起火頻發(fā)，根源何在？

甄文媛

直接原因：誘因復(fù)雜的熱失控

“隨著新能源汽車的保有量不斷提升，安全問題正逐步凸顯，形勢也越來越嚴(yán)峻。”交通部運輸服務(wù)司副司長蔡團結(jié)透露，據(jù)交通部統(tǒng)計，截至今年6月底，全國共發(fā)生涉及新能源汽車安全事故19起，原因大多與產(chǎn)品質(zhì)量以及氣候有關(guān)。

事實上自去年以來，國內(nèi)新能源汽車再次進入一輪起火高發(fā)期，根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局的數(shù)據(jù)，2018年國內(nèi)至少發(fā)生了40起涉及新能源汽車火災(zāi)的事故。來自其他口徑的數(shù)據(jù)則遠比這些嚴(yán)峻。

這些起火都是在什么情況下發(fā)生的？據(jù)了解，從今年上半年的情況看，有29%發(fā)生于充電時，有19%處于行駛狀態(tài)，還有19%是在停放時發(fā)生的。

是什么原因?qū)е铝穗妱悠嚻鸹?？?shù)據(jù)顯示，過去8年中，國內(nèi)新能源車著火事件中與動力電池相關(guān)案例為92例，占比高達86%，直指電動汽車上化學(xué)性質(zhì)最活躍的鋰離子動力電池。資料顯示，鋰離子電池主要由正極、鋁箔、負極、銅箔、隔膜和電解液組成，電解液中通常含有大量自帶燃爆屬性的有機物。有專家將鋰電池比作一個小屋子，里面關(guān)著“火藥桶”、“助燃劑”和“打火機”，三者之間只用一層“保鮮膜”隔開。

但往往事故的發(fā)生也非電池本身的原因，如果從整個車輛設(shè)計角度看，其他總成及部件的缺陷最終也可導(dǎo)致起火。由于電動車起火可能與電器線路、機械干涉和外部火源等因素相關(guān)，且部分證據(jù)會在燃燒過程中消失或發(fā)生變化，這種調(diào)查非常困難，原因分析也異常復(fù)雜。但目前業(yè)內(nèi)的普遍觀點是，至少從表象看，電池過熱引起熱失控是導(dǎo)致起火的主要原因。而引發(fā)熱失控的因素也較為復(fù)雜。

“電池包溫度不均勻、過充過放、外短路、內(nèi)短路等都會引發(fā)過熱，另外電池進水、密封不好、碰撞等也會引發(fā)過熱?！敝袊茖W(xué)院院士、中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高從技術(shù)角度分析指出，熱失控包括誘因、發(fā)生和蔓延三個過程，誘因主要有兩個，一是過充、快充、老化電池、低溫充電等導(dǎo)致的析鋰，二是各種原因?qū)е碌膬?nèi)短路。

首先，近期發(fā)生的充電事故的分析表明，主要是不當(dāng)快速充電或過充引發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致熱失控溫度大幅度下降，從219℃下降到107℃，并與電解液劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致電池在107℃發(fā)生熱失控。通過實驗表征發(fā)現(xiàn)，在快充的時候能夠明顯看出析鋰的產(chǎn)生，引起動力電池?zé)岱€(wěn)定性變差，以及迅速衰減。歐陽明高認為，問題主要在于當(dāng)前新能源汽車行業(yè)過分追求快充，但充電算法過于簡單，因此難以保證安全。

其次，內(nèi)短路是電池?zé)崾Э氐墓残原h(huán)節(jié)，各種各樣的原因都可能產(chǎn)生不同類型的內(nèi)短路，包括機械變形、擠壓、撕裂，隔膜破裂、過充過放、極端過熱等。而更危險的一種內(nèi)短路是自引發(fā)內(nèi)短路，如波音787的事故，是在制造過程中引入的雜質(zhì)和顆粒，在長期運行之后累積演變發(fā)生的。這種問題解決的難點在于，枝晶生長是可以模擬的，而內(nèi)短路較難進行實驗再現(xiàn)，需要發(fā)展各種各樣的替代實驗方法。

另一個需要注意的問題是，近兩年來動力電池產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，其正極材料已經(jīng)從早期的LFP，發(fā)展到NCM111、NCM523、NCM622，再到現(xiàn)在的NCM811，由此帶來的重要變化是正極材料的釋氧溫度在逐步降低。此外，隔膜材料也發(fā)生了很多變化，從PE、PP、PE+Ceramic到PET材料，其耐熱溫度已經(jīng)很高，可以達到300℃;而隨著這兩種技術(shù)的變化，熱失控的機理也在發(fā)生變化。歐陽明高指出，早期電池大多由于隔膜崩潰引發(fā)大規(guī)模內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控，但目前使用的耐高溫隔膜配811正極動力電池，正極材料釋氧變成了引發(fā)熱失控的主因。實驗結(jié)果表明，在沒有內(nèi)短路的情況下，把隔膜完全去掉，電解液抽干依然會發(fā)生熱失控。當(dāng)把正負極粉末混合進行測試，會出現(xiàn)劇烈的放熱峰值。通過進一步的分析發(fā)現(xiàn)，充電態(tài)正極材料在250℃左右開始出現(xiàn)相變，并釋放活性氧，產(chǎn)生的氧氣與負極發(fā)生反應(yīng)，放熱量急劇增加，因此在新電池體系中，正負極氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量是導(dǎo)致熱失控的直接原因，而不僅僅是傳統(tǒng)電池體系中隔膜崩潰導(dǎo)致內(nèi)短路引發(fā)熱失控。

設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)何以問題百出？

從材料、隔膜、粘接劑、結(jié)構(gòu)、封口到生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程控制等等因素都有可能最終引發(fā)電動汽車的著火事故，如此復(fù)雜多樣的誘因又是如何產(chǎn)生的？“主體原因我們認為是產(chǎn)品質(zhì)量問題。產(chǎn)品質(zhì)量問題就是指產(chǎn)品在設(shè)計、制造、驗證、使用過程中沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?！睔W陽明高如是表示。

從設(shè)計角度看，不少新能源汽車從業(yè)者對“車規(guī)級”動力電池的理解非常有限。在2019首屆中國國際電動汽車安全技術(shù)創(chuàng)新大會上，中國汽車動力電池創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長、中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施充電聯(lián)盟副秘書長王子冬指出，不少企業(yè)都是先生產(chǎn)常規(guī)的動力電池，然后看在車上往哪里安裝合適，有的甚至哪里能“塞”就“塞”哪里，而非根據(jù)車的需要重新設(shè)計動力電池。這一點在前幾年的新能源汽車產(chǎn)品上表現(xiàn)得尤為突出。而且，車規(guī)級電池看的是系統(tǒng)的綜合性優(yōu)勢，而非單體的某個指標(biāo)表現(xiàn)突出。

2018年新能源汽車事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計

事故分析：析鋰

電池系統(tǒng)安全失效分解

二、電動汽車頻發(fā)燃燒的根源分析

這種理解缺陷也直接導(dǎo)致了對車用動力電池可靠性的認識偏差。清華大學(xué)鋰離子實驗室主任何向明認為，事故多發(fā)的主要原因是產(chǎn)品可靠性不高，很多電池廠根本不考慮電池這種產(chǎn)品的可靠性（就去做），在很多人的概念里就是實驗室的電池，不是一個工業(yè)產(chǎn)品。

在降成本的重壓之下，近兩年動力電池價格的年均降幅達20%-30%。王子冬指出：“低成本不是用便宜的材料造東西，而是要找到低成本的方法，滿足電動汽車的參數(shù)狀態(tài)，滿足回收方便性、電池梯次利用等一系列問題?！倍恍┢髽I(yè)恰恰沒有找對方法，例如有的企業(yè)為降低電池的成本及重量，甚至將隔膜的厚度降至原來的五分之一左右，有的電池產(chǎn)品在設(shè)計時就沒有考慮調(diào)溫系統(tǒng)，諸如此類設(shè)計階段就存在的缺陷大大增加了安全風(fēng)險。

據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局質(zhì)量發(fā)展局副局長王赟松透露，在已經(jīng)發(fā)生的召回案例中，涉及新能源汽車的數(shù)量為12.3萬輛。其中，受調(diào)查影響引發(fā)的召回11.6萬輛，占新能源汽車召回總數(shù)的94.3%。截止2019年6月，國內(nèi)新能源汽車保有量已經(jīng)達到344萬輛。而在引發(fā)召回的缺陷中，三電系統(tǒng)占比達50%，制動系統(tǒng)占比緊隨其后（40%）。而導(dǎo)致三電系統(tǒng)缺陷的原因中，4成源自設(shè)計，6成源自制造;導(dǎo)致制動系統(tǒng)缺陷的均為制造原因。

從制造層面看，一致性是當(dāng)前動力電池面臨的重大問題?！皠恿﹄姵厣a(chǎn)的一致性非常重要，過去幾年國內(nèi)動力電池的合格率并不高，但卻一塊不剩全部都流入行業(yè)?！辈虉F結(jié)的這一擔(dān)心正緣于此。

電芯的一致性問題給電池企業(yè)和整車企業(yè)帶來不小的困擾，因為其性能的優(yōu)劣決定著電池組整體水平，能直接影響電池組的壽命、安全以及動力電池的制造成本和維護成本。而影響電芯一致性的因素較多，原材料、生產(chǎn)過程、BMS系統(tǒng)乃至出廠檢驗都可能是問題之源。

但動力電池的一致性問題不僅限于電芯層面，王子冬指出：“實際上很多不是電池廠的問題，電芯一致性差的問題占比可能只有10%，60%的問題源于電池組合當(dāng)中的不一致，還有30%與充電有關(guān)。因此讓電池的單體、模塊、成品能夠步調(diào)一致地工作是很難的事?！?h3>測試驗證何以嚴(yán)重不足？

如果產(chǎn)品在設(shè)計制造環(huán)節(jié)存在問題，后續(xù)的測試及驗證環(huán)節(jié)為何沒有及時發(fā)現(xiàn)？

歐陽明高認為，“首先，電池產(chǎn)品測試驗證不足。有些企業(yè)盲目追求高比能量密度，縮短了測試驗證時間;有時為縮短開發(fā)周期采用物理的改進方法，導(dǎo)致安全性能下降。其次，電池測試驗證手段不完善，不能反映實車使用條件，大部分企業(yè)沒有建立企業(yè)內(nèi)部電池安全測試標(biāo)準(zhǔn)。”

何向明則進一步解釋說，更重要的一點就是不少企業(yè)的測試方法沒能涵蓋安全問題發(fā)生的原因。還有車輛使用過程中的一些動態(tài)的問題不斷惡化，比如充電問題、防水、繼電器接觸等，在目前電動車的年檢里，許多問題并未被包含在內(nèi)，所以這些隱患會持續(xù)下去。

來自東軟睿馳的大數(shù)據(jù)監(jiān)測部分驗證了這一觀點。東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽）有限公司汽車電子研究院院長商國平介紹說，企業(yè)根據(jù)近年來積累的行業(yè)數(shù)據(jù)做出了動力電池U型曲線，早期的故障已經(jīng)可以看到原因所在，“問題在于車輛生產(chǎn)出來后驗證時間不足，很多的數(shù)據(jù)顯示半年之內(nèi)的新車是發(fā)生事故率最高的時候，為什么？因為這一時期本該處于廠家的驗證階段，但是沒辦法已經(jīng)出廠了，從整車到所有相關(guān)部件都沒有完成穩(wěn)定、成熟的驗證。產(chǎn)品中期的故障率比較小，后期又是一個高發(fā)階段。”

為什么會出現(xiàn)驗證時間嚴(yán)重不足？企業(yè)又為何會自行縮短驗證時間？

不止一位業(yè)內(nèi)專家提出，近兩年的國家補貼政策在技術(shù)指標(biāo)上每年提高一個臺階，并沒有給企業(yè)留下充足的時間。而不少企業(yè)則是為了拿到補貼而強行跟上標(biāo)準(zhǔn)變化的節(jié)奏。

一直以來，國家對新能源汽車的補貼金額一直以續(xù)航里程長短為重要發(fā)放依據(jù)，雖然早已明確補貼將在整體上逐年退坡，但對符合標(biāo)準(zhǔn)的長續(xù)航里程和高能量密度產(chǎn)品的補貼卻不降反升。特別是近兩年來對動力電池能量密度的要求更是逐年拔高。2017年要拿到全額補貼的門檻為105Wh/kg，2018年這一門檻已經(jīng)提高到120Wh/kg，并為達到更高的能量密度的產(chǎn)品提供1倍以上的補貼。

據(jù)了解，要跟上國家對動力電池能量密度的變化節(jié)奏需要對電池正極和負極材料進行大幅改進，為之匹配相適應(yīng)的高電壓電解液，耐高溫、高強度的隔膜，并進一步研究鋰電池安全控制結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)保護結(jié)構(gòu)等技術(shù)，而這些問題的解決都需要24-28個月的時間。王子冬介紹說，例如僅材料開發(fā)就需要8個月左右，因為還需要留出調(diào)整和工業(yè)化生產(chǎn)的時間，另需10個月左右的時間驗證電池產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，此外，國家行業(yè)檢測機構(gòu)還要做市場準(zhǔn)入的檢測（3個月），還要上車做實驗（5個月）。

驗證時間嚴(yán)重不足已經(jīng)成為困擾生產(chǎn)企業(yè)的一大問題?！坝绕涫墙衲暌詠恚隽撕芏喟踩珕栴}，我個人認為大部分是因為產(chǎn)品快速迭代引起的?！倍喾嘈履茉纯萍加邢薰径麻L李云峰感慨，在上世紀(jì)60年代到80年代，芯片行業(yè)的發(fā)展不管從設(shè)計層面還是工程層面，包括應(yīng)用場景都要比汽車電池的難度小得多，傳統(tǒng)燃油車也是一般三年出一代新車，而目前對于新能源汽車的要求幾乎是一年一迭代，變化非?？?。電池也按照新的標(biāo)準(zhǔn)一年一變更，幾乎要超越摩爾定律，實在太困難了。

更讓他擔(dān)心的是，今年以來出售更多的是高能量密度電池，從整車、材料、模組、電芯、系統(tǒng)等五個層面都要進行調(diào)整改進，這就導(dǎo)致了整個的安全性問題沒有得到很好的解決。但也有值得慶幸的一點，即今年的補貼政策沒有再進一步提高指標(biāo)，“沒有類似拔苗助長的要求，安全問題對企業(yè)來講可能會壓力沒那么大，這樣就能得到一些緩解?！?/p>

片面追求長里程之禍

業(yè)內(nèi)專家指出，補貼政策一年一變、動力電池相關(guān)指標(biāo)逐年提高似乎還不是最嚴(yán)重的。以更長的續(xù)航里程、更高的電池能量密度作為補貼標(biāo)準(zhǔn)才是最關(guān)鍵的導(dǎo)向問題。

“純電動車追求長里程的發(fā)展路線，是燒車頻發(fā)的原因?！敝袊こ淘涸菏織钤ＩJ為，近兩年的補貼政策總體導(dǎo)向是重金補貼長里程純電動車，讓補貼與純電續(xù)駛里程掛鉤，特別是2018年對長里程純電動車的補貼沒有減少，反而增加，這樣就引出了“多裝電池追補貼”的新高潮。

不僅如此，補貼還和電池組的比能量掛鉤，比能量越高，補貼越高，相應(yīng)指標(biāo)還年年提高。楊裕生認為，這就容易誘導(dǎo)企業(yè)盲目追逐高比能量電池，而且等不及考驗、改進、成熟就上車。而鋰電池的特性卻是能量密度越高，危險性越大。因為電池組自燃概率除了與電池本身有關(guān)以外，還與電池總量成正比，雙掛鉤的補貼政策導(dǎo)致電池過度多裝和急促高能化，安全性則在這雙重因素的影響下不斷下降。

事實上，對普通消費者而言，新能源汽車特別是純電動車的里程焦慮是困擾其接受度的一大問題。補貼政策設(shè)置這些技術(shù)指標(biāo)的本意是提高核心技術(shù)水平，解除消費者的顧慮，讓純電動汽車更順利地普及。而安全本是汽車類產(chǎn)品應(yīng)達到的最基本的要求。

但鋰電池的特性決定了高能量密度與高安全本就是一對矛盾體。楊裕生曾打了一個生動的比方：這就好比將狼和羊關(guān)在同一個籠子里，狼不能餓死，羊也必須活著且長得肥。有專家甚至指出，在保證安全性的基礎(chǔ)上不斷提升能量密度根本是個偽命題。而更多企業(yè)則在其中不斷探索平衡之道。

近年來，整個動力電池產(chǎn)業(yè)正向300瓦時/公斤的高比能量密度邁進，高鎳三元811電池已經(jīng)開始走入市場。為不斷提升電池能量密度，從532、622到811，電池行業(yè)在材料層面上不斷提升鎳的比例，業(yè)內(nèi)專家指出，高比能量電池將面臨更嚴(yán)峻的安全技術(shù)挑戰(zhàn)，因為811電池跟622或者532電池相比，熱穩(wěn)定性較差。高鎳正極對全電池安全有較大的影響，硅炭負極對安全性能在初期影響不大，但是在循環(huán)衰減后影響比較大。這種電池很容易出現(xiàn)安全性能下降、充電效率下降、過熱等問題，生產(chǎn)條件也非常嚴(yán)苛。安全性要求比之前要大大提高。而國家原本的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)則更高：2020年電池單體能量密度達到350瓦時/公斤，系統(tǒng)260瓦時/公斤，循環(huán)壽命2000次。

楊裕生認為，當(dāng)前的政策激化安全與里程矛盾，后果就是電動汽車燒車頻發(fā)，車輛變重，耗電更多，實際排放加重，也背離了電動汽車節(jié)能減排的宗旨。更嚴(yán)重的是這種和里程掛鉤的思路也延伸到了雙積分政策，里程越長，積分越多，這也很容易產(chǎn)生副作用?！斑@種思路也是造成發(fā)展路線、政策、技術(shù)發(fā)生問題的根源?！?/p>