電動(dòng)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)性及其鑒定技術(shù)的研究

隨著世界范圍內(nèi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，電動(dòng)汽車的火災(zāi)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)出租車發(fā)生火災(zāi)事故，如圖1 所示; 2011年6 月6 日美國(guó)NHTSA 試驗(yàn)場(chǎng)沃藍(lán)達(dá)電動(dòng)實(shí)驗(yàn)車起火事故; 2012 年5 月26 日廣東省深圳市比亞迪e6 純電動(dòng)出租車碰撞發(fā)生火災(zāi)事故，如圖2 所示; 2012 年10 月1 日美國(guó)特斯拉純電動(dòng)汽車發(fā)生火災(zāi)事故。因此，系統(tǒng)全面開展電動(dòng)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)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(zāi)調(diào)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)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)性分析
對(duì)電動(dòng)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)性的分析，首先是通過對(duì)比電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造上的差別以及運(yùn)行原理的不同，電動(dòng)汽車基本構(gòu)造示意圖如圖3 所示，依托對(duì)電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)的技術(shù)調(diào)研，分析可能產(chǎn)生新的火災(zāi)隱患的部件或系統(tǒng)，并對(duì)這些關(guān)鍵部件火災(zāi)危險(xiǎn)產(chǎn)生的原因及影響因素進(jìn)行分析。

1—12 V 系統(tǒng); 2—高壓系統(tǒng); 3—CAN 通訊。
圖3 電動(dòng)汽車基本構(gòu)造示意圖
通過分析可歸納電動(dòng)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)性有以下幾方面: ①危險(xiǎn)系統(tǒng)主要有: 動(dòng)力電池、高壓線路、低壓線路、熱管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、電機(jī)和電控; ②故障表現(xiàn)形式為: 內(nèi)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?zé)峁芾砉收虾碗姵責(zé)崾Э? ③火災(zāi)機(jī)理為: 雜質(zhì)混入、溫度不均、內(nèi)阻增加、電池放電、過壓/過流、端子接觸不良、BMS( 電池管理系統(tǒng))報(bào)文錯(cuò)誤和過充電; ④火災(zāi)產(chǎn)生的原因?yàn)? 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(dòng)汽車火災(zāi)鑒定技術(shù)模擬研究
2. 1 優(yōu)選模擬電源并制備電動(dòng)汽車線路短路熔痕樣品
在對(duì)電動(dòng)汽車火災(zāi)的實(shí)際調(diào)查和火災(zāi)危險(xiǎn)性分析中發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車火災(zāi)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(duì)這些熔痕的定性，成為電動(dòng)汽車火災(zāi)原因調(diào)查物證鑒定的關(guān)鍵。
由于電動(dòng)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(dòng)車線路短路熔痕樣品，通過分析對(duì)比可得出電動(dòng)汽車的火災(zāi)原因。
2. 1. 1 優(yōu)選模擬電源
通過對(duì)不同電動(dòng)汽車輸出電壓的變化規(guī)律研究，歸納電動(dòng)汽車動(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(yàn)的方法。通過調(diào)研多種實(shí)驗(yàn)方案，了解電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商的電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程，確定設(shè)計(jì)、制造以大功率開關(guān)電源為基礎(chǔ)的不同電壓下直流電路短路熔痕制備的實(shí)驗(yàn)裝置。對(duì)比了直流穩(wěn)壓電源、蓄電池、蓄電池+ 充電器、直流電焊機(jī)等多種電源。最后加工改造開關(guān)電源，并通過與蓄電池的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了開關(guān)電源作為實(shí)驗(yàn)電源的有效性。確定了以改造開關(guān)電源為基礎(chǔ)的不同電壓下直流電路短路熔痕的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方案，優(yōu)選的模擬開關(guān)電源如圖4 所示。

圖4 優(yōu)選的模擬開關(guān)電源
2. 1. 2 制備電動(dòng)汽車線路短路熔痕樣品
在優(yōu)選模擬電源的基礎(chǔ)上，加工制備了400 V，100 A 的大功率開關(guān)電源作為實(shí)驗(yàn)?zāi)M電源。試驗(yàn)電壓以30 V( 二次60 V) 的間隔，以70 V 為基礎(chǔ)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5 組，采用0. 5，1. 5，4mm2 3 種規(guī)格的汽車專用導(dǎo)線進(jìn)行一次短路實(shí)驗(yàn)。采用截面積為0. 5，4mm2
2 種規(guī)格汽車專用銅導(dǎo)線進(jìn)行二次短路實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)制備一次短路樣品各50 組，共計(jì)150 組。二次短路樣品各18 組，共計(jì)36 組，超過千個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品。以此可判斷各種由線路引發(fā)的電動(dòng)汽車火災(zāi)原因。
2. 2 建立電動(dòng)汽車線路短路熔痕性質(zhì)判據(jù)
將所有實(shí)驗(yàn)樣品以線徑、電壓、正負(fù)極為區(qū)別參數(shù)，進(jìn)行歸類，對(duì)分類樣品進(jìn)行拍照，從宏觀上對(duì)比不同參數(shù)對(duì)樣品熔痕外觀的影響，并總結(jié)形成規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，把所有實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行分類標(biāo)記，制備成金相樣品，并通過金相分析的方法對(duì)樣品的金相組織特點(diǎn)進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)。
通過樣品的宏觀、微觀( 金相) 分析，比較總結(jié)不同參數(shù)( 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(zhì)的判定應(yīng)以金相組織為基礎(chǔ)，以孔洞特征為依據(jù)，以物理?xiàng)l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(dòng)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(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象隨電壓的變化規(guī)律基本與一次短路相同，而實(shí)驗(yàn)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(qū)域尺寸相對(duì)熔痕較大。二次短路熔痕較長(zhǎng)，與基體過渡區(qū)域尺寸一般( 在端部) 小于或等同于熔痕前部尺寸，當(dāng)熔痕在線間時(shí)，呈現(xiàn)近似的三角形，此時(shí)，過渡區(qū)域尺寸較大。而一次短路出現(xiàn)較長(zhǎng)熔痕時(shí)，一般是沿著導(dǎo)線基體，向內(nèi)“包裹”導(dǎo)線，形成以導(dǎo)線為中心的較長(zhǎng)的熔化區(qū)域，沒有大的形狀變化。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車與電動(dòng)汽車短路熔痕的宏觀特征區(qū)別見表1。

表1 內(nèi)燃機(jī)汽車與電動(dòng)汽車熔痕宏觀特征對(duì)比
2. 2. 2 顯微組織
在金相組織上，從實(shí)驗(yàn)樣品來看，并不是電壓越高金相組織越接近標(biāo)準(zhǔn)中一次短路、二次短路組織特征。①在電壓處于一定范圍內(nèi)，熔痕的金相組織呈現(xiàn)典型的胞狀晶組織，而隨著電壓的變化，金相組織也會(huì)在胞狀晶和柱狀晶之間呈現(xiàn)緩慢的過渡區(qū)域。②當(dāng)電壓較低時(shí)，一次短路和二次短路熔痕樣品在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了明顯的重合現(xiàn)象，而且這種重合存在一定的規(guī)律性，當(dāng)電壓較低、線徑較小時(shí)一次、二次短路重合度較大，而當(dāng)電壓較高、線徑較大時(shí)則重合度較小。分析截面積為4 mm2 導(dǎo)線二次短路實(shí)驗(yàn)樣品，與一次短路特征幾乎沒有重合，全部為標(biāo)準(zhǔn)中二次短路特征的組織。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車與電動(dòng)汽車短路熔痕的顯微組織特征區(qū)別見表2。

表2 內(nèi)燃機(jī)汽車與電動(dòng)汽車熔痕顯微組織對(duì)比
2. 2. 3 電壓變化
采用宏觀分析和金相分析的方法對(duì)全部樣品進(jìn)行分析。從實(shí)驗(yàn)過程來看，因?yàn)殡娏髟O(shè)定位恒定100 A，隨著短路電壓的升高，短路所產(chǎn)生的能量也越大，體現(xiàn)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(chǎn)生電熱能量隨之增加，引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)性也在增加。通過金相分析發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)粗大柱狀晶的程度增加。在一次短路、二次短路熔痕實(shí)驗(yàn)樣品分析中具有同樣的規(guī)律性。一次短路柱狀晶的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二次短路的長(zhǎng)度，體現(xiàn)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(zhǎng)，出現(xiàn)較大的明顯熔化區(qū)，并隨著電壓的升高，導(dǎo)線端部形成熔痕呈現(xiàn)明顯規(guī)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(dǎo)線在發(fā)生短路時(shí)，發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不相同。①當(dāng)導(dǎo)線截面積為0. 5 mm2時(shí)，即使在最高電壓( 340 V) 下，進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)，短路保護(hù)未動(dòng)作，但電流表顯示的瞬間電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了短路保護(hù)的設(shè)定值。②當(dāng)導(dǎo)線截面積為4 mm2時(shí)，電壓達(dá)到190 V，短路保護(hù)即開始動(dòng)作。在較低電壓時(shí)短路對(duì)小線徑的導(dǎo)線的熔斷能力高于相對(duì)大線徑的導(dǎo)線; 在高電壓時(shí)，短路對(duì)大線徑的導(dǎo)線的熔化能力高于小線徑導(dǎo)線。隨著線徑的增加，短路熔痕金相組織的變化體現(xiàn)在典型的一次短路胞晶組織的減少，呈現(xiàn)在大的柱狀晶粒中局部存在細(xì)密的枝晶，而深腐蝕后會(huì)使這種區(qū)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(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?yàn)閮蓚€(gè)或多個(gè)圓形孔洞因?yàn)槲恢貌糠种睾隙纬闪讼鄬?duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于多股銅導(dǎo)線中的單根線徑，并且，孔洞形狀非常不規(guī)則。
3 建立電動(dòng)汽車火災(zāi)調(diào)查方法
3. 1 調(diào)查程序和方法
電動(dòng)汽車火災(zāi)調(diào)查不同于傳統(tǒng)汽車火災(zāi)調(diào)查，由于傳統(tǒng)汽車火災(zāi)出現(xiàn)的比較多，應(yīng)急處理人員對(duì)一般的危險(xiǎn)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(shí)的規(guī)避。在應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車火災(zāi)的事故中，由于其特殊的構(gòu)造需要進(jìn)行專業(yè)的處理，文中通過對(duì)電動(dòng)汽車火災(zāi)調(diào)查前的準(zhǔn)備、調(diào)查的區(qū)別、起火點(diǎn)的判斷、痕跡的影響等方面對(duì)電動(dòng)汽車火災(zāi)的特殊性進(jìn)行了分析、對(duì)比和闡述。
通過對(duì)電動(dòng)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)性分析，結(jié)合短路實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，在遵循傳統(tǒng)汽車火災(zāi)調(diào)查一般程序的基礎(chǔ)上，提出電動(dòng)汽車火災(zāi)調(diào)查的特點(diǎn)和方法，如圖6所示。

圖6 電動(dòng)汽車火災(zāi)調(diào)查程序和方法
3. 2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)指標(biāo)比較
( 1) 國(guó)外主要研究為動(dòng)力電池的安全測(cè)試，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂; NFPA 增加混合動(dòng)力和氫燃料車輛火災(zāi)調(diào)查說明單一案例的分析。
( 2) 國(guó)內(nèi)主要為推進(jìn)電池組的安全標(biāo)準(zhǔn)，SAE( Society of Automotive Engineers) 尋求充電火災(zāi)的預(yù)防辦法，鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)及滅火研究等。
4 成果推廣及典型案例應(yīng)用
4. 1 成果推廣
本項(xiàng)目研究成果具有很強(qiáng)的實(shí)用性和科學(xué)性，完成了十多起國(guó)內(nèi)影響較大的電動(dòng)汽車火災(zāi)原因調(diào)查與技術(shù)鑒定工作，取得顯著社會(huì)效益。同時(shí)通過講課培訓(xùn)等多種方式推廣研究成果，對(duì)指導(dǎo)火調(diào)人員實(shí)際工作起到重要作用。
4. 2 典型案例應(yīng)用
2016 年6 月26 日18 時(shí)許，某電動(dòng)汽車在北京市朝陽區(qū)三里屯行駛中起火燃燒，汽車整體過火燒損，社會(huì)影響較大。
 ( 1) 現(xiàn)場(chǎng)痕跡分析。確定起火部位為電池艙左后部。
 ( 2) 電路布設(shè)及原理分析。與同類型車對(duì)比分析，起火部位包含充電線路、高壓線路、低壓線路、動(dòng)力電池、數(shù)據(jù)采樣線等。
( 3) 物證提取與技術(shù)鑒定。應(yīng)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(rèn)定該汽車火災(zāi)的起火原因?yàn)殡姵嘏搩?nèi)左后部電池模組部分發(fā)生電氣故障引燃周圍可燃物起火，疑似存在電池?zé)崾Э丶盁峁芟到y(tǒng)問題。