电动汽车火灾危险性及其鉴定技术的研究

随着世界范围内电动汽车产业的大力发展，电动汽车的火灾也时有发生，这引发全社会的质疑，其产业发展受到影响。例如: 2011 年4 月11 日浙江省杭州市众泰电动出租车发生火灾事故，如图1 所示; 2011年6 月6 日美国NHTSA 试验场沃蓝达电动实验车起火事故; 2012 年5 月26 日广东省深圳市比亚迪e6 纯电动出租车碰撞发生火灾事故，如图2 所示; 2012 年10 月1 日美国特斯拉纯电动汽车发生火灾事故。因此，系统全面开展电动汽车火灾危险性及其鉴定技术研究就显得十分迫切和必要，既是消防火灾调查工作的需要，也是新能源产业发展的需要。
1 电动汽车火灾危险性分析
对电动汽车火灾危险性的分析，首先是通过对比电动汽车与内燃机构造上的差别以及运行原理的不同，电动汽车基本构造示意图如图3 所示，依托对电动汽车结构的技术调研，分析可能产生新的火灾隐患的部件或系统，并对这些关键部件火灾危险产生的原因及影响因素进行分析。

1—12 V 系统; 2—高压系统; 3—CAN 通讯。
图3 电动汽车基本构造示意图
通过分析可归纳电动汽车火灾危险性有以下几方面: ①危险系统主要有: 动力电池、高压线路、低压线路、热管理系统、充电系统、电机和电控; ②故障表现形式为: 内短路、外短路、固定带熔断、全线过热、热烧蚀/氧化、元器件损坏、电池热管理故障和电池热失控; ③火灾机理为: 杂质混入、温度不均、内阻增加、电池放电、过压/过流、端子接触不良、BMS( 电池管理系统)报文错误和过充电; ④火灾产生的原因为: 工艺缺陷、超期使用、外来物、误操作、飞线、不同厂家部件不匹配、充电管理和线路布置不合理。
2 电动汽车火灾鉴定技术模拟研究
2. 1 优选模拟电源并制备电动汽车线路短路熔痕样品
在对电动汽车火灾的实际调查和火灾危险性分析中发现，电动汽车火灾后残留物中存在大量的高低压电线短路痕迹、电池箱金属车体电弧放电形成熔化孔洞、电池金属固定带的电热熔断痕迹等，对这些熔痕的定性，成为电动汽车火灾原因调查物证鉴定的关键。
由于电动汽车电池电压是从48 ～ 600 V 之间变化，所以，首先要解决的是模拟电源的问题，再制备电动车线路短路熔痕样品，通过分析对比可得出电动汽车的火灾原因。
2. 1. 1 优选模拟电源
通过对不同电动汽车输出电压的变化规律研究，归纳电动汽车动力输出电压的变化特点。寻求建立不同直流电压下，短路熔痕模拟试验的方法。通过调研多种实验方案，了解电动汽车生产厂商的电动汽车实验开发过程，确定设计、制造以大功率开关电源为基础的不同电压下直流电路短路熔痕制备的实验装置。对比了直流稳压电源、蓄电池、蓄电池+ 充电器、直流电焊机等多种电源。后加工改造开关电源，并通过与蓄电池的实验对比验证了开关电源作为实验电源的有效性。确定了以改造开关电源为基础的不同电压下直流电路短路熔痕的实验模拟方案，优选的模拟开关电源如图4 所示。

图4 优选的模拟开关电源
2. 1. 2 制备电动汽车线路短路熔痕样品
在优选模拟电源的基础上，加工制备了400 V，100 A 的大功率开关电源作为实验模拟电源。试验电压以30 V( 二次60 V) 的间隔，以70 V 为基础，每组实验进行5 组，采用0. 5，1. 5，4mm2 3 种规格的汽车导线进行一次短路实验。采用截面积为0. 5，4mm2
2 种规格汽车铜导线进行二次短路实验。实验制备一次短路样品各50 组，共计150 组。二次短路样品各18 组，共计36 组，超过千个实验样品。以此可判断各种由线路引发的电动汽车火灾原因。
2. 2 建立电动汽车线路短路熔痕性质判据
将所有实验样品以线径、电压、正负极为区别参数，进行归类，对分类样品进行拍照，从宏观上对比不同参数对样品熔痕外观的影响，并总结形成规律。在此基础上，把所有实验样品进行分类标记，制备成金相样品，并通过金相分析的方法对样品的金相组织特点进行分析、归纳和总结。
通过样品的宏观、微观( 金相) 分析，比较总结不同参数( 电压、线径、孔洞、温度等) 熔痕特征的不同。
提出不同电压下直流电路短路熔痕性质的判定应以金相组织为基础，以孔洞特征为依据，以物理条件( 如电压、线径) 为参考的综合分析判定方法，如图5所示。

图5 电动汽车线路故障( 一次短路、二次短路) 判定方法
2. 2. 1 宏观特征在二次短路实验中，实验现象随电压的变化规律基本与一次短路相同，而实验制备的熔痕样品外观，与一次短路熔痕样品外观存在较大不同。在宏观特征上，一次短路熔痕明显小而圆，并与基体过渡区域尺寸相对熔痕较大。二次短路熔痕较长，与基体过渡区域尺寸一般( 在端部) 小于或等同于熔痕前部尺寸，当熔痕在线间时，呈现近似的三角形，此时，过渡区域尺寸较大。而一次短路出现较长熔痕时，一般是沿着导线基体，向内“包裹”导线，形成以导线为中心的较长的熔化区域，没有大的形状变化。传统内燃机车与电动汽车短路熔痕的宏观特征区别见表1。

表1 内燃机汽车与电动汽车熔痕宏观特征对比
2. 2. 2 显微组织
在金相组织上，从实验样品来看，并不是电压越高金相组织越接近标准中一次短路、二次短路组织特征。①在电压处于一定范围内，熔痕的金相组织呈现典型的胞状晶组织，而随着电压的变化，金相组织也会在胞状晶和柱状晶之间呈现缓慢的过渡区域。②当电压较低时，一次短路和二次短路熔痕样品在实验中出现了明显的重合现象，而且这种重合存在一定的规律性，当电压较低、线径较小时一次、二次短路重合度较大，而当电压较高、线径较大时则重合度较小。分析截面积为4 mm2 导线二次短路实验样品，与一次短路特征几乎没有重合，全部为标准中二次短路特征的组织。传统内燃机车与电动汽车短路熔痕的显微组织特征区别见表2。

表2 内燃机汽车与电动汽车熔痕显微组织对比
2. 2. 3 电压变化
采用宏观分析和金相分析的方法对全部样品进行分析。从实验过程来看，因为电流设定位恒定100 A，随着短路电压的升高，短路所产生的能量也越大，体现在短路电弧的亮度、声音越大，短路熔珠迸溅的范围也越大。随着电压的增加，短路产生电热能量随之增加，引发火灾的危险性也在增加。通过金相分析发现，短路熔痕的金相组织随着电压的增加胞晶组织减少而呈现粗大柱状晶的程度增加。在一次短路、二次短路熔痕实验样品分析中具有同样的规律性。一次短路柱状晶的长度远远小于二次短路的长度，体现在熔痕宏观上一次短路熔痕小并与基体紧密相连，二次短路熔痕较长，出现较大的明显熔化区，并随着电压的升高，导线端部形成熔痕呈现明显规则圆形熔珠的概率有所下降。
2. 2. 4 线径变化
在相同的电压下，不同线径的导线在发生短路时，发生的实验现象也不相同。①当导线截面积为0. 5 mm2时，即使在高电压( 340 V) 下，进行短路实验，短路保护未动作，但电流表显示的瞬间电流，远远超过了短路保护的设定值。②当导线截面积为4 mm2时，电压达到190 V，短路保护即开始动作。在较低电压时短路对小线径的导线的熔断能力高于相对大线径的导线; 在高电压时，短路对大线径的导线的熔化能力高于小线径导线。随着线径的增加，短路熔痕金相组织的变化体现在典型的一次短路胞晶组织的减少，呈现在大的柱状晶粒中局部存在细密的枝晶，而深腐蚀后会使这种区别更不明显。
2. 2. 5 孔洞
熔痕中的孔洞、熔痕与线径的占比等都会影响短路熔痕的性质。①一次短路熔痕中的孔洞小而圆，有的孔洞较大的是因为两个或多个圆形孔洞因为位置部分重合而形成了相对较大的孔洞，但仍可以看到多个小孔洞组合而成的痕迹; ②二次短路熔痕中的孔洞远远大于多股铜导线中的单根线径，并且，孔洞形状非常不规则。
3 建立电动汽车火灾调查方法
3. 1 调查程序和方法
电动汽车火灾调查不同于传统汽车火灾调查，由于传统汽车火灾出现的比较多，应急处理人员对一般的危险因素如油箱、轮胎爆炸等都比较熟知，而且在灭火救援中都会有意识的规避。在应对电动汽车火灾的事故中，由于其特殊的构造需要进行专业的处理，文中通过对电动汽车火灾调查前的准备、调查的区别、起火点的判断、痕迹的影响等方面对电动汽车火灾的特殊性进行了分析、对比和阐述。
通过对电动汽车火灾危险性分析，结合短路实验的数据分析，在遵循传统汽车火灾调查一般程序的基础上，提出电动汽车火灾调查的特点和方法，如图6所示。

图6 电动汽车火灾调查程序和方法
3. 2 国内外技术指标比较
( 1) 国外主要研究为动力电池的安全测试，设计标准的制修订; NFPA 增加混合动力和氢燃料车辆火灾调查说明单一案例的分析。
( 2) 国内主要为推进电池组的安全标准，SAE( Society of Automotive Engineers) 寻求充电火灾的预防办法，锂电池火灾危险及灭火研究等。
4 成果推广及典型案例应用
4. 1 成果推广
本项目研究成果具有很强的实用性和科学性，完成了十多起国内影响较大的电动汽车火灾原因调查与技术鉴定工作，取得显著社会效益。同时通过讲课培训等多种方式推广研究成果，对指导火调人员实际工作起到重要作用。
4. 2 典型案例应用
2016 年6 月26 日18 时许，某电动汽车在北京市朝阳区三里屯行驶中起火燃烧，汽车整体过火烧损，社会影响较大。
 ( 1) 现场痕迹分析。确定起火部位为电池舱左后部。
 ( 2) 电路布设及原理分析。与同类型车对比分析，起火部位包含充电线路、高压线路、低压线路、动力电池、数据采样线等。
( 3) 物证提取与技术鉴定。应用金相分析、扫描电镜分析、X 光分析等判断熔痕性质，判断动力电池失效原因。
综合分析认定该汽车火灾的起火原因为电池舱内左后部电池模组部分发生电气故障引燃周围可燃物起火，疑似存在电池热失控及热管系统问题。