0  前言
本文對近五年來國內外主要的電動汽車的電池安全事故進行了深入統計，歸納總結了電池起火、爆炸的起因，對幾種主要的事故起因背后的故障特征和熱失控觸發機理進行了探究，進一步地，綜述了當前國內外主要團隊在電池安全方面的研究現狀及成果，最后對動力電池故障診斷及安全管理等的研究趨勢及思路進行了幾點探討，為電池熱失控診斷及防控的進一步研究提供一定的思路。
1  電動汽車起火事件分析
1.1  近五年電動汽車起火事件統計      近年來電池安全事故頻發，表1～6詳細地統計了自2014年至2019年上半年全球主要的電動汽車起火事件(數字來源互聯網，僅列舉了引起較大社會關注的嚴重事故，實際電動汽車起火事件數量比統計結果多，例如2019年5～8月，新能源汽車自燃事故高達79起)。2014年一共發生了6起電動汽車起火事件，當時還并未引起人們的足夠重視，到2015年，電動汽車起火事件增加到了11起，幾乎每個月都有安全事故發生，這兩年間，事故車輛以純電動汽車為主，起因主要是動力電池的自燃。2016年電動汽車起火事件開始大量增加，不僅涉及許多國產品牌汽車，一些國際知名汽車品牌，例如特斯拉，也頻頻發生起火事件，同年一起三星Note7手機電池起火引發西南航空公司客機火災的事故，一時間電池安全引起了極大關注。2017、2018年相繼發生了18起與25起電動汽車事故，到2019年，僅上半年就接連發生了12起嚴重汽車安全事故，可以看出，電池安全問題仍未得到很好解決。 圖1所示為部分典型的電動汽車起火事故現場照片。其中，事故一為我國首例因為過充電而引發的電池起火，事故勘驗顯示發生故障的純電動大巴車過充電長達72min，造成動力電池電解液泄漏引發短路并最終導致火災；
事故二為挪威耶爾斯塔一輛電動汽車充電時發生的火災，這起事故的起因是充電設備故障引發電池起火，由于無法用水來撲滅，消防人員只能任由汽車燒毀；
事故三為首例由于浸水造成汽車起火的案例，原因是電池箱浸水后引發了電池的外部短路；
事故四與事故五為兩起因碰撞而引發的起火事件，其中事故四為廣州一輛電動汽車發生輕微碰撞事故后起火爆炸，碰撞過程中兩車均無明顯受損，但是隨后很快冒起濃煙并伴隨著多次爆炸聲，而事故五為一起猛烈的車禍，電動汽車在撞上隔離帶后翻轉并迅速起火，原因是猛烈沖擊引發了電池短路，這兩起事故明確表明在汽車碰撞過程中極易引發電池起火；
事故六為一起連環起火事故，共波及電動大巴80余輛，是截止目前全球最大規模的電池起火事故，事故的起因是外部燃燒波及停車場造成；
事故七為上海一輛純電動汽車在停車狀態下發生自燃，事故八為2019年某電動汽車在服務中心維修時起火，起因是該車送修之前曾受撞擊導致電池箱變形，箱體內部結構在被擠壓的狀態下引發了電池的外部短路，最終引發電池起火。
1.2  電池起火起因分析
上述統計可知，電動汽車起火事故具有易觸發、多誘因、潛伏性強的特點，不經意的小事件可能引發慘重的后果，起火過程有時是迅速的，也可能會在誘因發生的數個小時之后才突然起火。為了更好地分析其事故根源，對近五年電動汽車起火事件的歷年起因分布進行了統計，如圖2所示。從起火原因上看，2014～2015兩年間的電動汽車起火大部分源自于電池的自燃，而自2016年開始電動汽車起火的根源變得更加復雜和多樣化，除電池自燃外，汽車碰撞、設備故障、充電、線纜老化、零部件短路、浸水以及人為操作因素均占了一定的比例。
   圖3給出了2014～2019年上半年的整體數據分布。從整體上看，電池自燃仍然是電動汽車起火事件的最大根源，占比38%，其中包括行駛過程中的電池自燃(22%)與停置時的電池自燃(16%)，值得注意的是，2014～2015年的電池自燃事故大部分在車輛行駛狀態下，但是自2016年起，車輛停置時自燃的事故比例在逐年上升，尤其在2019年最新發生的電動汽車起火事故中，有41%的事故是由車輛在停車場中停置時的電池自燃而引發，占據了相當高的比例。
車輛停置狀態下的自燃顛覆了人們對汽車安全的常規認識，也為電池安全管理提出了更高的要求，不僅在運行過程中、在斷電狀態下也要對電池進行有效監管與防護。引發電池自燃的根本原因是內部短路，加工制備時混入的金屬雜質或產生的極片毛刺等、電濫用、電解液浸潤不均等引發的局部析鋰，都有可能在劃破電池隔膜，引發微小的內部短路，這種微小的內部短路并不容易被察覺，它們會在電池內部持續產熱，當內部短路產生的熱量堆積到一定程度后就會引發電池的熱失控，致使動力電池起火。
充電過程的起火事故位居第二，占了20%的比例，其中14%為正常充電過程中的起火，5%為充電設備故障引起，1%為電池直接過充電引發。可以看出，正常充電過程中引發的電池起火事故的比例在逐年上升，2019年上半年發生的起火事件中就有四分之一是由電池充電引發的。即使是手機充電寶等小型移動設備，充電安全也一直是一個令人擔憂的問題，盡管電池充電安全問題已經引起了很高的重視，但是隨著電動汽車保有量上升和充電樁的鋪設速度加快，如何對充電方法和充電設施進行更加規范化的管理、對充電電池組進行可行、有效的安全狀態監測，是非常重要的問題。
除充電之外，汽車碰撞引發電池起火的事故占據了很高的比例，位居第三。車輛碰撞時會給電池帶來猛烈的沖擊，極易導致電池組結構受損引發短路。電動汽車電池箱的設計要滿足通風散熱、絕緣防水等復雜功能，如果同時還要具備防撞、吸能等功能，設計和制備難度很大，目前可以很好應對撞擊的電池箱體結構尚未有效普及。因此需要在電池安全研究中給予更高的重視，車輛碰撞引發電池起火的本質是電池短路，但是這與正常情況下的電氣短路又存在很大區別，現有的電池安全研究成果難以直接適用。
圖1中的“事故八”即為一起典型案例，汽車碰撞如果波及到電池箱，猛烈的撞擊極易引發箱體變形導致電池組中的電池異常連接，發生外部短路，另一方面，汽車碰撞如果導致電池被擠壓變形，過量的變形可能使隔膜受損破裂或被刺穿、引起內部短路。內部短路與外部短路可能只發生一種，也可能同時發生，這些短路故障會引起電池高溫并伴隨漏液，泄漏出大量可燃氣體，一旦遭遇明火便會立刻起火。
 此外，零部件/線纜的老化、電池箱浸水等引發電池起火的事故也占有一定的比例，這些故障的本質線纜老化剝落、浸水等導致電池非正常搭連引發了局部外部短路。電動汽車起火事件在各個月份的分布情況如圖4所示。可以看出，除了12月數量略少之外，其余每個月份都有超過4起的嚴重起火事故發生，兩個高峰期出現在5～6月和11月，表明電動汽車的起火事件在全氣候條件下均易發生，“高溫炎熱的夏天更易引發電池起火”的傳統觀點對于電動汽車而言并不正確，這主要是因為電動汽車電池起火的誘因過于復雜且多樣化，淡化了“高溫”單一誘因的作用，另外現代電動汽車普遍配置的熱管理系統使動力電池不太容易因為單一的熱濫用而觸發熱失控。解決電池安全問題必須從更為復雜的角度對其誘因加以深度思考與全面分析。
2  電池失效機理分析 電動汽車起火事故最主要的三大起因是電池的自燃、充電和汽車碰撞，而這些起因所對應的內部機理是電池的內部短路、外部短路與過充電等故障及其進一步引發的熱失控。熱失控的觸發誘因復雜，已有許多學者開展了相關研究，但目前其機理仍未徹底明晰。現有文獻普遍認為引發電池熱失控的主要故障形式概括為四類，即：內部短路、外部短路、過充電與過放電。結合上面分析，圖5概括了真實的電動汽車起火事故的原因分布與電池故障研究之間的關聯性。其中，內部短路引起了電池的自燃，充電時電池起火的原因主要是過充電，而持續的過充電或過放電會引起電池的內部短路，汽車碰撞中起火事故同時對應著電池的內部、外部短路，而設備、線纜的老化、電池箱浸水等引發起火的本質則是外部短路。電池的內部短路、外部短路和過充電都會大量產熱導致電池熱失控、引發火災。綜合事故發生的概率，我們可以看出，內部短路與外部短路是多種故障的共性問題，內部短路涉及了52%的事故概率，而外部短路涉及了26%的事故概率，過充電涉及了20%的事故概率，由過放電引發電池起火的可能性從理論上講是存在的，但在實際情況中從未出現。
2.1  內部短路故障機理
從觸發機制上看，內部短路有三類不同的類型，第一類是自引發內短路，第二類是由于過充電/過放電引發的內短路，第三類則是由于機械破壞引發的內短路。自引發內短路潛伏性強、作用時間長。自引發內短路主要是由于電池內部原因所導致，包括正極材料摻雜，隔膜材質不佳，銅箔鋁箔分切毛刺，疊片、卷繞錯位，以及電解液浸潤不均等。自引發內短路潛伏性強、作用時間長；過充電/過放電時會在電極形成許多針狀晶枝，這些針狀晶枝會刺破電池隔膜，造成多個微小的短路回路，并持續放熱，需要注意的是，過充引發的內短路也并不一定立刻觸發熱失控，有可能這個過程的溫升還不足以達到熱失控臨界閾值，在車輛駛離充電站之后，由于內短路的持續運作，電池溫度繼續攀升而達到失控溫度引發車輛起火。機械破壞引發內短路是汽車碰撞時電池被擠壓/穿刺而引發，這類情況難以預測，只能通過恰當的應對措施來降低危害。
2.2  過充電故障機理
關于電池過充電的故障機理目前已有較為成熟的研究，當電池發生過充電時，由于負極的儲存格已裝滿，后續的鋰離子會堆積于負極材料表面形成金屬鋰，并由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶，形成的金屬鋰結晶會穿破隔膜使正負極短路從而引發短路。實際情況下，車載電池管理系統(Battery management system,BMS)會對電池過充電進行有效監管，然而電池組是由諸多單體電池組合而成，由于各電池單體之間存在不一致性，因此雖然整個電池組狀態完好，但難以避免某單一個體發生過充，另一方面，不恰當的充電方式也增加了過充的可能性，過大的充電電流、極片涂層分布不均等現象也可能會引起局部過充電。
2.3  過放電故障機理
電池發生過放電時首要的表現是活性物質結構被破壞，將對鋰電池的正負極造成永久的損壞。從分子層面看，過放電導致負極碳過度釋放出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，最直觀的損傷效果是嚴重影響電池的循環壽命。但是持續的過放電過程會導致電池負極電位不斷升高，當負極電位達到銅箔集流體溶解電位時，發生銅箔溶解的電化學反應，溶解的銅離子穿過隔膜到達電池正極，在低電勢區域被還原為金屬銅，逐漸沉積的金屬銅從正極方向生長并最終穿過隔膜、引發電池內部短路。
2.4  外部短路故障機理
電池外部短路時電池會產生很大的電流，大量的歐姆熱并使電池內部及表面連接處急速升溫，如果防護器件未能切斷會亂，電池內部會很快升溫造成電解液汽化，可能會造成電池鼓包或者沖開泄氣閥，漏液并噴射出可燃氣體。外部短路可能會產生明火(電弧)，是非常危險的故障形式。盡管外部短路故障的觸發機理較為簡單，但是其復雜不確定性后果和影響不容忽視。尤其當外部短路與其他故障并發時，當電池發生外部短路時，很容易導致電池直接起火甚至爆炸。
2.5  熱失控觸發機理
綜上所述電池故障均會引發電池溫度驟升，隨著電池溫度的升高電池內部會發生連鎖的放熱反應，如圖6所示。 根據現有文獻，當電池溫度達到80～120℃時，覆蓋在電池負極表面的SEI膜發生分解，隨后負極活性物質失去保護，嵌入負極的鋰金屬與電解液發生反應。溫度繼續上升會引發電池多孔隔膜閉孔，常見的隔膜材料有聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)兩類，其隔膜閉孔的起始溫度約為130℃和170℃，隔膜閉孔會阻斷外部短路的電流回路，起到一定的自保護作用，但如果溫度繼續上升，隔膜會在190℃左右解體，引發內部短路，釋放大量的電能使溫度迅速升高，進而引發正極分解與電解質分解反應，正極分解會釋放大量的熱量，被認為是觸發熱失控的重要原因之一。需要注意的是，圖6所示為理想加熱情況下的純理論結論，實際情況下由于存在電池短路所產生的歐姆熱以及復雜塑性破壞引發的不確定性因素，熱失控觸發過程會更為復雜。
3  電池安全研究現狀 為了解決電池的安全問題，一方面需要通過BMS對電池狀態進行有效監管，及早發現單體電池潛在異常，另一方面需要對引發電池熱失控的電池故障特性進行深入分析，構建有效的診斷方案與防護措施。目前已有大量文獻圍繞電池安全問題展開了深入研究，圖7給出了文獻檢索統計結果。可以看出現有文獻較大比例集中在了過充電與內部短路方面，而對于外部短路和過放電的研究相對較少。另外針對電動汽車的碰撞起火的研究中，許多學者開展了擠壓穿刺等機械濫用試驗研究來分析汽車碰撞對電池的擠壓破壞特性，這些研究均是采用靜態加載的擠壓，而采用動態的沖擊加載(撞擊)的文獻仍極為匱乏。
3.1  內部短路研究
近年來內部短路方面的研究引起了許多學者的關注，目前在內部短路領域主要的研究團隊有如下三個。
(1)美國加州大學。加州大學圣地亞哥分校結構工程系QIAO教授團隊通過紐扣電池進行了內部短路試驗研究，該團隊的研究側重于揭示電池受到沖擊時的內短路機理，其成果表明通過適當的集電器表面缺口設計可以使內部短路時電池的溫升很小，從而達到降低內部短路損傷的效果。
(2)美國橡樹嶺國家實驗室。橡樹嶺國家實驗室材料科學技術部的DUDNEY教授與WANG教授團隊聯合Motorola公司的MALEK等開展了內部短路研究，進行了鋰離子聚合物電池內部短路故障的試驗模擬，研究了內部短路對不同尺寸的鋰離子電池熱穩定性的影響，該團隊的研究側重于探求如何降低內部短路對電池帶來的損傷，提出了通過將電極沿預設方式斷開的策略來限制短路電流的思路。
(3)清華大學。清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室歐陽明高院士團隊聯合美國阿貢國家實驗室、斯坦福大學、密歇根大學、香港科技大學、上海理工大學等共同對電池內部短路問題展開了研究，該團隊的研究側重于對電池內部短路的診斷。提出了基于模型的故障診斷方法來檢測電池的內部短路，通過試驗驗證了算法的有效性并討論了內部短路對電池OCV和內阻的影響，在內部短路試驗中觀察到了融合現象，分析了融合現象的影響因素。
3.2  過充電研究
過充電方面研究相對較多，目前在過充電領域主要的研究團隊有如下三個。
(1)美國阿貢國家實驗室。
(2)法國奧爾良大學。
(3)中國科學技術大學。
3.3  過放電研究
與過充電的研究相比，過放電的研究成果相對較少。清華大學歐陽明高院士團隊對過放電進行了試驗研究，發現在電池達到112%DOD時開始出現內部短路，在達到120%DOD時出現嚴重的內部短路，進一步闡明了過放電引發內短路的電化學機理，指出持續的過放電導致負極電位不斷升高，引發銅箔溶解，溶解的銅離子穿過隔膜到達電池正極，還原為金屬銅，逐漸沉積的金屬銅從正極方向生長并刺破隔膜。另外還有部分學者展開了相關研究，通過對比過放電之前和之后的電池電壓及容量特性，從而評價過放引起的輕微內短路的程度。
目前在過充電/過放電的研究方面的研究成果很好地揭示了其對內短路的引發機理，并初步具備了一些降損措施，但是當前研究成果多是針對少量電池樣本開展，其結論對于復雜電池使用環境是否具備普遍適用性，仍需要進一步驗證。
3.4  外部短路研究
外部短路方面的研究目前尚不成熟，目前主要有以下三個團隊在開展此方面的研究。
(1)歐盟委員會聯合研究中心。歐盟委員會聯合研究中心(Joint Research Centre,JRC)能源、交通與氣候研究部的Kriston團隊對電池外部短路研究開展了研究工作，通過試驗系統地探究了不同外電阻下電池的外短路性能，該團隊側重于電池外部短路對電池的內部影響機理的分析。
(2)北京理工大學。北京理工大學電動車輛國家工程實驗室孫逢春院士、熊瑞教授課題組在外部短路方面開展了大量系統深入的基礎研究，基于試驗分析闡明了單體電池外部短路熱電特性演化規律，揭示了環境溫度、電池SOC等隨機因素對外部短路特性的影響機理，闡明了外部短路時的電池內部產熱模式，建立了外短路故障診斷與溫升預測方法；基于鋰離子電池車載應用的特點，進行了單體到電池組的外部短路診斷理論研究，揭示了外部短路的損傷機理，明確了電池外部短路時的臨界安全時間曲面，為后續電池短路安全研究提供了重要支撐。
(3)德國慕尼黑工業大學。慕尼黑工業大學的RHEINFELD教授團隊也針對外部短路情況下的電池安全特性開展了研究。該團隊重點針對準等溫情況下的外部短路進行研究，包括進行了不同測試條件下的短路試驗研究，觀察短路過程中的電池特性及內部變化機理，并進一步開展了建模與仿真研究。
此外，還有部分學者開展了相關研究，目前外部短路的研究尚處于起步階段，盡管當前的研究在一定程度上闡明了外部短路的電熱特性，但試驗數據的完備性仍須進一步提高，尤其外部短路與其他故障并發復雜情況的試驗分析仍匱缺。
3.5  擠壓/碰撞特性研究
鋰離子電池的車載應用具有一定的特殊性，由于汽車碰撞是難以避免的現象，很多學者開展了電池擠壓穿刺等機械濫用試驗。這里列舉部分主要的研發團隊如下。
(1)美國麻省理工學院。麻省理工學院碰撞實驗室ZHU教授與SAHRAEI教授團隊聯合喬治梅森大學、清華大學等針對電池的機械破壞展開了大量的研究，例如通過試驗探索了各種不同的機械加載下電池組件的變形與失效機理，計算了卷繞結構的應力應變關系，建立了電池的有限元模型，分析了殼體強度與抗斷裂性，面向機械濫用條件下的電池安全性評估開發了簡單而精確的單電池模型等，該團隊還針對復雜機械加載情況下引發內部短路的機理進行了分析，建立了微尺度機械濫用模型。
(2)北京航空航天大學。北京航空航天大學許駿教授團隊對電池擠壓、彎曲、針刺等機械濫用開展了豐富的研究，提出了多物理場計算框架，耦合機械-熱-電化學特性對18650鋰離子電池從初始變形到熱失控的機械濫用過程進行描述，建立了3D機械模型對針刺等過程進行仿真，分析了在各種SOC情況下的壓縮、彎曲載荷下的電化學失效行為等。
(3)日本早稻田大學。早稻田大學納米與生命創新研究所針對電池穿刺試驗開展了研究，試驗過程中首次采用X射線貫穿了鋰離子電池的內部狀態，系統地研究了針刺引發鋰離子電池的熱失控行為。
上述研究均是針對電池的靜態加載，部分最新的研究已經開始著眼于動態加載下的電池機械濫用，例如ZHU等指出動態加載情況下電池電阻比靜態加載時更大，量化了此效應并建立了整體力學行為模型；JIA等研究了鋰離子電池在動態載荷下的機械與電耦合特性，CHEN等研究了高速沖擊情況下的電池機械響應特性。
4  電池安全管理研究的幾點探討
4.1  完備的試驗數據庫構建任重道遠
電池安全數據匱缺是導致電池安全管理技術不成熟的重要原因。傳統汽車安全技術的發展經歷了大量的試驗研究，甚至包括大量成本昂貴的碰撞安全試驗，才逐步完善。電池安全研究也不例外，只有建立充足且完備的電池安全性試驗數據庫，通過對試驗現象的發現、觀察和探索，方有可能從根源上得以突破。如今不論研究機構還是汽車企業，對電池安全領域的試驗都只處于起步階段，試驗條件單一、試驗數據匱缺，遠不能夠支撐當前電池安全技術研究的需要，在后續的工作中，針對多種電池電極材料、多種電池型號類型，考慮多種復雜故障狀態，在全SOC區間、全溫度范圍、全壽命周期內建立豐富的電池安全試驗數據，是電池安全研究的重中之重。
4.2  動態加載的濫用試驗尚需進一步開展
電動汽車碰撞過程中，外力對電池結構的破壞可以視為一種動態沖擊載荷作用過程，這與電池靜態擠壓/穿刺試驗所反應的結果存在很大差別。動態加載下的濫用試驗需要考慮兩個層次，一是發生故障時的電池充放電負載是動態的，應與實車運行工況相吻合；二是施加的機械破壞應是動態沖擊而非簡單的靜態擠壓。目前多數的機械濫用試驗是對靜置電池的準靜態加載，而動態沖擊載荷下的電池響應特性、塑性破壞、產熱機理及故障診斷的研究都十分匱缺。
4.3  高可信度電池故障模型是必由之路
故障狀態下的電池特性極其復雜，對電池故障特性進行模型表征是進行故障診斷和分析故障特性的有效措施，然而現有的電池安全研究多數是依賴于傳統的電化學模型或等效電路模型的基礎上稍加修改而形成，這些模型在故障狀態下的可信度與適用性有待考究。電池發生故障時其內部的電化學特性與正常運行時有很大差異，一些在正常情況下的電池“副反應”此時反而可能變成起主導效果的“主反應”，與之對應的等效電路特性也有了很大變化，因此傳統的電池模型并不能準確刻畫故障狀態下的電池機理，針對電池各類故障失效形式，分析并建立高精度、高可信度的電池模型，是透析電池安全問題本質、建立有效診斷機制及安全管理方法的必由之路。
4.4  多故障復雜狀態的特性研究是趨勢
現有故障診斷研究多是針對某單一故障的“0/1”診斷，而實際情況下電池故障類型未知且不確定，甚至可能多種故障并發，其特性相互耦合，現有的故障診斷策略的適用性難以保證，另一方面，熱失控是動力電池起火的主要根源，但并非所有的電池起火一定源自熱失控，在車輛發生碰撞時，猛烈的撞擊有可能會直接導致電池劇烈受損、電解液大量泄漏，并逸散出可燃性氣體，如遇明火則立刻起火甚至爆炸。因此，僅從“熱”或“電”等某單一角度切入，不能準確地描述電池的安全問題。今后的研究中，必須結合“熱-電-流體-化學-力學”等多學科領域，探究包括極端故障及多故障并發復雜情況下的電池多域特性耦合機理，建立全面有效、面向實際的電池安全管理體系。
5  結論
對近五年嚴重的電動汽車電池起火事件進行了統計，分析了起火事件的起因分布，闡明了真實的事故起因與其背后所隱含的電池故障間的關聯性，討論了電池內部短路、外部短路與過充電等主要電池故障類型的失效原理及其對熱失控的觸發機理；對電池安全研究現狀進行了綜述，列舉了各大技術團隊的研究方向和已取得的研究成果，最后圍繞當前的研究工作不足和未來的技術路線給出了幾點探討。本文內容對電池安全性研究的必要性和關鍵性提供了事實支撐和評價，并為未來研究工作開展給出了一定的依據和思路。