在電動(dòng)汽車的碰撞事故中，電池有可能發(fā)生損壞，電池破壞可能導(dǎo)致熱失控甚至著火。研究電池碰撞損傷、建立電池模型及研發(fā)保護(hù)方法都需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)電動(dòng)車電池碰撞安全性也需要出臺(tái)試驗(yàn)評(píng)測(cè)方法。試驗(yàn)評(píng)測(cè)是不是就必須進(jìn)行整車的帶電碰撞試驗(yàn)?zāi)?？事?shí)上，我認(rèn)為整車或整個(gè)電池包層級(jí)的帶電碰撞試驗(yàn)不是必要的，因?yàn)閺呐鲎舶踩Ｗo(hù)設(shè)計(jì)的角度，我們并不是要評(píng)估碰撞后著火有多么劇烈，而是要評(píng)估碰撞是否引發(fā)了著火的前提條件。

在電池不充電狀態(tài)下進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，可以評(píng)估結(jié)構(gòu)和材料的破壞，也可以評(píng)估各電池組是否發(fā)生了短路。在碰撞下，電池發(fā)生短路是發(fā)生熱失控或著火的必要條件。我這里強(qiáng)調(diào)的是，“在碰撞下”發(fā)生短路是發(fā)生熱失控的必要條件。在其他情況下，如在電動(dòng)車的正常行駛或停置（包括充電）時(shí)，電池發(fā)生熱失控則可能存在其他原因。

采用不帶電或帶很低電量的碰撞試驗(yàn)，完全可以檢測(cè)出因碰撞破壞導(dǎo)致的短路或其他熱失控的指征，是因?yàn)榧词钩潆娏浚⊿tate of Charge or SOC）為0或者很低，電池或電池組的電壓、電阻、電阻抗等參數(shù)都會(huì)有明顯的響應(yīng)，都能明確指征短路是否發(fā)生了。這樣來(lái)評(píng)測(cè)電動(dòng)車電池的碰撞安全性比較合適，既不保守，也不激進(jìn)。偏保守的要求是，在給定的碰撞工況下，不允許電池包或電池發(fā)生變形破壞，這會(huì)導(dǎo)致保護(hù)結(jié)構(gòu)比較重。比較激進(jìn)的做法是，不僅允許電池發(fā)生變形破壞，也允許發(fā)生短路，只是不允許發(fā)生熱失控，但這樣對(duì)測(cè)試對(duì)象和試驗(yàn)測(cè)量都比較敏感，不容易給出可靠的評(píng)測(cè)方法或評(píng)測(cè)結(jié)果。我們認(rèn)為，比較適中的評(píng)測(cè)要求是，允許電池發(fā)生變形，但不允許發(fā)生短路，以是否發(fā)生短路為危險(xiǎn)指標(biāo)。

帶不帶電以及帶電量多少對(duì)電池及組分材料的力學(xué)性能可能有影響，因此，如果以研究電池碰撞失效和短路發(fā)生機(jī)理為目的，是需要進(jìn)行電池的帶電碰撞實(shí)驗(yàn)的。盡管帶電量在整車層面也有影響，但并不意味整車層級(jí)的電池碰撞安全性評(píng)測(cè)試驗(yàn)需要帶電。我們的研究表明，電池帶電或SOC高的狀態(tài)一般更危險(xiǎn)，那不帶電試驗(yàn)就是一個(gè)偏保守的試驗(yàn)。在有多個(gè)代表性工況的情況下，可選擇偏保守的工況進(jìn)行測(cè)試。

在電動(dòng)車整車或者整個(gè)電池包的碰撞安全評(píng)測(cè)中不上電，還有助于保證實(shí)驗(yàn)室安全并提高試驗(yàn)工作效率。如果采用電池包或電池模組帶較多電量進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，盡管不是每次試驗(yàn)都發(fā)生著火，但一旦發(fā)生大面積熱失控或劇烈著火，增加了清理時(shí)間，影響工作效率。此外，碰撞試驗(yàn)已經(jīng)導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)和材料破壞，如果再伴隨有著火，則很難對(duì)試驗(yàn)后的電池進(jìn)行觀察和分析。

汽車碰撞安全評(píng)測(cè)試驗(yàn)中一個(gè)可以類比的例子是，燃油車針對(duì)油箱的碰撞安全性評(píng)測(cè)試驗(yàn)是通過(guò)注入不可燃液體替代燃油進(jìn)行整車碰撞試驗(yàn)的，評(píng)測(cè)指標(biāo)是碰撞后油箱是否有液體泄漏，不是油箱是否變形，也不是是否著火。要求碰撞后油箱不泄漏也是一個(gè)適中的準(zhǔn)則，而要求碰撞后油箱不泄漏且不變形就是一個(gè)偏保守的準(zhǔn)則，允許泄漏但要求不著火則是一個(gè)偏激進(jìn)的指標(biāo)。

如果碰撞事故導(dǎo)致著火的話，電池包帶多少電與發(fā)生事故后著火的劇烈程度有關(guān)，是消防和救援層面需要評(píng)估的問(wèn)題。電池著火后的危害程度當(dāng)然也需要研究，但可以設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)來(lái)評(píng)估，通過(guò)整車或電池包的碰撞試驗(yàn)并不是最好的方法，況且碰撞試驗(yàn)不一定會(huì)引發(fā)著火，電池著火也還有碰撞以外的誘因。因此建議，不要通過(guò)碰撞，而是通過(guò)其他方法誘發(fā)熱失控，研究或評(píng)估不同數(shù)量的電池堆積以及不同的帶電量下熱失控的擴(kuò)散程度以及著火的劇烈程度。

以研究電池碰撞失效和短路發(fā)生機(jī)理為目的，我們搭建了能確保實(shí)驗(yàn)安全的臺(tái)架，并于2015年底首次進(jìn)行了電池和電池模組的帶電碰撞實(shí)驗(yàn)（見下面的視頻），后來(lái)也做過(guò)整個(gè)電池包不上電的碰撞測(cè)試。在電池單體靜態(tài)擠壓或碰撞變形實(shí)驗(yàn)中，材料破壞一般都引發(fā)內(nèi)短路，但不一定發(fā)生熱失控，也有一些實(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)生了熱失控，產(chǎn)生煙霧、火花、甚至燃燒。電池實(shí)驗(yàn)后一般需要解剖、觀察、分析電池內(nèi)部的材料破壞情況，這也只能針對(duì)未發(fā)生燃燒的電池才能進(jìn)行。




圖2. 變形實(shí)驗(yàn)后的電池及破壞


圖3. 碰撞燃燒后的電池模組

在電池單體層級(jí)和電池組分材料力學(xué)性能層面，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其力學(xué)特性和短路發(fā)生與SOC的關(guān)系，建立可靠的電池單體模型，進(jìn)而輸入考慮SOC影響的電池模型參數(shù)，進(jìn)行電動(dòng)車的整車碰撞仿真和高帶電量的電池碰撞仿真來(lái)預(yù)測(cè)失效，以仿真手段評(píng)估SOC的影響。

綜上，對(duì)電動(dòng)車電池安全問(wèn)題的研究和防范應(yīng)區(qū)分層次和目的，相應(yīng)采取不同的實(shí)驗(yàn)手段或與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的手段。針對(duì)電池在外部機(jī)械載荷（如碰撞）作用下的安全問(wèn)題及安全保護(hù)，應(yīng)以電池變形和破壞是否引發(fā)短路為危險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，不需要進(jìn)行整車的帶電碰撞試驗(yàn)來(lái)評(píng)測(cè)。如果需要評(píng)估電池發(fā)生熱失控以后著火的劇烈程度，可以采用其他手段引發(fā)電池的熱失控，碰撞并非可靠和可控的手段。只有分層次和目的考察，才方便觀察現(xiàn)象和分析機(jī)理，進(jìn)而建立影響參數(shù)的模型。如果采用整車帶電碰撞來(lái)引發(fā)著火，會(huì)將多個(gè)因素耦合在一起，不易滿足評(píng)測(cè)試驗(yàn)的可靠性和可重復(fù)性等要求，無(wú)法很好的達(dá)到研究或評(píng)測(cè)的目的，往往還影響實(shí)驗(yàn)研究或試驗(yàn)評(píng)測(cè)的工作效率。


致謝：邢伯斌、潘哲鑫、祝凌霄、夏勇對(duì)本文修改提出了建議，魏新奇協(xié)助搜集圖片和視頻。