【摘要】 針對電動汽車上鋰離子動力電池的化學能量釋放出現電池燃燒和電解液洩漏，導致有毒氣體、整車燃燒或爆炸的問題，介紹了該問題的市場現狀、標準法規要求，同時分析了熱失控和熱失控擴展的機理，以及導致熱失控的各種誘因，並進一步分析了從電池設計、整車開發、車輛使用到安防等環節的各種風險因數，以及對應的風險控制方案。
1 前言
目前在國內汽車市場上電動汽車發展迅猛，它所採用的動力電池絕大部分是鋰離子電池，鋰電池技術發展迅速，性價比快速提升。但隨著電動汽車在社會上大批量投入使用，也遇到了一些問題，比如少量的電動汽車因為各種原因出現了鋰電池起火，進而導致整車燃燒問題，或鋰電池破裂導致有毒的電解液洩漏到空氣中的問題。鋰離子動力電池的起火燃燒風險，來自於電池的化學能在高溫下瞬間釋放(高壓電擊不在本文討論的範圍)，表現為：電池的熱失控和熱擴散引起整車燃燒或爆炸、或者電解液洩漏有毒氣體。本文系統的介紹了這個問題的各個風險環節，並提出對應的風險控制措施。
2 電動汽車燃燒事故的現狀與法規要求
國家新能源汽車監管平臺近年來一直在監控新能源汽車安全事故，新能源汽車國家大數據聯盟在2019年08月發布的《新能源汽車國家監管平臺大數據安全監管成果報告》顯示[1]：2019年5月起3個月之內共發現79起安全事故，涉及96臺車，情況很嚴重。已查明著火原因主要是電池自燃、車輛碰撞、車輛浸水、車輛不合理使用問題，它們導致了鋰離子熱失控。事故車輛中磷酸鐵鋰電池佔比7%左右、三元鋰離電池佔比86%左右，剩餘車輛電池不明。
與電動汽車的總體銷售數量對比來看，車輛燃燒和電解液洩漏的比例並不大，但是引起了廣大用戶的嚴重擔心，也影響了車輛銷售。
目前涉及動力電池安全的標準有GB/T 31484—2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》、GB/T 31485—2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》和GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分:安全性要求與測試方法》。其中GB/T 31485—2015[2]對於電池包的過充電、過放電、外部短路、跌落、外部加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、溫度循環、低氣壓10個方面做出了嚴格要求。國家標準GBXXXX《電動汽車用動力蓄電池安全要求》已經進入報批階段[3]，它將作為強制性法規正式發布，預計在2020年代替上述標準GB/T 31485—2015和GB/T 31467.3—2015，對於電池包的安全要求加嚴了,表1列出了涉及電池安全的相關標準。
表1 電動汽車中涉及電池安全的相關標準
目前我國涉及動力電池安全的整車標準法規有5項，見表 1，其中 GB/T 31498[4]、以及 GB/T 18384.3[5]是核心的內容。新標準GB XXXX《電動汽車安全要求》，將代替GB/T 18384《電動汽車安全要求》，也準備作為強制性法規發布執行。
在地方標準中，上海地標DB 31/T634—2012《電動乘用車運行安全和維護保障技術規範》[6]在涉水深度以及試驗工況都要嚴於國標要求，目前也正在修訂過程中。
在國際標準中，IEC 62133-2:2017《含鹼性或其它非酸性電解質的蓄電池和蓄電池組可攜式密封蓄電池和蓄電池組的安全性要求》[7]、國際標準IEC 62660-3:2016《電動道路車輛用二次鋰離子電池第3部分:安全要求》[8]，它們適用於鋰離子電池的安全要求。ISO 26262：2018《道路車輛功能安全》[9]、ISO 6469:2018《電動道路車輛安全規範》[10]，均涉及電動汽車的整車安全性。
3 鋰離子電池的初步分析
鋰離子液態電池目前佔據了動力電池市場的主導地位，主流鋰離子液態電池結構的主要組成材料如表2。
表2 主流鋰離子動力電池材料
圖1是鋰電池的內部示意圖。
圖1 鋰電池內部示意
按照正極材料劃分，市場上常見的鋰電池基本分為4類，其中磷酸鐵鋰電池的熱穩定性最好，錳酸鋰電池次優，三元鋰LiNiCoMnO2電池略差，而鈷酸鋰電池最差，電池性能比較見表3。磷酸鐵鋰電池循環壽命長、毒副作用小、成本低廉、充放電倍率大、高溫穩定性好，但一致性不好，能量密度低，在電動大巴車上使用較多。錳酸鋰電池成本低，毒害性較低，但熱穩定性差，循環壽命短，應用較少。三元鋰(LiMn2O4)電池能量密度高，但大功率充放電後溫度升高，高溫時釋放氧氣，熱穩定性較差，壽命較短，多用於空間有限的電動乘用車上。鈷酸鋰電池熱穩定性最差，它的正極在高溫時容易分解，加速熱失控，但能量密度高，續航更出色，特斯拉汽車採用了這種電池。主流鋰離子電池性能對比見表3。
表3 主流鋰離子電池性能比較
Peter J.Bugryni對磷酸鐵鋰電池和鈷酸鋰電池進行了比較[11]，兩種電池在烤箱中分別加熱到180℃和220℃，結果顯示磷酸鐵鋰電池的熱穩定性明顯比三元鋰電池更穩定、更安全。
在目前國內電動汽車市場上，磷酸鐵鋰電池由於體積問題，主要用於大型和中型客車，能量密度高達180 W·h/kg，相對三元鋰電池安全一點。小型乘用電動汽車鋰離子電池能量密度較高，主要裝配液態三元鋰電池，能量密度高達270 W·h/kg，但它的熱穩定性較差，電解液在200℃以上的容易燃燒，它的鎳、鈷、鋰配比從3:3:3、5:2:3到8:1:1的不斷變化，雖然能量密度一步步的提高,但它的熱穩定性卻在降低。
從理論上看，全固態鋰離子電池沒有液態電解液，也就沒有液態電解液分解燃燒的風險，豐田中央研發實驗室試驗顯示[12]：在同等條件下，全固態電池產熱量只有鋰離子電池的25～30%，安全性顯著提高，但放熱量依然存在，還無法做到絕對安全。目前液態鋰離子電池是主流，未來主流則是全固態鋰離子電池。
4 鋰電池本體的燃燒機理及解決措施
4.1 熱失控及熱擴散導致燃燒
鋰離子電池發生的起火燃燒事故，主要是電動汽車不合理的使用，造成電池化學能量瞬間轉換成熱能，造成電池內部熱失控和熱失控擴散，使電解液的有機溶劑在大量熱的作用下分解並蒸發，可形成易燃性混合物，遇火源引起整車燃燒爆炸。
4.1.1 熱失控
熱失控(Thermal runaway)是指由於鋰離子液態電池在外部高溫、內部短路，電池包進水或者電池在大電流充放電各種外部和內部誘因的作用下，導致電池內部的正、負極自身發熱，或者直接短路，觸發「熱引發」，熱量無法擴散，溫度逐步上升，電池中負極表面的SEI(Solid Electrolyte Interface)膜、電解液、正負極等在高溫下發生一系列熱失控反應(熱分解)。直到某一溫度點，溫度和內部壓力急劇增加，電池的能量在瞬間轉換成熱能，形成單個電池燃燒或爆炸。
引起單個電池熱失控的因數很多、很複雜，但電流過大或溫度過高導致的熱失控佔多數，下面重點介紹這種熱失控的機理。
以鋰離子電池為例，溫度達到90℃時，負極表面SEI膜開始分解。溫度再次升高後，正負極之間的隔膜(PP或PE)遇高溫收縮分解，正、負極直接接觸，短路引起大量的熱量和火花，導致溫度進一步升高。
熱失控時，230℃～250℃的高溫導致電解液幾乎完全蒸發、分解了。它含有大量易燃、易爆的有機溶劑，逐步受到熱失控的影響，最終分解發生燃燒，是熱失控的重要原因。電解液在燃燒同時，產生一氧化碳等有毒氣體，也是重大的安全隱患。電解液如果洩漏，在外部空氣中形成比重較大的蒸汽，容易在較低位置大範圍擴散，這種擴散範圍極易遇火源引起安全事故。
在正常的充、放電過程中，正極脫出微量的游離氧與碳負極反應也會生成少量的易燃氣體CO，在正常溫度時它們不會助燃。正極氧化物由於短路造成的高溫下會發生分解反應，會產生游離狀態氧。這一些游離氧和CO在高溫下會與電解液蒸汽一起發生燃燒，形成惡性循環。
清華大學對此進行了專項研究，圖2是他們的研究成果[13]，它指明了熱失控各階段材料的變化情況。
清華大學的研究顯示：正極中含鎳越多則熱穩定性越差，碳素材料的負極在壽命的前期較穩定，但是壽命衰減後變差。這從側面說明三元鋰電池的高鎳比例，雖然容量更大，但會導致更大的熱失控風險。
圖2 熱失控隨溫度的變化過程[13]
4.1.2 熱失控擴散
熱失控擴散指的是在電池包內部，個別電池熱失控後，熱量通過熱傳導和對流、輻射的方式迅速向周圍電池擴散，此時散熱裝置無法排除熱量，熱失控擴展到周圍電池，引起連鎖反應，電池表面溫度達到650～1 000℃，使電池包進一步燃燒。此時電池包卸壓閥門打開，火焰和濃煙擴展到電池包外部，此時在車外可能看到濃煙，進一步引燃車輛上電池周圍的可燃物，最終導致整車起火燃燒的現象。
從上述分析可以看出，電池內部就具備燃燒3要素，即可燃物、氧氣和火源。發生燃燒時，通常可採用噴水滅火，也可以採用乾粉滅火器、二氧化碳滅火器滅火，砂土也是安全的滅火工具，最實用的滅火劑還是大量的水，它可以快速給電池包降溫。
為了延緩整車燃燒的速度，給乘員足夠的逃生時間，強制性法規GB 8410—2006《汽車內飾材料的燃燒特性》[14]對於座艙內飾材料的阻燃特性有嚴格的要求，所有汽車廠商必須嚴格執行。
4.2 電解液洩漏有毒氣體
車輛使用過程中，因各種原因，電池包可能發生電解液洩漏，洩漏前期不一定有熱失控發生，不易覺察。電解液容易揮發，還有腐蝕性，與空氣混合後生成有毒、刺激性氣體，對空氣和水造成嚴重汙染，對人體器官會造成傷害，長期接觸易引起頭痛、頭暈、身體虛弱、噁心等。
鋰離子電池電解液蒸汽對眼、皮膚、消化道和呼吸道有明顯的刺激性影響。皮膚接觸電解液後，它會灼傷皮膚，要立即用大量清水衝洗皮膚。如果口腔和鼻子吸入的電解液，應迅速來到空氣新鮮的地方，呼吸新鮮空氣，必要時進行人工呼吸，嚴重時送醫院。如果不小心有電解液濺入眼睛內，馬上用大量清水衝洗眼睛，稀釋電解液，減輕對眼睛的傷害，嚴重者應該在衝洗後立即就醫[15]。
表4是一些常見有害氣體的傷害限值[16]。
表4 常見有害氣體的傷害限值
4.3 消除電池燃燒風險的措施
鋰離子電池本體安全性提升的主體責任在於電池廠商，但是涉及電池以外部分的責任在於整車廠商，涉及電池廠商、整車廠商的設計、生產各環節，包括以下幾個方面：
內部和外部的機械設計：電池內部固定單體電池的支架的強度和剛度，內部定向洩壓、電池與殼體內表面最小間隙，殼體密封性，整車上固定電池包的牢固性，整車碰撞變形時的安全距離。
優化動力電池管理系統(BMS)安全策略：充放電策略，過充電保護，過放電保護，過電流保護，溫度和溼度監控，高溫和低溫極限保護、內部壓力監控、發生機械碰撞時斷電保護等。
內部電氣設計安全：電池組、BMS硬體、液冷管路的布局，電線連接的可靠性，絕緣等級，等電位設計，最小電氣間隙。
外部電氣設計安全：電氣零件的高IP密封防護等級，高低壓自鎖與互鎖，高低壓系統隔離，電磁兼容(EMC)和電磁輻射(EMR)，整車絕緣電阻監控與報警，手動維修開關，安全警示標籤，外部主動滅火裝置。
電池廠、整車廠和售後維修部門的工藝安全：電池包裝運輸，進貨檢驗，作業現場環境規範化，標準作業指導書，中間過程檢查，返修監控，出廠檢驗。
目前，鋰電池廠商商和相關研究機構正在設法從鋰電池內部找出消除上述各種風險的措施，研發高穩定的電池材料，從根本上防止熱失控發生。這些研究內容包括電解液改進、正極材料改進、隔膜改進、表面包覆、洩壓閥及熱敏電阻(PTC)和加工工藝改進。
按照電池包的軟體和硬體，分為以下3個方面闡述改進措施。
4.3.1 電池內材料和工藝環節
(1)正極和負極材料的改性主要包括極片表面包覆和材料配方改進兩大方面。
(2)對電極形狀的改進。
電極形狀改進的重要技術措施是疊片工藝，這一工藝技術對降低熱失控具有一定的作用。目前電池正極以整體卷繞工藝為主，電極極片在卷繞拐角處有內應力，在使用一段時間之後內應力會誘導極片產生破裂，容易誘發熱失控。而疊片工藝由於生產工藝效率低下，遠不及卷繞工藝應用廣泛，但極片一片片的疊加，它沒有拐角處應力問題，熱失控的誘因降低了。
(3)對高安全性電解液的改進，包括新型鋰鹽的研發、溶劑改性以及添加電解液添加劑。
(4)研製高強度的無機隔膜或智能隔膜，以替代目前的有機隔膜材料。
智能隔膜技術對於控制鋰電池內部溫度具有一定的意義。採用美國Celgard公司的3層智能複合膜，在溫度120℃時，上、下層PE膜裡面的微孔閉合，減緩鋰離子通過，電流減少溫度就會下降。溫度135℃時，中間層PP膜裡面的微孔閉合，鋰離子不能通過隔膜，沒有電流通過，隔膜溫度就會下降。
(5)熱失控初期電池內氣體壓力增大，達到某個限值時將氣體排放出去，防止燃燒。
電池蓋安全技術狀態對於防止燃燒是關鍵。在電池蓋的表面增加刻痕，當內部熱失控氣體壓力達到一定程度時，氣體在刻痕處衝破電池蓋，從此處排放出去。
(6)保證各個電池一致性，對電池進行分組，便於BMS管理。
市場新出現的電池包CTP(Cell To Pack)技術，它取消了電池組框架，結構更加簡化，但是對於電池的一致性要求更高。
另外，電池生產現場的雜質也會進入電池內部，引起短路，隨時可能誘發熱失控，為此必須做好生產現場的清潔工作。
4.3.2 電池包結構與安全設計
當發生熱失控及擴展時，儘量降低事故的嚴重性，除BMS安全管理以外，還有電池包安全結構技術，以及主動安全技術。
結構安全設計包含電池內部結構優化、熱傳播阻斷設計(阻燃複合材料的使用)，排放閥的排洩通道設計(目前國內市場上主要是EPV(Explosion Proof Valve)防爆閥，不能完全隔離水汽進入電池包)、PTC及熔斷器設計等。
電池包內部布置時，必須進行電氣布局優化設計，減少插接件的數量和不合理的線束走向，讓整體的布局更加緊湊。電氣設計時要對最小電氣間隙及爬電距離進行優化，採用分布式電池外短路保護設計，多維模組熱擴展結構防護透氣防爆裝置。
常用的熱傳播阻斷技術有模組間的隔熱設計，在模組之間增加隔熱零件，目前特斯拉汽車採用電池組之間增加雲母片進行隔火。
增加電路熔斷保護設計。為防止主迴路過載發熱和短路危險，在產品設計中採用了在主迴路中安置主熔斷器、主繼電器、模組過流保護、電池過流保護和過流分級防護技術。為防止因電池包浸水和採集迴路(對每一個單體電池或電池組的電壓進行檢測的低壓電路)導線及連接器失效，造成的短路對電壓採集迴路有傷害，在電壓採集線電源端設置採集線路過流防護熔斷器，對系統內所有電壓採集迴路進行保護[17]。
目前電池廠商多數通過監控電壓來判定電池熱失控，有的廠商也通過溫度來判斷。但目前多數廠商趨向於在電池包內安裝專用的壓力傳感器模塊，單個或多個電池向外熱失控時向外排放氣體後，電池包內壓力達到設定值時BMS系統綜合判定後開始報警。壓力傳感器模塊可以在停車後一段時間內處於待機狀態，繼續檢測壓力，如果壓力超標就會通知BMS系統啟動，開始監測工作。
採用主動安全技術的防爆設計。若電池發生機械碰撞及過充電的濫用情況(後面對7大類濫用原因有詳細介紹)，電池內部發生熱失控時，大量高壓氣體封閉在電池內部，電池布局時設法讓電池向指定的安全方向排放氣體，杜絕了危險的進一步擴大。
採用主動安全技術的主動滅火裝置。火災探測裝置決定滅火裝置能否適時啟動、及時滅火、主動噴射惰性氣體或製冷劑來冷卻電池，目前主要在大型客車及公交車上推廣，在小型電動乘用車上還沒有應用。
4.3.3 BMS熱管理控制環節
熱管理控制技術，可以防止預防熱失控的發生，在熱失控初期減緩它，抑制熱失控擴展。
熱管理控制技術屬於BMS功能的一部分，它可以通過對每一單體電池組實施監控，若發現單體電池溫度過高，則實時反饋，並及時切斷該電池的外部電路、啟動電池組冷卻系統和滅火系統。熱管理技術可以儘量使各電池組在最佳的溫度範圍內工作，防止熱失控發生和擴展、及時發出電壓和溫度監測報警等。
BMS在充電過程中，根據每臺車輛上電池狀態的變化情況自動給出最佳的充電方案，並將信息反饋給充電樁，實施最佳的充電方案。雖然在電池廠商在組裝時，會對電池按照差異最小化的原則進行電池分組，但隨著車輛使用時間增長個體電池的性能會逐漸出現差異，BMS的充電策略對於實施個體電池精確的控制越來越困難，可能會造成電池過充。
在採用快充電方案時，BMS系統可以根據電量、溫度信息，靈活調節充電速度，總體原則上先快後慢。在圖3[13]中，方案3最安全，但是它的控制要求高，方案1最簡單，但是熱失控風險最大，方案2介入兩者之間。
圖3 鋰電池充電策略[13]
從BMS角度來看，熱失控發生之後，它無法消除這個風險，但要求它至少能提前5 min發出警報，給乘客的逃生贏得時間。優良的BMS在熱失控的前面階段把內部短路風險識別出來，至少提前15 min報警，給乘員發出報警並全車自動斷電，讓乘員安全離開。
5 整車上電池燃燒的7類誘因分析
鋰離子電池的電動汽車起火原因非常複雜，只能根據市場上已經起火的車輛進行分析，發現觸發熱失控的誘因分為以下7大類，這些誘因直接或間接觸發了毒氣外洩或電池的熱失控和熱擴散，最終導致整車火災。
5.1 鋰離子電池的電流異常
鋰離子電池的電流異常使用包括過充電、過放電、大電流使用、外部電路短路、低溫環境充電和高溫環境用電，它們使電池正負極、電解液異常發熱導致「熱引發」，進一步發生熱失控反應。
車輛頻繁急加速急減速：在大電流充放電時由於內電阻的存在，或者外部電路短路，都將引起正負極迅速發熱，這些熱量就發生電池燃燒的誘因。為此車輛在使用過程中要避免頻繁急加速或急減速，它會導致電池輸出或輸入大電流。
過充電：電池充滿之後，在負極端的鋰原子會達到飽和狀態。繼續充電時導致正極材料損失太多鋰原子，層狀晶格結構的突然各向異性收縮高達5%(即「晶格坍塌」)，電池容量永久性降低。負極上鑲嵌滿鋰離子之後，過充電時多餘鋰離子在表面繼續沉積，形成樹枝狀結晶，即鋰枝晶。繼續充電，鋰枝晶最後會擊穿隔膜，發生短路，見圖4中黃色部分。GB/T 31485—2015對過充電有明確的要求，即充電至額定電壓的1.5倍，或電池充滿電後繼續充電1 h，要求電池1 h內不爆炸、不起火。
圖4 鋰枝晶示意
過放電：過放電時,過多的鋰離子從負極通過電解液和隔膜轉移到正極，負極石墨電極的層狀結構失去了支撐坍塌，再充電時不能再鑲嵌進鋰離子，造成電池容量永久性下降。放電時負極表面形成銅結晶，過放電時石墨表面覆蓋銅枝晶，它也可以刺穿隔膜。由於各電池的容量有差異，電池組中容量較小的電池在過放電的時候會出現正負極顛倒,觸發熱失控。
5.2 鋰離子電池內部故障
鋰離子電池內部故障：生產製造過程中電解液分布不均勻、電極上毛刺、材料中金屬雜質、隔膜破損或表麵粉塵物理因素，都可能會引起電池內部短路，它們大部分可以在初期檢驗中可以檢查出來，但一些隱形的缺陷會在後期車輛使用過程中慢慢表現出來。
5.3 整車電氣故障
整車上與電池相連的高壓電路中，各種線束和電器元件、插頭部件失效，都可能導致電池熱失控。車輛使用過程中，插接件的端子因為浸水、鬆動、老化等原因造成接觸不良，或者由於車輛上其它電器的故障，導致電池包外部電路短路，如果熔斷機制未發揮作用，大電流急劇放電會誘發電池包的熱失控。
車主私自進行改裝電路，使整車用電負荷增加，改裝的電線搭接處容易接觸不良也容易誘發電路短路、發熱，如果導致高壓電路異常，容易引發電池包的熱失控。
5.4 機械傷害
電動汽車在行駛中可能與其它車輛發生碰撞，如果放置鋰離子電池的區域發生變形，電池包殼體可能變破裂，引起包內電池也相互擠壓變形，甚至破裂，就會引起熱失控。在車輛的行駛中，除車輛撞擊外，還有底盤刮擦、電池包固定件鬆脫等意外情況，引起電池包的跌落、擠壓，或者出現裂紋，殼體產生形變，導致單體電池擠壓破裂，出現漏液或內部短路，最終誘發熱失控。
5.5 外部水入侵
由於我國車輛使用環境很複雜，電動汽車在使用過程中有可能遇到暴雨導致車輛泡水，或者通過深水坑，這種水有弱酸性且有大量雜質，如果進入電氣接插件內，它的插接端子間可能短路或發生腐蝕，引起整個電路異常發熱，或者燃燒。
合肥工業大學研究了對單個電池用海水浸泡，導致熱失控的試驗[18]。他們採用NaCl鹽水作為替代海水，單個電池長時間浸泡後，安全閥會被鹽水損壞，鹽水進入電池內部出現短路，最後燃燒爆炸。
電池包的密封等級一般為IP67，理論上可浸泡半小時以上的時間。日常生活中車輛在道路上涉水，或車輛短時間浸水等情況下，一般不會超過30 min，沒有問題。如果車輛長時間浸泡在水中，或者電池包的密封性不合格，水也會通過接縫或者插頭進入電池包內部。車輛長時間使用之後，電池包的密封材料就慢慢老化，也容易進水。
5.6 氣溫
鋰電池在充放電時性能與環境溫度關係密切，溫度會影響電池內阻，以及電解液中鋰離子的遷移速度，溫度上升則遷移速度加快，充放電速率增加。如果溫度下降則充放電的速度下降，同時電池容量也會下降。
低溫環境充電：低溫時電池容量會降低，大電流充電時材料會加速老化，而且會產生鋰枝晶，容易熱失控。
高溫環境用電：鋰電池的工作溫度範圍一般在-20℃至60℃之間。當環境溫度超過60℃時，高溫疊加電池工作熱量，可能誘發熱失控。
電控液冷保溫：相對於風冷卻的電池包，電控液冷系統通常與座艙空調系統聯合在一起形成複雜的溫控系統，冷卻液進入電池包內部，並用電控技術控制冷卻液的溫度和流動。在極端環境溫度下，它可以使電池保持在最佳工作溫度區間，即10℃～35℃之間，發揮最佳的電池效能，並獲得最長的壽命。
美國加州大學的模擬試驗表明[19]，電池包液冷系統不能阻止單個電池的熱失控，但是可以延緩或阻止熱失控向周圍電池擴散。
5.7 外部火源
車輛使用過程中有可能發生各種意外，如菸蒂引燃整車、點菸器引燃整車、炎熱的夏季太陽曝曬前風窗下方的香水和打火機等易燃物、充電時充電槍異常發熱、停車時排氣系統遇到車底的易燃物、相鄰車輛的燃燒等，引起車輛燃燒。
6 整車開發環節電池燃燒風險的控制
6.1 電池包的總布置
鋰離子電池包布置:鋰離子電池布置時，要滿足碰撞防護要求、電池包散熱要求、整車通過性要求、整車軸荷分配要求、外形與環境件兼容等。特別是整車碰撞過程中，車身結構發生變形時電池包的防護，避免碰撞過程中電池包發生變形、破裂。GB/T 19751—2005[20]《混合動力電動汽車安全要求》要求電池包儘量布置在座艙之外，有均勻的散熱和通風，且鋰離子電池排除的有害氣體必須排除座艙之外，也不能在車輛上聚集。
乘用車在被動安全方面滿足中國新車評價規程(C-NCAP)和中國碰撞法規的要求，在電池包總布置時，需進行正面、側面和後面碰撞情況下安全空間校核，對碰撞力傳遞途徑中關鍵零部件進行傳力和變形分析，電池包要布置在變形區域之外。如果電池包布置在機艙位置，正面碰撞時很容易受到變形的傷害。一般鋰離子電池可布置在乘員艙底板下及乘員艙內，小型乘用車的電池多數布置在座艙底板下方，或者車輛後部，相對車輛前部位置要安全許多，最優方案為電池包在座艙底板下方。對於側面碰撞，車身的中立柱和地板邊縱梁需要足夠的剛性來抵抗變形，碰撞中邊縱梁變形一般不大於80 mm，要求電池包外殼與地板邊縱梁之間的距離>85 mm，電池包才不會受影響[21]。
在總布置時針對高速碰撞工況,可以利用計算機輔助工程(CAE)仿真計算,估算對應的碰撞安全間隙,優化電池包和高壓元件空間布置，從而避免後期不必要的返工。在碰撞完成後，實車上測量變形情況，將它與計算值進行比較，修正計算模型。
最小離地間隙：為了防止行駛中的電池包底部刮擦，進行1/5圖的總布置圖時候，要求電池包的最低點必須在「機械零件剛性限制面」之上，某車型總布置示例見圖5。一般情況下小型乘用汽車最小離地間隙大於110 mm。電池包可以採用高強度鋁合金託盤，如圖6[22]，或者下託盤採用雙層結構設計，這樣即使當汽車行駛中與地面上大石頭等異物碰撞時，在擠壓碰撞工況下外層變形但裡層不變形，保證裡面電池的安全。
圖5 布置電池包時高度限制
圖6 電池包的鋁合金託盤[22]
對於小型乘用車，為了避免路面上大體積石頭等異物衝擊電池包，電池包最好在車輛的最低點之上，如果用戶無法避免撞擊，寧可讓石頭等異物衝擊車輛前部的副車架等最低點，也不能衝擊電池包總成。
為了避免車輛使用過程中的小石子擊打電池包，另外炎熱夏季停車後地面熱輻射也會導致電池包升溫，建議廠商在電池包下方增加塑料導流板。
6.2 電池包安全相關的整車試驗
雖然電池廠商採取了各種安全控制措施，主機廠商也採取了各種安全方案，但是按照電動汽車的各種使用風險場景，整車廠應進行對應的整車驗證，這是保障電池包安全必須進行的驗證。通過驗證可以發現潛在的風險。為保證電動汽車整車和電池包安全，整車廠在新產品開發結束前應進行14項驗證項目，以批准電動汽車投入批量生產，其中包括驗證考核整車的所有系統(前面8項)和針對電動汽車的三電系統驗證項目(後面4項)，見表5。
6.2.1 整車碰撞試驗
如果車輛在充電及行駛過程中出現碰撞、翻車等事故，碰撞過程中以及碰撞後都要保證相關人員的人身安全。由於電動汽車既有傳統燃油車的一般碰撞安全問題，又有三電系統的高壓碰撞安全問題，它可能造成動力系統的短路、漏電、燃燒、爆炸，由此對乘員造成電傷害、化學傷害、燃燒傷害等，除了傳統汽車的相關保護需求之外，電動汽車還應當滿足高壓電系統安全。
防觸電安全：為了保證汽車碰撞後維護和救援人員沒有觸電風險，在碰撞過程中，安全氣囊ECU或專用斷電繼電器必須瞬時發出斷電信號，斷開高壓電迴路，GB/T 31498—2015要求斷電後交流電壓不大於30 V，直流電壓不大於60 V，避免乘員和行人遭受觸電風險，保證人員安全的情況下儘量保護關鍵零部件不受損害。同時國標GB/T 31498—2015對於剩餘電容量、物理防護、絕緣電阻也有相應的要求。
表5 涉及電池相關的整車試驗項目
電池碰撞安全：按照國標GB/T 31498—2015的要求，在高速碰撞工況下，保證大質量的鋰離子電池與車身安裝固定的可靠性，避免電池脫落對乘員和第三方造成傷害。GB/T 31498—2015評價標準：如果電池有漏液，不能超過5 L，且不能流入到座艙內。碰撞結束30 min內，車輛不得燃燒、爆炸。
碰撞完成後，在採取安全措施的情況下，對碰撞車輛分別進行90°和180°側翻後，檢查電池液洩漏情況，這一檢查模擬了電動汽車高速碰撞之後翻車的情況，目前國標無要求，但美國公路安全保險學會(IIHS)有此要求，整車廠商必須考慮這種風險。
6.2.2 動態離地間隙試驗
為了避免車輛行駛中遇到道路上的大石頭等異物、路面的起伏、地樁等，可能刮擦電池包的風險，整車廠必須在開放的道路上，進行整車動態間隙試驗。試驗完成後，檢查電池包的刮擦情況。評價標準：試驗結束後電池包外殼不允許出現嚴重的傷痕。
6.2.3 涉水安全
當電動汽車遇到涉水、暴雨等工況時，由於水汽侵蝕，高壓的正極與負極之間可能出現絕緣電阻變小甚至短路的情況，可能引起電池的燃燒、漏液甚至爆炸，若電流流經車身，可能使乘員遭受觸電風險。試驗中試驗員必須身穿高壓電絕緣衣物，安全是最重要的。
涉水試驗相關的國標GB/T 18384.3要求水深100 mm，它不能完全代表中國用車的實際情況，為此建議整車廠商必須進行上海地標DB 31/T634—2012中的涉水部分(最大水深度300 mm)試驗。評價標準：座艙和行李箱底板不能進水，試驗中和試驗後潮溼狀態下電池絕緣電阻監控系統不能出現報警。圖7是某車型進行300 mm深度涉水試驗照片。
圖7 上海地標涉水試驗
6.2.4 高寒、高熱和高海拔試驗
高寒試驗、高熱區試驗和高海拔試驗簡稱三高試驗，一般情況下在冬季極寒天氣、在黑龍江進行寒區試驗、夏季炎熱天在新疆、崑崙山進行熱區和高原試驗。電動汽車與常規的汽油車試驗完全相同，重點在於試驗過程中檢查三電系統(特別是電池包)在這一些地區使用時，是否出現異常情況，三電系統有無報警信號。這3個大試驗項目對應為國標GB/T 31485—2015中的高溫度、溫度衝擊、高海拔負壓試驗要求。
6.2.5 整車四通道模擬耐久試驗
由於電池包質量較大(例如：小型乘用轎車的電池包質量大約為300 kg左右)，固定在車輛下方，在生命周期內承受各種振動和衝擊，時間長了之後會出現固定螺釘鬆動或脫落，或者箍帶斷裂的情況，電池包可能脫落，出現嚴重的風險。為此，必須進行整車四通道耐久試驗模擬這種情況，它對應整車在嚴酷道路上行駛8萬公裡的情況，試驗完成後對電池包進行拆檢。評價標準：電池包的固定不能鬆脫，電池包內部零件不能出現鬆脫。
6.2.6 整車外部、內部暴曬試驗
該試驗模擬電動汽車在夏季高溫天氣情況下停車時，長期在太陽下暴曬，整車溫度(特別是座艙溫度)急劇升高，電池包的溫度也同步上升，要求電池包工作能正常，不能出現熱失控。還有一種情況是車輛外部油漆損害，補漆之後車輛需要局部加溫，此時電池包也有熱失控的風險。評價標準：試驗中(車輛未啟動)電池包外殼的最高溫度，要低於電池包的安全溫度。
6.2.7 三電系統安全試驗
該項試驗主要是評估整車三電系統在設計、實現方面潛在的缺陷，導致人員觸電的可能性，必須符合國標：GB 18384.2—2015《電動汽車安全要求第2部分:功能安全和故障防護》、《第3部分:人員觸電防護》，GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》[23]補充要求。這2個標準對人員觸電防護要求、功能安全防護要求、行駛過程中安全共3個方面提出了具體要求，當高壓電氣系統發生安全事故時，首先可及時預警並切斷高壓電，保證人員安全逃生。
6.2.8 整車熱逃脫試驗
2019年6月，工信部發布《關於開展新能源汽車安全隱患排查工作的通知》，提到「電池包或系統在由於單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發生危險之前5 min，應提供一個熱事件報警信號(服務於整車熱事件報警，提醒乘員疏散)」。工信部在2019年11月又發布了實施《電動汽車用動力蓄電池系統熱擴散乘員保護測試規範(試行)》通知，要求電池總成或整車狀態下進行熱逃脫(又稱熱失控)試驗。
該試驗可以在電池包內部放入PTC發熱元件，模擬電池內部短路等原因導致的熱失控情況，當溫升速率大於一定的限值或者電池包冒煙或有明火出現時，停止PTC加熱，利用攝像機記錄電池包和座艙的燃燒情況。評價標準：當熱失控觸發以後，5 min不能發生外部起火和爆炸，車門能夠打開，車上人員有充足的時間逃生。某PHEV插電混合動力車型熱逃脫試驗後，電池包拆開之後的照片見圖8。
圖8 整車熱逃脫試驗後電池包
6.2.9 各種千斤頂或舉升機試驗
小型電動乘用車輛在檢查或維修過程中，一定會用千斤頂或舉升機在車身下裙邊處頂起車輛。如果電池包的最低點要低於車身側面的下裙邊(通常情況下千斤頂作用在下裙邊上)，千斤頂或舉升機的作用點如果出現一定的偏差(通常情況下車身下電池包與下裙邊有一定的安全距離)，有可能直接頂在電池包上，導致電池包變形(通常情況下單體電池與外殼之間有7 mm以上的安全距離)，觸發熱失控。
市面上千斤頂的種類有很多，電動汽車保養維修時都可能遇上，為此必須對市面上常用種類的千斤頂，仔細分析它們是否有頂在電池包上的風險，如果有，就必須進行對應的整車試驗。圖9是一種剪式舉升機，市面上正在逐步普及，必須考慮這種舉升機頂在電池包上的可能性，它可能導致電池包變形。評價標準：如果有變形，電池殼體內表面不能觸及電池外表面。
圖9 剪式舉升機
6.2.10 碎石石擊試驗
車輛行駛中可能遇到各種小石頭，它們會被車輪帶起來，擊打在電池包的底部，長期的打擊會導致電池包外保護層破壞，石子卡在小縫隙裡面，或者外殼出現凹坑。外保護層被破壞後，再遇到水或泥的侵蝕，最終導致外殼腐蝕穿孔，遇水會觸發熱失控。評價標準：小石子不允許擊打在無防石擊塗料或護板保護區域，保護區域內的塗料或護板不允許出現嚴重傷害。
如果電池包下方有塑料的導流板，它可以保護外殼免受石擊，可以取消該試驗。如果外殼採用防石擊塗料，必須進行該試驗。
6.2.11 電池液冷迴路密封試驗
為了控制電池包的溫度在一定的範圍之內，許多車輛採用的電控液冷保溫技術，冷卻液在電池包內流動，如果洩漏就會直接接觸單個電池，產生很大的安全風險。為此，必須在整車狀態下對冷卻系統進行密封性測試。整車廠通常在每一臺車加注冷卻液之前會進行氣密性檢測，合格之後才會加注。同時整車的空調環境模擬或電池冷卻系統性能試驗時，可以檢測電池冷卻系統的密封性或系統壓力，如果壓力達標則密封性肯定無問題。評價標準：不能出現液體洩漏。
6.2.12 PHEV車型燃油箱隔熱
這個試驗專門針對PHEV插電混合動力小型乘用汽車，通常它的電池包和燃油箱並排布置在車輛後部。整車試驗時模擬電池包發生熱失控時，導致相鄰的燃油箱外部溫度升高，燃油箱通常採用塑料材料，此時燃油箱不允許出現融化現象。評價標準：燃油箱塑料殼體不能出現融化現象。如果不滿足要求，燃油箱外部必須增加隔熱板。
6.2.13 整車火燒試驗
該試驗模擬電動汽車遇到外部火源之後，電池包被引燃，出現毒氣，消防員進行滅火，冷卻電池防止燃燒的場景。目前國內該試驗還處於研究階段，也沒有相關的標準要求。
6.2.14 整車水浸泡試驗
該試驗模擬電動汽車的完全或大部分在水中浸泡8 h，從水中取出來靜置30 min，觀察電池包是否會出現重新復燃的現象。目前國內該試驗還處於研究階段，也沒有相關的標準要求。
7 在車輛使用中燃燒風險的預防和處理
7.1 用戶合理使用車輛
整車廠商要將合理用車的知識傳遞給最終用戶，用戶也需要按照這些要求合理使用車輛。另外，除了車輛本身的安全以外，整車廠商和售後服務部門還要考慮到操作和維修人員的安全，需要進行專業培訓、將安全知識傳達給車輛使用人員等。廠商對於已經出現問題的車輛，要仔細分析原因，並找到解決措施。
作為整車廠商，有義務通過各種渠道，告知用戶安全合理使用電動汽車，如公司對外網站宣傳、車輛使用說明書、車輛局部粘貼警告標識等。車輛使用說明書必須包括電動汽車在使用各環節的注意事項，要求客戶在遇到車輛長時間浸水、強烈撞擊、底盤刮擦等情況後，到4S店檢查。明確要求用戶不要私下改裝整車電路。同時使用手冊應該告知車輛發生燃燒之後，用戶應該採取的行動，如切斷車輛電源，並及時告知救援人員如何切斷高壓電系統、提供車輛使用手冊等等。
下面列出了車輛使用過程中的風險。
7.1.1 充電
用戶要按照使用說明書的規定來操作，免在下述情況下充電：夏季炎熱時最好避免在陽光暴曬的場地充電，冬季環境溫度-10℃以下不要充電，選擇有漏電保護裝置的充電樁。
如果車輛上同時有慢充和快充接口，優先採用慢充的方式，快充的大電流容易導致熱失控。充電的時間不宜過長，一般情況下充滿後系統會自動斷電，如果不能斷電會導致車輛出現過度充電，誘發熱失控，或降低電池包的壽命。在下雨天時候充電槍的插拔過程中，注意插頭的防水。如果遇到雷雨等極端天氣，建議不要充電。
根據相關電池熱失控對比試驗[24]，在其它條件完全相同的情況下，3個同樣的電池分別採用1.5 C，1.0 C和0.5 C倍率充滿電，並豎直放置，在電池底部相同的加溫條件下，3個電池出現爆燃時刻分別為360 s，880 s和980 s，這說明了快速充電的風險較高。
7.1.2 駕駛
用戶駕駛電動汽車時儘量平穩，避免頻繁急加速或者急減速，為了輸出大功率此時電池包要大電流放電或充電，導致電極發熱，誘發熱失控，大電流也容易燒壞驅動電機。過度放電時會影響電池包壽命，以及電池容量。
在比較差的路段上行駛時，要注意防止路面上大石頭等，衝擊車輛底部。
7.1.3 車輛停放
炎熱夏季車輛長時間行駛之後不要直接停放在太陽曝曬之下。由於小型乘用車的電池包往往安裝在座艙底板下方，這樣地面輻射熱量被電池包吸收，疊加電池包本身工作中的熱量容易造成熱失控。整車廠商在設計時，可在電池包下方加一層塑料導流板，用於減少車底的空氣阻力，並防止小石子打擊電池包外殼並阻斷熱輻射。
電動汽車停放時，不能停放在地勢低洼易地方，特別是南方的暴雨天氣情況下，車輛不可以停放在容易深度積水的地方。
當電動汽車停車後，一般情況下散熱系統會停止工作，而且車底沒有行駛中的空氣冷卻，此時電池包熱量不易散發，容易誘發熱失控。在車停駛後，駕駛員不要立即熄火，讓散熱系統多運行一會兒。整車廠商也可通過各種控制程序設置，在車輛長時間或高速行駛停車後怠速運轉30 s至2 min，讓冷卻迴路等散熱裝置繼續對鋰離子電池組散熱。
如果停車後無法起動，用戶應聯繫售後人員進行檢查。
7.2 車輛例行保養
用戶按照要求到4S店進行例行保養時，企業應當針對使用電動車輛電池的特點，對可能導致熱失控的風險點進行全面排查，形成操作性強、便利性強的保養流程。如果發現重大風險，要根據相關法律法規進行召回或維修。
整車廠商合理規定電動汽車例行的保養時間和項目範圍，除燃油車常規的檢測項目外，電動汽車保養項目需要增加三電系統硬體外觀檢驗及電檢，一定要在斷開電路情況下進行，安全性是第一位的。
整車電檢主要包括對車輛的CAN線進行診斷，高壓電系統絕緣情況，三電系統的性能，整車各個控制器數據等，其中三電系統中電池包的電檢主要包括絕緣電阻檢測、電壓和容量檢測、通訊檢測。
三電系統外觀檢查主要是目視檢查電池包、驅動電機、充電機、控制器和高壓電線，包括零件外觀有無磕碰劃傷或變形變色情況、電路插接緊固情況。
汽車鋰電池是重點檢查項目，首先檢查電池包與車身連接的緊固件、箍帶的穩固性，防範汽車行駛中的振動引起的電池包脫落。電池包外表無裂紋、凹陷、凸起變形，外殼接縫的密封有效，各種標識清晰、無破損。排洩閥膜片沒有破裂，通氣孔上出現灰塵和異物時，採用乾燥壓縮空氣吹出汙物。清理外殼上的灰塵和汙垢，清理時採用乾燥的抹布，或乾燥化學試劑來清除。與電池包相連的各種電線的插頭是否鬆動，密封是否有效，插接端子處無異物，附近的壓緊螺釘無鬆動。對於液冷的電池包，冷卻迴路無液體流出。
7.3 車輛電池燃燒時的處理辦法
7.3.1 用戶首要考慮安全和及時報警
當車輛電池冒煙或失火時，用戶是無法自己滅火的，而且毒氣、燃燒和爆炸會威脅用戶的生命安全，為此建議用戶按照NFPA(美國消防協會)建議的6個步驟處理電池事故[25]。
(1)停止;
(2)如果可能的話，靠路邊;
(3)關掉汽車電源，立刻離開車輛;
(4)離車輛距離大於304 m，同時注意其它安全;
(5)撥打119火警求助;
(6)不要自己去滅火。
7.3.2 消防人員滅火時要注意火災的特點
電動汽車起火燃燒之後，相對於傳統汽油車，有以下特點[26]：
鋰離子電池燃燒時，負極材料受熱會產生一氧化碳和其它有毒物質，電解質和隔膜在高溫下會產生大量的烯烴、烷烴和醚化合物，加上電解液蒸發後在空氣中擴散，含鈷的正極材料會受熱分解產生有毒的含鈷氧化物，這些物質都具有一定程度的毒性。為此必須採取措施預防人員中毒。
為了確保救援人員的安全，救援前必須徹底切斷車輛的高壓電系統，如果無法判定高壓電系統是否斷電，就必須手動斷電：根據隨車配備的汽車使用手冊、相關消防標準流程及車輛上張貼的警告標識，明確高壓部件及斷電開關位置後，將開關置於關閉狀態，切斷鋰離子電池的供電系統、拔掉鋰離子電池的保險絲，確保汽車電路系統充分放電。
由於電池的特殊結構，它內部完整地包含了燃燒3要素，一些成分在高溫下會生成氧化物，即使在缺氧環境下也能繼續燃燒，通過窒息來滅火無濟於事，而鋰離子電池的外部包裹金屬外殼，而且布置在車輛的下方，滅火劑一般很難作用於電池內部，因而乾粉、二氧化碳等滅火劑對鋰離子電池包的滅火效果並不理想。香港理工大學的研究顯示[27]，採用水流對電動汽車滅火後，水中溶解的物種可能含有較高水平的氟化物和氯化物，對環境有傷害，需要消防部門注意水的環保性。
消防研究顯示[28]，對於電動車燃燒會產生有毒氣體，含有五磷五氟化，磷化氫，氟化氫和其它有毒、有害物質，需要注意人員安全防護。目前還沒有一個合理的滅火方法，這是一個世界性範圍的難題。在實際滅火過程中，大量的水是最方便易得、效果最好、經濟實用的滅火劑[26]，它雖然不能進入電池包內部，但可以迅速給車輛和電池包降溫，讓燃燒逐漸停止下來。用水給電動汽車滅火，可能會有其它副作用，只是一個消極的辦法。對於電動汽車而言，雖然電池包外部已經滅火，但內部仍然在發熱，為防止復燃，需要在滅火後對鋰離子電池進行長時間的監護。
PHEV插電混合動力汽車發生起火時，應當特別注意燃油箱(通常情況下電池包和燃油箱並排布置在一起)、電池等關鍵部位的冷卻滅火。當燃油洩漏時，應當噴射泡沫覆蓋洩漏區域，防止燃油蒸汽發生燃燒爆炸。
基於電動汽車上述特點，對於消防人員提出了一個難題，需要消防部門仔細研究電動汽車滅火技術特點。國家已經發布涉及電動汽車消防的標準：GB/T 38117—2019《電動汽車產品使用說明應急救援》，正在制定標準GB/T XXXX-XXXX《電動汽車災害事故應急救援指南》，對於這方面的工作將有很大的幫助作用。
8 結束語
安全應當貫穿在電動汽車全生命周期當中，起火燃燒問題不完全是技術問題，它包括電池廠商、整車廠商、政府、用戶和消防主體，覆蓋公交、出租、充電多個領域，不能僅僅依靠於製造廠商，需要各環節都採取安全措施。
政府部門應當組織開展電動汽車安全問題的系統性研究，從標準、認證、檢測和監管諸多方面予以規範，在研究制定相應的安全標準和法規來約束上市產品的同時，還需要加強事中、事後監管。
解決起火燃燒問題，根本上還是要依靠技術進步和創新突破，如固態電池、電芯材料改進、BMS系統改進、整車防護，這需要電池廠商和整車廠商的共同努力。同時新技術的不斷出現會解決一部分問題，也可能產生新的問題，需要廠商不斷研究。
從新興產業發展的一般規律來看，在發展初期，產品容易出現一些問題，這是正常的。如同燃油汽車早期發展過程一樣，電動汽車也會出現各種問題，只要各方面都努力工作，這一些問題肯定會逐步解決，用戶會使用上很安全的電動汽車。