文章來源：應(yīng)急管理部天津消防研究所

0 引言

發(fā)展新能源汽車是我國應(yīng)對國家能源戰(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，我國新能源汽車產(chǎn)銷量連續(xù) 6 年位居全球第一，累計(jì)推廣數(shù)已達(dá) 550 余萬輛。同時，新能源汽車保有量仍保持上升趨勢，國務(wù)院2020 年發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》提出：到 2025 年，我國新能源汽車銷售量達(dá)到汽車新車 銷售總量的 20%；汽車工程學(xué)會發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖 2.0》，預(yù)計(jì) 2035 年國內(nèi)新能源汽車保有量將超 過 1 億輛。然而，隨著新能源汽車產(chǎn)銷量飛速提升、技術(shù)快速發(fā)展，新能源汽車起火現(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 年新能源汽車著火事故超過 1000 起。新能源汽車火災(zāi)蔓延速度較快，火災(zāi)危害大，引發(fā)全行業(yè)及社會密切 關(guān)注，起火問題嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)快速、健康可持續(xù)發(fā)展。

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

單明新等則在 2015 年首次對敞開空間電池爆炸強(qiáng)度進(jìn)行了直接測量，2018 年—2021 年，清華大學(xué)歐陽明高院士 團(tuán)隊(duì)長期從事動力電池?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)測模 型。2021 年，王青松教授等研究了熱失控時的泄壓閥開啟導(dǎo)致的噴發(fā)和燃燒等現(xiàn)象，并針對 811 體系電池和 18650 電 池分別展開了研究。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，大部分針對鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯烤槍误w電池?zé)崾Э貦C(jī)理、熱失控行為及特 征等，針對系統(tǒng)級或整車級的熱失控研究不充分，缺乏電池?zé)崾Э貢r整車級的燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于整車級的火災(zāi)和 煙氣蔓延、致災(zāi)危害和致災(zāi)前后數(shù)據(jù)特征變化仍需開展深入研究。

本文建設(shè)了新能源汽車整車級熱失控試驗(yàn)平臺，基于電池包內(nèi)單個模組外部加熱方法開展了整車級熱失控試驗(yàn)，探 究了電池?zé)崧?、熱擴(kuò)散路徑，分析了整車級熱失控的數(shù)據(jù)特征，為設(shè)計(jì)火災(zāi)車消防系統(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)平臺建設(shè)與熱失控觸發(fā)方式

1.1 試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

為探究新能源汽車動力系統(tǒng)失效過程及特征，本文基于前期建立的新能源汽車整車級熱失控試驗(yàn)平臺開展整車燃 燒試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺可采集電池組電壓、溫度、煙氣等數(shù)據(jù)信息，同時布置多組攝像頭、紅外熱像儀等實(shí)時記錄電池組內(nèi)、 外熱失控觸發(fā)與火災(zāi)蔓延過程，以及整車溫度場分布等信息。試驗(yàn)臺布置簡圖如圖 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，可滿足電池組內(nèi)高溫環(huán)境下的數(shù)據(jù)與信號采集；其他設(shè)備等為標(biāo)準(zhǔn)采集設(shè)備，具體設(shè)備種 類與型號見表 1。

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

1.2 傳感器布置方式

在本次試驗(yàn)過程中，在電池包中共布置 22 個熱電偶。在熱電偶布置前，將電池包上蓋打開后在內(nèi)部布置熱電偶，采 用絕緣膠帶與鋁箔膠帶對各熱電偶進(jìn)行固定與絕緣處理。然后將熱電偶連接線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)過程中采用無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 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。

本次測試選取的動力電池組內(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 號模組分別位于 M6/M9/M10/M13/M14 號模組下方，故而在圖中并未標(biāo)明，每個模組內(nèi)有 12 個電 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 號傳感器檢測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)中動力電池?zé)崾Э赜|發(fā)方式為外部加熱觸發(fā)。通過在 18 號模組表面布置加熱膜，在試驗(yàn)開始時通過對加熱膜 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厮俣龋鶕?jù)模組不同面的面積大小，本試驗(yàn)中共使 用兩個 1000 W 和一個 800W 的加熱膜分別貼在被加熱模組兩個長壁面處和模組底部，提高電池溫升速度。試驗(yàn)開始前， 溫度傳感器、電壓傳感器、加熱膜供電線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。所有線束均 無重疊，以減少對電池組密封性的影響。

2 整車級熱失控?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)采集的動力電池包內(nèi)各模組溫度分布。圖中繪制數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗，剔除了部分無效值。所用的無紙記錄儀 溫度測量范圍為-200℃~1300℃，然而在實(shí)際測試過程中，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程中，一般情況下電池組表面溫度（傳感器測量溫度）大約在 400-1000℃左右，而部分采樣點(diǎn)溫度超過 1300℃，應(yīng)是采樣線燒損、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力電池的一般熱失控溫度演化過程相似，除 M18 號模組因 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 力電池模組在發(fā)生熱失控過程中均保持相似的溫升曲線，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。但對于每個模組而言，由于每個模組內(nèi)有 12 個電池單體構(gòu)成，其熱失控自產(chǎn)熱階段保持時間不同，加上熱蔓延路徑的差異，少部分模組可能長達(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，動力電池?zé)崾Э剡^程需依次經(jīng)歷多種副反應(yīng)過程。在熱失控自產(chǎn)熱階段，電極表面的 SEI 膜會逐 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。

以開始加熱的 9 時 10 分 00 秒為計(jì)時零點(diǎn)，所有的溫度、煙氣和電壓分析均以此為計(jì)時 0 秒，1900 秒左右時電池包 內(nèi)出現(xiàn)異響，隨后電池包內(nèi)向外冒出煙氣，1963 秒時模組內(nèi) 18 號模組的溫度測試點(diǎn) T13 出現(xiàn)了近 70℃的上升，隨后周 圍的測溫點(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、電壓特征沒有那么明顯，一 個模組內(nèi)單體熱失控后可能會對鄰近模組的測溫點(diǎn)也有升溫的影響。從事故后拆解得到的電池包殘體現(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，見圖 3。

如圖 4 所示，為 M5、M6、M9、M10 號模組上布置的熱電偶采集溫度值。該四個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，說明火勢后期蔓延到兩個模組時受熱發(fā)生熱失控，溫度 快速上升。

如圖 5 所示，為 M18-M21 號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)過程中曾多次下電并重啟，因此其表面溫度曲線存在多次上升和下降階段。同時，其表面溫度在 被加熱時約 600℃左右，然而并不代表其內(nèi)部核心溫度，因此熱失控并沒有在最開始時發(fā)生，而是在加熱一段時間后。在 1860 秒左右，表面溫度緩慢上升，此時推測為熱失控自產(chǎn)熱階段，內(nèi)部 SEI 分解反應(yīng)已開始進(jìn)行，而在 1963 秒左右其表面溫度迅速升高，此時表面電池內(nèi)部已發(fā)生劇烈的熱失控副反應(yīng)。在 18 號模組熱失控觸發(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。而在這一階段過后，幾個模組溫度緩慢上 升，但沒有出現(xiàn)明顯發(fā)生熱失控的過程。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。最先發(fā)生熱失控的 M18 號模組，在電壓恢復(fù)過程中突然存在較 明顯的電壓下降過程，這一過程持續(xù)時間約為 10min，同時電壓下降幅度為 40mV 左右，這一過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 事故車輛后臺數(shù)據(jù)特征的捕捉。

圖 8 為 M18 號模組電壓下降過程，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 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。而總電壓無明顯變化，在電池組內(nèi)部溫升上升后通訊線斷開，無電壓信號采集。

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)生熱失控前幾乎無數(shù)據(jù)監(jiān)測，而后在 1932 秒左右 監(jiān)測到包括一氧化碳與硫氧化物的煙氣數(shù)據(jù)，這個時間點(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)到傳感器檢測峰值，超過了 12000ppm，硫氧化物濃度隨著熱失控的發(fā)生也超過 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)可檢測到一氧化碳煙氣， 共經(jīng)歷近 3 分鐘左右時間，表明熱失控蔓延速度較快，同時煙氣進(jìn)入乘員艙速度也較快。此時的致災(zāi)危害主要集中在駕 駛室內(nèi)煙氣對于乘員的危害，底盤電池包周圍火焰對于周圍人與環(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)，可以大致推測電池組內(nèi)各個電池模組發(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 號電池模組為首個發(fā)生熱失控的電池模組。而后基于后續(xù)的有效溫度階躍，推測與18 號模組最鄰近的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整車級熱失控試驗(yàn)平臺，通過人為加熱觸發(fā)電池?zé)崾Э胤绞教骄縿恿﹄姵責(zé)崾Э睾舐?及擴(kuò)散過程，針對某輛新能源汽車開展了熱失控試驗(yàn)測試，通過在電池組內(nèi)部埋設(shè)加熱膜對某個電池模組持續(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，并探究整車級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)、車體內(nèi)的蔓延路徑，為指導(dǎo)新能源汽車安全系統(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)生后有一個溫度突升的過程，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，火勢沿包內(nèi)的空隙（密封條、泄壓口）向底盤、車身處進(jìn)一步蔓延，部分熱煙氣通過底盤的空 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 12000ppm，只有不到 2 分鐘時間，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) 以及事故車輛后臺數(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應(yīng)。