新能源汽車運(yùn)行安全管理研究

舒 強(qiáng)， 王藝帆， 梁 元

(公安部道路交通安全研究中心, 北京 100062)

0 引言

近年來，國家大力支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國內(nèi)新能源汽車保有量持續(xù)高速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017～2021年，全國新能源汽車保有量年平均增長(zhǎng)超過150萬輛，其中，2021年新能源汽車新增近300萬輛，新能源汽車保有量總計(jì)達(dá)到784萬輛，占國內(nèi)汽車保有量總量的2.6%[1]。表1為2017～2021年國內(nèi)新能源汽車保有量，新能源汽車是采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來源(或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動(dòng)力裝置)，綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車，包括了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)、純電動(dòng)汽車(BEV)、燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)、其他新能源(如超級(jí)電容器、飛輪等高效儲(chǔ)能器)汽車等[2]。當(dāng)前國內(nèi)新能源汽車類型以純電動(dòng)汽車為主，占總量的80%以上，其主要安全技術(shù)特性表現(xiàn)為動(dòng)力電池安全、高壓電安全、驅(qū)動(dòng)電機(jī)安全、整車控制安全等方面，明顯不同于傳統(tǒng)的燃油燃?xì)馄?。新能源汽車這些安全技術(shù)特性尤其是動(dòng)力電池相關(guān)安全技術(shù)還處在發(fā)展探索階段，仍不成熟，導(dǎo)致新能源汽車事故尤其是著火爆炸事故時(shí)有發(fā)生。

表1 2017～2021年國內(nèi)新能源汽車保有量 (單位：萬輛)

近年來，以動(dòng)力電池?zé)崽匦浴崾Э貦C(jī)理、防護(hù)和控制方法為核心的動(dòng)力電池?zé)岚踩芯恳呀?jīng)成為科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問題[3]。國內(nèi)外學(xué)者從動(dòng)力電池材料、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱失控阻斷、故障主動(dòng)檢測(cè)預(yù)警等方面開展了大量研究，形成了一些有實(shí)用價(jià)值的成果，但仍無法從根本上解決動(dòng)力電池的安全問題。同時(shí)，為了保證新能源汽車運(yùn)行安全，我國在國家層面不斷推動(dòng)完善新能源汽車安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，從設(shè)計(jì)制造源頭提高新能源汽車產(chǎn)品安全技術(shù)性能；針對(duì)在用新能源汽車，相關(guān)行業(yè)主管部門開展了車輛運(yùn)營動(dòng)態(tài)監(jiān)管、安全隱患排查專項(xiàng)行動(dòng)、事故新能源汽車安全缺陷深度調(diào)查等多項(xiàng)管理措施，對(duì)保障新能源汽車運(yùn)行安全起到了積極作用，但由于新能源汽車產(chǎn)業(yè)是在短期內(nèi)高速發(fā)展的，積累的運(yùn)行安全技術(shù)性能問題和監(jiān)管措施針對(duì)性還較為薄弱，車輛潛在的運(yùn)行安全隱患依然突出。本文通過梳理新能源汽車安全技術(shù)特性，分析新能源汽車運(yùn)行安全管理現(xiàn)狀和存在問題，從強(qiáng)化動(dòng)力電池安全技術(shù)研究、創(chuàng)新運(yùn)行安全監(jiān)管模式等方面提出了加強(qiáng)新能源汽車運(yùn)行安全管理的建議。

1 新能源汽車安全技術(shù)性能特征

新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車，涉及電動(dòng)系統(tǒng)特有安全方面的構(gòu)成包括動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、整車控制器、高壓電連接及充電系統(tǒng)5大方面，相應(yīng)地應(yīng)用了動(dòng)力電池技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)、電控技術(shù)和高壓技術(shù)等核心技術(shù)。新能源汽車內(nèi)裝有的動(dòng)力電池儲(chǔ)存著大量電化學(xué)能，伴隨著動(dòng)力電池濫用和使用循環(huán)次數(shù)的增加不斷衰減，動(dòng)力電池內(nèi)電化學(xué)能穩(wěn)定性逐漸下降，導(dǎo)致燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大；此外動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓線束等部件帶有遠(yuǎn)超人體安全電壓的高壓電，存在因高壓絕緣破損、高壓線束短路、漏電等原因?qū)е埋{乘人員觸電的風(fēng)險(xiǎn)。因此，新能源汽車在其全生命周期范圍內(nèi)，都存在燃燒、爆炸、高壓觸電等安全風(fēng)險(xiǎn)，一般這種風(fēng)險(xiǎn)會(huì)隨著車輛使用年限的增長(zhǎng)而逐步增加[4]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年新能源汽車安全事故中動(dòng)力電池問題約占58%，碰撞問題約占19%，浸水、零部件故障和使用問題約占19%[5]；近年來，著火是新能源汽車主要安全事故形態(tài)，著火原因涉及動(dòng)力電池自燃、交通事故、外來火源等3大類，占比分別為63.8%、15.3%和13.8%，事故多發(fā)生在高溫時(shí)節(jié)，涉事車輛多處于高荷電狀態(tài)；事故車輛中新車占比較低，絕大多數(shù)是使用一段時(shí)間、行駛里程在1萬公里以上的車輛，且相比私人用車，營運(yùn)車輛的使用強(qiáng)度高、使用頻次高，事故發(fā)生率顯著偏高[6]。統(tǒng)計(jì)2018～2021年市場(chǎng)監(jiān)管總局發(fā)起的79起新能源汽車缺陷產(chǎn)品召回案例，新能源汽車因動(dòng)力電池、電控系統(tǒng)缺陷合計(jì)召回次數(shù)41次、涉及約10萬輛車，這些缺陷增加了動(dòng)力電池?zé)崾Э?、失去?dòng)力、碰撞事故等安全風(fēng)險(xiǎn)[7]。另據(jù)新能源汽車國家監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)監(jiān)管的61項(xiàng)新能源汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，新能源汽車動(dòng)力電池故障，包括動(dòng)力電池單體一致性、高溫、SOC過高報(bào)警等，占全部監(jiān)控故障總量的近1/3[8]。由此可見，動(dòng)力電池性能直接影響整車的安全性能。

動(dòng)力電池發(fā)展經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池、鋰離子電池的歷程。目前，鋰離子電池憑借能量密度高、輸出電壓高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、可快速充放電等優(yōu)點(diǎn)[9]，成為新能源汽車最主要的動(dòng)力電池類型。據(jù)國家工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)，2020年電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)平均能量密度為152.6 Wh/kg[6]。因此動(dòng)力電池尤其是鋰離子電池本身具有高密度能量，在無需外部激勵(lì)的情況下，本身就會(huì)因能量釋放產(chǎn)生極大危害。此外，鋰離子電池的正負(fù)極嵌入反應(yīng)方式、組成材料易燃等特性，決定了其易受外界干擾導(dǎo)致熱失控，進(jìn)而誘發(fā)能量非正常釋放。根據(jù)誘發(fā)動(dòng)力電池能量非正常釋放的原因分類，動(dòng)力電池安全性包括電安全、熱安全、結(jié)構(gòu)安全、環(huán)境安全、生命周期安全等[10]。表2所示為動(dòng)力電池安全性分類狀況。

表2 動(dòng)力電池安全性分類

新能源汽車燃燒、爆炸的根本原因是由動(dòng)力電池故障引發(fā)的熱失控[11]，然而就目前相關(guān)技術(shù)研究水平來看，還沒有形成完善的熱失控解決方案[12]，這成為制約動(dòng)力電池、新能源汽車行業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。因此動(dòng)力電池安全防護(hù)技術(shù)最主要目標(biāo)是阻斷或延緩熱失控和熱失控?cái)U(kuò)展[13]，防止燃燒、爆炸等熱安全事故發(fā)生。目前動(dòng)力電池安全可靠性技術(shù)積累和安全驗(yàn)證還不夠成熟，除了正常使用導(dǎo)致的安全性能下降外，更為重要的是機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等條件誘發(fā)的熱失控，各種濫用誘發(fā)方式之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，如碰撞事故中存在動(dòng)力電池系統(tǒng)在碰撞中與車身固定件之間受擠壓損傷，可能造成高壓回路短路引起起火、爆炸等。為提高動(dòng)力電池全生命周期安全性能，除了在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)加強(qiáng)機(jī)械安全、電安全設(shè)計(jì)，提高動(dòng)力電池產(chǎn)品本質(zhì)安全性外，還需強(qiáng)化動(dòng)力電池?zé)峁芾?、熱失控預(yù)警防護(hù)和熱失控潛在故障預(yù)測(cè)等方面技術(shù)，以保障新能源汽車運(yùn)行安全。

2 新能源汽車安全技術(shù)性能管理對(duì)策

近年來，國家不斷完善新能源汽車安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，從設(shè)計(jì)制造源頭提高新能源汽車產(chǎn)品安全技術(shù)性能，同時(shí)通過加強(qiáng)新能源汽車運(yùn)營動(dòng)態(tài)監(jiān)管、及時(shí)排查安全隱患、深入調(diào)查安全事故原因等措施，確保新能源汽車運(yùn)行安全。

我國已經(jīng)制定實(shí)施的新能源汽車相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)超過100項(xiàng)，涵蓋了整車、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電控系統(tǒng)等關(guān)鍵組成，以及基礎(chǔ)通用和設(shè)施、充電接口、通訊協(xié)議等領(lǐng)域，形成了較為系統(tǒng)、全面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，但基本上為國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)要照顧整個(gè)行業(yè)的平均技術(shù)水平，這也就說明我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)水平整體仍然偏低[14]。2016年國家工業(yè)和信息化部《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)定》，強(qiáng)制要求新能源汽車在符合相同類別常規(guī)汽車標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還應(yīng)符合《新能源汽車產(chǎn)品專項(xiàng)檢驗(yàn)項(xiàng)目及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，具體包括了動(dòng)力電池、電動(dòng)汽車安全、電機(jī)及控制器、電磁場(chǎng)輻射、操縱件、儀表等19個(gè)項(xiàng)目的39項(xiàng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。表3所示為新能源汽車強(qiáng)制執(zhí)行的技術(shù)性能要求。2020年發(fā)布的《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》《電動(dòng)汽車安全要求》《電動(dòng)客車安全要求》等3項(xiàng)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化了動(dòng)力電池系統(tǒng)安全需求，增加了電池包和電池系統(tǒng)的安全測(cè)試項(xiàng)目，特別是增加了電池包或系統(tǒng)過流保護(hù)、熱擴(kuò)散安全要求和試驗(yàn)方法，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5 min內(nèi)不起火、不爆炸，為駕乘人員預(yù)留安全逃生時(shí)間等。不斷健全完善的新能源汽車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系有效提高了新能源汽車整車和關(guān)鍵部件的安全性能評(píng)價(jià)和檢測(cè)能力，但這些安全性能評(píng)價(jià)和測(cè)試方法多數(shù)適用于新產(chǎn)品定型階段的檢驗(yàn)，不適用于車輛使用全生命周期的安全性能評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)，尤其是對(duì)在用的動(dòng)力電池安全缺少相應(yīng)的評(píng)價(jià)和測(cè)試規(guī)定，無法保障出廠后使用過程中的安全性能。

表3 新能源汽車強(qiáng)制執(zhí)行的技術(shù)性能要求

為加強(qiáng)新能源汽車運(yùn)營監(jiān)管，保障運(yùn)行安全，2016年國家發(fā)布實(shí)施了《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T32960)系列標(biāo)準(zhǔn)，2017年國家工業(yè)和信息化部要求所有新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)建立監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并與國家平臺(tái)完成對(duì)接、傳輸測(cè)試，這就實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車全生命周期運(yùn)行安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，具體監(jiān)測(cè)信息包括動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓、電流、溫度，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛位置、故障報(bào)警等7類61項(xiàng)車端信號(hào)。當(dāng)前對(duì)于動(dòng)力電池故障分析診斷大多數(shù)方法都基于測(cè)量溫度、電壓，通過對(duì)這些信息的實(shí)時(shí)獲取、分析，配合車輛基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境等形成電動(dòng)汽車多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合數(shù)據(jù)資源和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為評(píng)估新能源汽車動(dòng)力電池等關(guān)鍵部件的安全技術(shù)性能提供了可能性[15]。但從2020年涉及新能源汽車事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，充電及使用中發(fā)生的無征兆類自燃事故占比高達(dá)90%。無論是運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,還是事故后電池殘骸分析，均難以確定事故原因[6]。北京航天航空大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)楊世春指出“新能源汽車起火存在不確定因素[16]，而且是在各個(gè)工況中都可能突然起火，在起火過程中，整車的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(BMS) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都沒有明顯異常，目前基于傳統(tǒng)方法對(duì)于新能源汽車起火的預(yù)測(cè)非常困難。在此背景之下，對(duì)新能源汽車的故障預(yù)測(cè)研究迫在眉睫”。但目前動(dòng)力電池故障診斷理論研究還不成熟，再加上實(shí)車運(yùn)行過程工況交變復(fù)雜，基于試驗(yàn)條件建立的故障預(yù)警很難真實(shí)反映實(shí)車工況的多因素耦合的故障現(xiàn)象[17]。

針對(duì)新能源汽車火災(zāi)事故多發(fā)，2018年、2020年，工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心組織開展新能源汽車安全隱患專項(xiàng)治理工作，要求新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)按比例抽查已售、庫存車輛的防水保護(hù)、高壓線束、動(dòng)力電池、充電裝置、電池箱、機(jī)械部件和易損件的安全隱患情況；聯(lián)合動(dòng)力電池供應(yīng)商共同開展動(dòng)力電池外觀、軟件診斷等常規(guī)性檢查，對(duì)于常規(guī)性檢查發(fā)現(xiàn)問題的，進(jìn)行電池箱氣密性、開箱、更換零件等延伸性檢查。表4所示為新能源汽車安全隱患排查工作檢查參考表。同期，針對(duì)發(fā)生火災(zāi)事故后的處置工作，國家市場(chǎng)監(jiān)管總局要求企業(yè)獲知其生產(chǎn)、銷售或進(jìn)口的新能源汽車發(fā)生交通碰撞、火災(zāi)等事故后，組織調(diào)查分析、報(bào)告結(jié)果，對(duì)于發(fā)生冒煙、起火事故的，在事故發(fā)生12 h內(nèi)報(bào)告；對(duì)于造成人員傷亡或重大社會(huì)影響的，在事故發(fā)生后6 h內(nèi)報(bào)告，并保持車輛處于火災(zāi)事故救援后的狀態(tài)，以便后續(xù)開展火災(zāi)原因分析和事故深度調(diào)查工作，同時(shí)企業(yè)還應(yīng)主動(dòng)排查同型號(hào)、同批次或使用同樣零部件的車輛是否存在火災(zāi)安全隱患。這種針對(duì)動(dòng)力電池或其火災(zāi)事故的實(shí)車軟硬件相結(jié)合的檢查方式，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排查在用車輛的動(dòng)力電池安全隱患有積極的幫助，但未制度化，也未覆蓋全部在用新能源汽車。

表4 新能源汽車安全隱患排查工作檢查參考表[18]

公安機(jī)關(guān)交通管理部門負(fù)責(zé)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全管理，自建國以來就通過實(shí)行機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)制度保障運(yùn)行安全，2004年《道路交通安全法》及其實(shí)施條例的施行，標(biāo)志著我國道路交通管理從法律層面上確立了機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)制度。機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)作為我國機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全管理的一項(xiàng)基本制度，經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)形成了系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以及檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)建設(shè)和管理法規(guī)規(guī)范體系，在保障機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全方面發(fā)揮著重要作用。公安機(jī)關(guān)交通管理部門主要負(fù)責(zé)核發(fā)檢驗(yàn)合格標(biāo)志，會(huì)同國務(wù)院相關(guān)部門制定機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目。但長(zhǎng)期以來，機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)內(nèi)容主要是傳統(tǒng)燃油燃?xì)廛囕v的機(jī)械運(yùn)行安全性能，具體檢驗(yàn)項(xiàng)目包括了汽車的唯一性、特征參數(shù)、外觀、安全裝置、底盤部件、制動(dòng)性能、燈光發(fā)光強(qiáng)度等，未涉及新能源汽車動(dòng)力電池安全、高壓電安全、驅(qū)動(dòng)電機(jī)安全等專用性能檢驗(yàn)需求。2020年最新修訂實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》(GB38900—2020)增加了對(duì)新能源汽車外接充電接口、可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)、高低壓線束及其連接器的外觀目測(cè)檢驗(yàn)，以及B級(jí)電路警告標(biāo)志標(biāo)識(shí)檢驗(yàn)等要求，但由于相關(guān)檢驗(yàn)技術(shù)、方法等理論依據(jù)，以及專用檢驗(yàn)設(shè)備工具缺失，仍未將動(dòng)力電池、高壓電、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等新能源汽車特有關(guān)鍵部件的安全技術(shù)性能納入檢驗(yàn)項(xiàng)目。

3 結(jié)語

新能源汽車是我國發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其運(yùn)行安全性能是整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，引發(fā)了社會(huì)各界廣泛關(guān)注。當(dāng)前各相關(guān)監(jiān)管部門實(shí)施的車輛安全性能管理措施存在不足，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除潛在的運(yùn)行安全隱患，無法從根本上解決新能源汽車運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。保證新能源汽車運(yùn)行安全，亟需建立有效的車輛全生命周期的安全技術(shù)性能監(jiān)管體系，這需要重點(diǎn)解決的：一是關(guān)鍵部件安全特性研究，結(jié)合新能源汽車安全特性和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，動(dòng)力電池的安全性問題是最亟待突破的難題，其性能、壽命和安全性在使用過程中的衰退變化直接影響了整車運(yùn)行安全，有必要深入研究動(dòng)力電池安全性的動(dòng)態(tài)邊界和性能衰退規(guī)律，提升動(dòng)力電池在使用過程中安全隱患的檢驗(yàn)、預(yù)警能力；二是創(chuàng)新運(yùn)行安全技術(shù)性能檢驗(yàn)?zāi)Ｊ?，機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)作為我國機(jī)動(dòng)車安全管理的基本制度，具有強(qiáng)制性實(shí)車檢驗(yàn)的特點(diǎn)，但目前對(duì)于新能源汽車安全性能檢驗(yàn)的針對(duì)性不足。國家新能源汽車運(yùn)營監(jiān)控平臺(tái)建立的24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控和三級(jí)故障預(yù)警機(jī)制，基于動(dòng)力電池等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在評(píng)估預(yù)警車輛安全技術(shù)性能方面發(fā)揮了積極作用，展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景，因此可以結(jié)合線上監(jiān)測(cè)評(píng)估和線下實(shí)車檢驗(yàn)的技術(shù)特點(diǎn)，線上充分融合監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)、車端運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)、缺陷產(chǎn)品召回和事故數(shù)據(jù)等，進(jìn)一步優(yōu)化故障報(bào)警閾值、完善預(yù)警模型，建立大數(shù)據(jù)視角下的整車級(jí)的故障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和預(yù)警，為線下實(shí)車檢驗(yàn)提供更加精準(zhǔn)安全隱患識(shí)別指引，提高線下檢驗(yàn)的針對(duì)性和科學(xué)性，形成“線上主動(dòng)預(yù)警、線下隱患消除”的安全技術(shù)檢驗(yàn)新模式。