人提出了一種基于模型的絕緣故障診斷方法。首先，建立了絕緣故障診斷電池模型， 然后采用遞推最小二乘法對模型參數(shù)進行識別。并且考慮到系統(tǒng)的非線性特性、測量噪聲和未知干擾，采用無跡卡爾 曼濾波進行絕緣狀態(tài)估計。Da Li 等人提出了一種將長短記憶法與等效電路模型相結(jié)合的電池故障診斷方法，并從 中國國家新能源汽車監(jiān)控管理中心獲取大量真實運行數(shù)據(jù)進行驗證。驗證結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電池潛在故障的 準(zhǔn)確診斷和熱失控電池的精確定位。Yunlong Shang 等人提出了一種基于改進樣本熵的電池早期多故障實時診斷方 法。該診斷方法可以診斷和預(yù)測不同的電池早期故障，包括短路和開路故障，以及預(yù)測故障發(fā)生的具體時間。

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趨勢。

（1）基于文獻和新聞報道統(tǒng)計了近 6 年內(nèi) 150 余起新能源汽車起火事故，并對其起火原因進行了歸納總結(jié)。

（2）對起火原因進行了分析，重點描述了內(nèi)短路、外短路、過充過放、熱失控等機理。對于機械濫用、電濫用、熱濫用等觸發(fā)形式進行了詳細(xì)的闡述。

（3）在發(fā)生熱失控時特征參數(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 文獻基于電池?zé)崾Э貙嶒灂r特征參數(shù)的變化和定義。

（4）在實例方面，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散時間極短。

（5）在安全建議方面，從改進電池材料、電池包殼體、散熱系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)的安全預(yù)警方面進行了詳細(xì)的闡述。重點總結(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，使其故障診斷 難度較大，電池安全依然是未來的研究熱點。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。

審核編輯：湯梓紅