電動汽車火災危險性及其鑒定技術的研究

隨著世界范圍內電動汽車產業的大力發展，電動汽車的火災也時有發生，這引發全社會的質疑，其產業發展受到影響。例如: 2011 年4 月11 日浙江省杭州市眾泰電動出租車發生火災事故，如圖1 所示; 2011年6 月6 日美國NHTSA 試驗場沃藍達電動實驗車起火事故; 2012 年5 月26 日廣東省深圳市比亞迪e6 純電動出租車碰撞發生火災事故，如圖2 所示; 2012 年10 月1 日美國特斯拉純電動汽車發生火災事故。因此，系統全面開展電動汽車火災危險性及其鑒定技術研究就顯得十分迫切和必要，既是消防火災調查工作的需要，也是新能源產業發展的需要。
1 電動汽車火災危險性分析
對電動汽車火災危險性的分析，首先是通過對比電動汽車與內燃機構造上的差別以及運行原理的不同，電動汽車基本構造示意圖如圖3 所示，依托對電動汽車結構的技術調研，分析可能產生新的火災隱患的部件或系統，并對這些關鍵部件火災危險產生的原因及影響因素進行分析。

1—12 V 系統; 2—高壓系統; 3—CAN 通訊。
圖3 電動汽車基本構造示意圖
通過分析可歸納電動汽車火災危險性有以下幾方面: ①危險系統主要有: 動力電池、高壓線路、低壓線路、熱管理系統、充電系統、電機和電控; ②故障表現形式為: 內短路、外短路、固定帶熔斷、全線過熱、熱燒蝕/氧化、元器件損壞、電池熱管理故障和電池熱失控; ③火災機理為: 雜質混入、溫度不均、內阻增加、電池放電、過壓/過流、端子接觸不良、BMS( 電池管理系統)報文錯誤和過充電; ④火災產生的原因為: 工藝缺陷、超期使用、外來物、誤操作、飛線、不同廠家部件不匹配、充電管理和線路布置不合理。
2 電動汽車火災鑒定技術模擬研究
2. 1 優選模擬電源并制備電動汽車線路短路熔痕樣品
在對電動汽車火災的實際調查和火災危險性分析中發現，電動汽車火災后殘留物中存在大量的高低壓電線短路痕跡、電池箱金屬車體電弧放電形成熔化孔洞、電池金屬固定帶的電熱熔斷痕跡等，對這些熔痕的定性，成為電動汽車火災原因調查物證鑒定的關鍵。
由于電動汽車電池電壓是從48 ～ 600 V 之間變化，所以，首先要解決的是模擬電源的問題，再制備電動車線路短路熔痕樣品，通過分析對比可得出電動汽車的火災原因。
2. 1. 1 優選模擬電源
通過對不同電動汽車輸出電壓的變化規律研究，歸納電動汽車動力輸出電壓的變化特點。尋求建立不同直流電壓下，短路熔痕模擬試驗的方法。通過調研多種實驗方案，了解電動汽車生產廠商的電動汽車實驗開發過程，確定設計、制造以大功率開關電源為基礎的不同電壓下直流電路短路熔痕制備的實驗裝置。對比了直流穩壓電源、蓄電池、蓄電池+ 充電器、直流電焊機等多種電源。后加工改造開關電源，并通過與蓄電池的實驗對比驗證了開關電源作為實驗電源的有效性。確定了以改造開關電源為基礎的不同電壓下直流電路短路熔痕的實驗模擬方案，優選的模擬開關電源如圖4 所示。

圖4 優選的模擬開關電源
2. 1. 2 制備電動汽車線路短路熔痕樣品
在優選模擬電源的基礎上，加工制備了400 V，100 A 的大功率開關電源作為實驗模擬電源。試驗電壓以30 V( 二次60 V) 的間隔，以70 V 為基礎，每組實驗進行5 組，采用0. 5，1. 5，4mm2 3 種規格的汽車導線進行一次短路實驗。采用截面積為0. 5，4mm2
2 種規格汽車銅導線進行二次短路實驗。實驗制備一次短路樣品各50 組，共計150 組。二次短路樣品各18 組，共計36 組，超過千個實驗樣品。以此可判斷各種由線路引發的電動汽車火災原因。
2. 2 建立電動汽車線路短路熔痕性質判據
將所有實驗樣品以線徑、電壓、正負極為區別參數，進行歸類，對分類樣品進行拍照，從宏觀上對比不同參數對樣品熔痕外觀的影響，并總結形成規律。在此基礎上，把所有實驗樣品進行分類標記，制備成金相樣品，并通過金相分析的方法對樣品的金相組織特點進行分析、歸納和總結。
通過樣品的宏觀、微觀( 金相) 分析，比較總結不同參數( 電壓、線徑、孔洞、溫度等) 熔痕特征的不同。
提出不同電壓下直流電路短路熔痕性質的判定應以金相組織為基礎，以孔洞特征為依據，以物理條件( 如電壓、線徑) 為參考的綜合分析判定方法，如圖5所示。

圖5 電動汽車線路故障( 一次短路、二次短路) 判定方法
2. 2. 1 宏觀特征在二次短路實驗中，實驗現象隨電壓的變化規律基本與一次短路相同，而實驗制備的熔痕樣品外觀，與一次短路熔痕樣品外觀存在較大不同。在宏觀特征上，一次短路熔痕明顯小而圓，并與基體過渡區域尺寸相對熔痕較大。二次短路熔痕較長，與基體過渡區域尺寸一般( 在端部) 小于或等同于熔痕前部尺寸，當熔痕在線間時，呈現近似的三角形，此時，過渡區域尺寸較大。而一次短路出現較長熔痕時，一般是沿著導線基體，向內“包裹”導線，形成以導線為中心的較長的熔化區域，沒有大的形狀變化。傳統內燃機車與電動汽車短路熔痕的宏觀特征區別見表1。

表1 內燃機汽車與電動汽車熔痕宏觀特征對比
2. 2. 2 顯微組織
在金相組織上，從實驗樣品來看，并不是電壓越高金相組織越接近標準中一次短路、二次短路組織特征。①在電壓處于一定范圍內，熔痕的金相組織呈現典型的胞狀晶組織，而隨著電壓的變化，金相組織也會在胞狀晶和柱狀晶之間呈現緩慢的過渡區域。②當電壓較低時，一次短路和二次短路熔痕樣品在實驗中出現了明顯的重合現象，而且這種重合存在一定的規律性，當電壓較低、線徑較小時一次、二次短路重合度較大，而當電壓較高、線徑較大時則重合度較小。分析截面積為4 mm2 導線二次短路實驗樣品，與一次短路特征幾乎沒有重合，全部為標準中二次短路特征的組織。傳統內燃機車與電動汽車短路熔痕的顯微組織特征區別見表2。

表2 內燃機汽車與電動汽車熔痕顯微組織對比
2. 2. 3 電壓變化
采用宏觀分析和金相分析的方法對全部樣品進行分析。從實驗過程來看，因為電流設定位恒定100 A，隨著短路電壓的升高，短路所產生的能量也越大，體現在短路電弧的亮度、聲音越大，短路熔珠迸濺的范圍也越大。隨著電壓的增加，短路產生電熱能量隨之增加，引發火災的危險性也在增加。通過金相分析發現，短路熔痕的金相組織隨著電壓的增加胞晶組織減少而呈現粗大柱狀晶的程度增加。在一次短路、二次短路熔痕實驗樣品分析中具有同樣的規律性。一次短路柱狀晶的長度遠遠小于二次短路的長度，體現在熔痕宏觀上一次短路熔痕小并與基體緊密相連，二次短路熔痕較長，出現較大的明顯熔化區，并隨著電壓的升高，導線端部形成熔痕呈現明顯規則圓形熔珠的概率有所下降。
2. 2. 4 線徑變化
在相同的電壓下，不同線徑的導線在發生短路時，發生的實驗現象也不相同。①當導線截面積為0. 5 mm2時，即使在高電壓( 340 V) 下，進行短路實驗，短路保護未動作，但電流表顯示的瞬間電流，遠遠超過了短路保護的設定值。②當導線截面積為4 mm2時，電壓達到190 V，短路保護即開始動作。在較低電壓時短路對小線徑的導線的熔斷能力高于相對大線徑的導線; 在高電壓時，短路對大線徑的導線的熔化能力高于小線徑導線。隨著線徑的增加，短路熔痕金相組織的變化體現在典型的一次短路胞晶組織的減少，呈現在大的柱狀晶粒中局部存在細密的枝晶，而深腐蝕后會使這種區別更不明顯。
2. 2. 5 孔洞
熔痕中的孔洞、熔痕與線徑的占比等都會影響短路熔痕的性質。①一次短路熔痕中的孔洞小而圓，有的孔洞較大的是因為兩個或多個圓形孔洞因為位置部分重合而形成了相對較大的孔洞，但仍可以看到多個小孔洞組合而成的痕跡; ②二次短路熔痕中的孔洞遠遠大于多股銅導線中的單根線徑，并且，孔洞形狀非常不規則。
3 建立電動汽車火災調查方法
3. 1 調查程序和方法
電動汽車火災調查不同于傳統汽車火災調查，由于傳統汽車火災出現的比較多，應急處理人員對一般的危險因素如油箱、輪胎爆炸等都比較熟知，而且在滅火救援中都會有意識的規避。在應對電動汽車火災的事故中，由于其特殊的構造需要進行專業的處理，文中通過對電動汽車火災調查前的準備、調查的區別、起火點的判斷、痕跡的影響等方面對電動汽車火災的特殊性進行了分析、對比和闡述。
通過對電動汽車火災危險性分析，結合短路實驗的數據分析，在遵循傳統汽車火災調查一般程序的基礎上，提出電動汽車火災調查的特點和方法，如圖6所示。

圖6 電動汽車火災調查程序和方法
3. 2 國內外技術指標比較
( 1) 國外主要研究為動力電池的安全測試，設計標準的制修訂; NFPA 增加混合動力和氫燃料車輛火災調查說明單一案例的分析。
( 2) 國內主要為推進電池組的安全標準，SAE( Society of Automotive Engineers) 尋求充電火災的預防辦法，鋰電池火災危險及滅火研究等。
4 成果推廣及典型案例應用
4. 1 成果推廣
本項目研究成果具有很強的實用性和科學性，完成了十多起國內影響較大的電動汽車火災原因調查與技術鑒定工作，取得顯著社會效益。同時通過講課培訓等多種方式推廣研究成果，對指導火調人員實際工作起到重要作用。
4. 2 典型案例應用
2016 年6 月26 日18 時許，某電動汽車在北京市朝陽區三里屯行駛中起火燃燒，汽車整體過火燒損，社會影響較大。
 ( 1) 現場痕跡分析。確定起火部位為電池艙左后部。
 ( 2) 電路布設及原理分析。與同類型車對比分析，起火部位包含充電線路、高壓線路、低壓線路、動力電池、數據采樣線等。
( 3) 物證提取與技術鑒定。應用金相分析、掃描電鏡分析、X 光分析等判斷熔痕性質，判斷動力電池失效原因。
綜合分析認定該汽車火災的起火原因為電池艙內左后部電池模組部分發生電氣故障引燃周圍可燃物起火，疑似存在電池熱失控及熱管系統問題。