電動(dòng)汽車(chē)火災危險性及其鑒定技術(shù)的研究

隨著(zhù)世界范圍內電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的火災也時(shí)有發(fā)生，這引發(fā)全社會(huì )的質(zhì)疑，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到影響。例如: 2011 年4 月11 日浙江省杭州市眾泰電動(dòng)出租車(chē)發(fā)生火災事故，如圖1 所示; 2011年6 月6 日美國NHTSA 試驗場(chǎng)沃藍達電動(dòng)實(shí)驗車(chē)起火事故; 2012 年5 月26 日廣東省深圳市比亞迪e6 純電動(dòng)出租車(chē)碰撞發(fā)生火災事故，如圖2 所示; 2012 年10 月1 日美國特斯拉純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生火災事故。因此，系統全面開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)火災危險性及其鑒定技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。
1 電動(dòng)汽車(chē)火災危險性分析
對電動(dòng)汽車(chē)火災危險性的分析，首先是通過(guò)對比電動(dòng)汽車(chē)與內燃機構造上的差別以及運行原理的不同，電動(dòng)汽車(chē)基本構造示意圖如圖3 所示，依托對電動(dòng)汽車(chē)結構的技術(shù)調研，分析可能產(chǎn)生新的火災隱患的部件或系統，并對這些關(guān)鍵部件火災危險產(chǎn)生的原因及影響因素進(jìn)行分析。

1—12 V 系統; 2—高壓系統; 3—CAN 通訊。
圖3 電動(dòng)汽車(chē)基本構造示意圖
通過(guò)分析可歸納電動(dòng)汽車(chē)火災危險性有以下幾方面: ①危險系統主要有: 動(dòng)力電池、高壓線(xiàn)路、低壓線(xiàn)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(xiàn)過(guò)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(zhì)混入、溫度不均、內阻增加、電池放電、過(guò)壓/過(guò)流、端子接觸不良、BMS( 電池管理系統)報文錯誤和過(guò)充電; ④火災產(chǎn)生的原因為: 工藝缺陷、超期使用、外來(lái)物、誤操作、飛線(xiàn)、不同廠(chǎng)家部件不匹配、充電管理和線(xiàn)路布置不合理。
2 電動(dòng)汽車(chē)火災鑒定技術(shù)模擬研究
2. 1 優(yōu)選模擬電源并制備電動(dòng)汽車(chē)線(xiàn)路短路熔痕樣品
在對電動(dòng)汽車(chē)火災的實(shí)際調查和火災危險性分析中發(fā)現，電動(dòng)汽車(chē)火災后殘留物中存在大量的高低壓電線(xiàn)短路痕跡、電池箱金屬車(chē)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(dòng)汽車(chē)火災原因調查物證鑒定的關(guān)鍵。
由于電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)題，再制備電動(dòng)車(chē)線(xiàn)路短路熔痕樣品，通過(guò)分析對比可得出電動(dòng)汽車(chē)的火災原因。
2. 1. 1 優(yōu)選模擬電源
通過(guò)對不同電動(dòng)汽車(chē)輸出電壓的變化規律研究，歸納電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力輸出電壓的變化特點(diǎn)。尋求建立不同直流電壓下，短路熔痕模擬試驗的方法。通過(guò)調研多種實(shí)驗方案，了解電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗開(kāi)發(fā)過(guò)程，確定設計、制造以大功率開(kāi)關(guān)電源為基礎的不同電壓下直流電路短路熔痕制備的實(shí)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(kāi)關(guān)電源，并通過(guò)與蓄電池的實(shí)驗對比驗證了開(kāi)關(guān)電源作為實(shí)驗電源的有效性。確定了以改造開(kāi)關(guān)電源為基礎的不同電壓下直流電路短路熔痕的實(shí)驗模擬方案，優(yōu)選的模擬開(kāi)關(guān)電源如圖4 所示。

圖4 優(yōu)選的模擬開(kāi)關(guān)電源
2. 1. 2 制備電動(dòng)汽車(chē)線(xiàn)路短路熔痕樣品
在優(yōu)選模擬電源的基礎上，加工制備了400 V，100 A 的大功率開(kāi)關(guān)電源作為實(shí)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(shí)驗進(jìn)行5 組，采用0. 5，1. 5，4mm2 3 種規格的汽車(chē)導線(xiàn)進(jìn)行一次短路實(shí)驗。采用截面積為0. 5，4mm2
2 種規格汽車(chē)銅導線(xiàn)進(jìn)行二次短路實(shí)驗。實(shí)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(guò)千個(gè)實(shí)驗樣品。以此可判斷各種由線(xiàn)路引發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)火災原因。
2. 2 建立電動(dòng)汽車(chē)線(xiàn)路短路熔痕性質(zhì)判據
將所有實(shí)驗樣品以線(xiàn)徑、電壓、正負極為區別參數，進(jìn)行歸類(lèi)，對分類(lèi)樣品進(jìn)行拍照，從宏觀(guān)上對比不同參數對樣品熔痕外觀(guān)的影響，并總結形成規律。在此基礎上，把所有實(shí)驗樣品進(jìn)行分類(lèi)標記，制備成金相樣品，并通過(guò)金相分析的方法對樣品的金相組織特點(diǎn)進(jìn)行分析、歸納和總結。
通過(guò)樣品的宏觀(guān)、微觀(guān)( 金相) 分析，比較總結不同參數( 電壓、線(xiàn)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(zhì)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(xiàn)徑) 為參考的綜合分析判定方法，如圖5所示。

圖5 電動(dòng)汽車(chē)線(xiàn)路故障( 一次短路、二次短路) 判定方法
2. 2. 1 宏觀(guān)特征在二次短路實(shí)驗中，實(shí)驗現象隨電壓的變化規律基本與一次短路相同，而實(shí)驗制備的熔痕樣品外觀(guān)，與一次短路熔痕樣品外觀(guān)存在較大不同。在宏觀(guān)特征上，一次短路熔痕明顯小而圓，并與基體過(guò)渡區域尺寸相對熔痕較大。二次短路熔痕較長(cháng)，與基體過(guò)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(xiàn)間時(shí)，呈現近似的三角形，此時(shí)，過(guò)渡區域尺寸較大。而一次短路出現較長(cháng)熔痕時(shí)，一般是沿著(zhù)導線(xiàn)基體，向內“包裹”導線(xiàn)，形成以導線(xiàn)為中心的較長(cháng)的熔化區域，沒(méi)有大的形狀變化。傳統內燃機車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)短路熔痕的宏觀(guān)特征區別見(jiàn)表1。

表1 內燃機汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)熔痕宏觀(guān)特征對比
2. 2. 2 顯微組織
在金相組織上，從實(shí)驗樣品來(lái)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(zhù)電壓的變化，金相組織也會(huì )在胞狀晶和柱狀晶之間呈現緩慢的過(guò)渡區域。②當電壓較低時(shí)，一次短路和二次短路熔痕樣品在實(shí)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(xiàn)徑較小時(shí)一次、二次短路重合度較大，而當電壓較高、線(xiàn)徑較大時(shí)則重合度較小。分析截面積為4 mm2 導線(xiàn)二次短路實(shí)驗樣品，與一次短路特征幾乎沒(méi)有重合，全部為標準中二次短路特征的組織。傳統內燃機車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)短路熔痕的顯微組織特征區別見(jiàn)表2。

表2 內燃機汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)熔痕顯微組織對比
2. 2. 3 電壓變化
采用宏觀(guān)分析和金相分析的方法對全部樣品進(jìn)行分析。從實(shí)驗過(guò)程來(lái)看，因為電流設定位恒定100 A，隨著(zhù)短路電壓的升高，短路所產(chǎn)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(zhù)電壓的增加，短路產(chǎn)生電熱能量隨之增加，引發(fā)火災的危險性也在增加。通過(guò)金相分析發(fā)現，短路熔痕的金相組織隨著(zhù)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(shí)驗樣品分析中具有同樣的規律性。一次短路柱狀晶的長(cháng)度遠遠小于二次短路的長(cháng)度，體現在熔痕宏觀(guān)上一次短路熔痕小并與基體緊密相連，二次短路熔痕較長(cháng)，出現較大的明顯熔化區，并隨著(zhù)電壓的升高，導線(xiàn)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(xiàn)徑變化
在相同的電壓下，不同線(xiàn)徑的導線(xiàn)在發(fā)生短路時(shí)，發(fā)生的實(shí)驗現象也不相同。①當導線(xiàn)截面積為0. 5 mm2時(shí)，即使在高電壓( 340 V) 下，進(jìn)行短路實(shí)驗，短路保護未動(dòng)作，但電流表顯示的瞬間電流，遠遠超過(guò)了短路保護的設定值。②當導線(xiàn)截面積為4 mm2時(shí)，電壓達到190 V，短路保護即開(kāi)始動(dòng)作。在較低電壓時(shí)短路對小線(xiàn)徑的導線(xiàn)的熔斷能力高于相對大線(xiàn)徑的導線(xiàn); 在高電壓時(shí)，短路對大線(xiàn)徑的導線(xiàn)的熔化能力高于小線(xiàn)徑導線(xiàn)。隨著(zhù)線(xiàn)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(huì )使這種區別更不明顯。
2. 2. 5 孔洞
熔痕中的孔洞、熔痕與線(xiàn)徑的占比等都會(huì )影響短路熔痕的性質(zhì)。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(gè)或多個(gè)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(gè)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(xiàn)中的單根線(xiàn)徑，并且，孔洞形狀非常不規則。
3 建立電動(dòng)汽車(chē)火災調查方法
3. 1 調查程序和方法
電動(dòng)汽車(chē)火災調查不同于傳統汽車(chē)火災調查，由于傳統汽車(chē)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(huì )有意識的規避。在應對電動(dòng)汽車(chē)火災的事故中，由于其特殊的構造需要進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的處理，文中通過(guò)對電動(dòng)汽車(chē)火災調查前的準備、調查的區別、起火點(diǎn)的判斷、痕跡的影響等方面對電動(dòng)汽車(chē)火災的特殊性進(jìn)行了分析、對比和闡述。
通過(guò)對電動(dòng)汽車(chē)火災危險性分析，結合短路實(shí)驗的數據分析，在遵循傳統汽車(chē)火災調查一般程序的基礎上，提出電動(dòng)汽車(chē)火災調查的特點(diǎn)和方法，如圖6所示。

圖6 電動(dòng)汽車(chē)火災調查程序和方法
3. 2 國內外技術(shù)指標比較
( 1) 國外主要研究為動(dòng)力電池的安全測試，設計標準的制修訂; NFPA 增加混合動(dòng)力和氫燃料車(chē)輛火災調查說(shuō)明單一案例的分析。
( 2) 國內主要為推進(jìn)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(shí)用性和科學(xué)性，完成了十多起國內影響較大的電動(dòng)汽車(chē)火災原因調查與技術(shù)鑒定工作，取得顯著(zhù)社會(huì )效益。同時(shí)通過(guò)講課培訓等多種方式推廣研究成果，對指導火調人員實(shí)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(shí)許，某電動(dòng)汽車(chē)在北京市朝陽(yáng)區三里屯行駛中起火燃燒，汽車(chē)整體過(guò)火燒損，社會(huì )影響較大。
 ( 1) 現場(chǎng)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(lèi)型車(chē)對比分析，起火部位包含充電線(xiàn)路、高壓線(xiàn)路、低壓線(xiàn)路、動(dòng)力電池、數據采樣線(xiàn)等。
( 3) 物證提取與技術(shù)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(zhì)，判斷動(dòng)力電池失效原因。
綜合分析認定該汽車(chē)火災的起火原因為電池艙內左后部電池模組部分發(fā)生電氣故障引燃周?chē)扇嘉锲鸹?，疑似存在電池熱失控及熱管系統問(wèn)題。