2019 年 7 月 30 日特斯拉 Model S 在德國自燃，電動汽車電池起火問題究竟可以避免嗎？

3個月前上海特斯拉自燃，7月30日又一輛在德國自然燒成灰燼。奇怪的是：在上海自燃時成了全國熱點事件，此次德國自燃，業內都沒幾個人聽說。

關於自燃原因目前只能推測。聯想到早期電動汽車的自燃，大部分屬於以下3種情況：

• 電池成組水平不夠，PACK質量不行：電芯是很脆弱的，電池包(PACK)保護著它。如果PACK質量很差，一下雨就滲水短路(密封性不好)、石子崩起來就一個凹坑(耐撞性不好)、無緣無故地漏電(絕緣性不好)，那自燃簡直就是必然事件，這是無法接受的。

為應對這個情況，國標GB/T 31467.3-2015出台了^[1]，明確規定了電動汽車電池包必須通過火燒、浸泡、跌落、擠壓等一系列測試才能銷售。這些測試很嚴格，好奇實驗室 @滕騰 曾做過一個很有趣的視頻，就是根據此國標改編的，有興趣可以去看看^[2][3]。總之，如果嚴格執行了國標GB/T 31467.3-2015，引起自燃的低級失誤就比較少見了。

• 碰撞、不規範充電自燃：要想杜絕碰撞自燃基本沒轍，燃油車碰撞後也不可避免啊，總不能把汽車設計成坦克吧？所以，在碰撞自燃方面，工程師的努力方向是：碰撞後燃燒慢一些(留出逃生時間)、做好絕緣(防止觸電)、相關E/E系統處於正確狀態(例如車門不要默認鎖死困住乘客)。

充電自燃事故中，給人印象最深的是2015年的4.26深圳五洲龍大巴自燃。調查結果顯示，自燃的原因相當令人無語：電池過充72分鐘^[4]。

這起事故，讓我想起來經典小說《活著》里的一個情節：苦根吃豆子，家長沒有去節制，苦根也未意識到自己吃多了，竟被活活撐死。

事實上，2015年頒布的國標GB/T 27930-2015^[5] 明確規定了防過充的多重機制，而五洲龍事故中，充電樁與BMS估計都沒按此國標設計，一個成了啞巴一個成了聾子，最終釀成了事故。

• 系統可靠性：儘管大家都執行了國標GB/T 27930-2015，設計了多種防過充機制，但充電事故還是頻發，為什麼？ 因為是人都會犯錯、是程序就會有bug啊……系統架構不合理、器件可靠性未達標、開發流程不合理，均可能帶來bug。Windows出bug最多是藍屏，充電出bug就是燒車了，嚴重很多。所以，這方面也需要一個東西來規範規範，那就是ISO26262所要求的功能安全(Function Safety)。若有興趣，推薦一個 @木城 的不錯科普簡介見^[6]。

此次特斯拉自燃，可能不屬於上述3類原因的任何一個：它既沒充電也沒碰撞（在事故前一段時間是否有碰撞或充電，尚不確定），更沒有火燒、浸泡、跌落、擠壓等情況，好端端地就靜置自燃了！那麼，這個事故就值得好好嘮一嘮了。

此次事故的報道：「由於現場取證困難，警方目前不排除車輛有技術缺陷，也不排除人為縱火或無意失火。」

特斯拉防範自燃採取的措施

電池組自燃的基本模式為：電芯受熱失控誘因作用 → 電芯熱失控(Cell) →發生模組內熱失控蔓延→ 模組熱失控(Module) →發生模組間熱失控蔓延→ 整個電池包熱失控(Pack)，整個過程通常稱為熱失控蔓延。

值得一提的是，多數熱失控蔓延並不是像森林山火一樣的明火引燃過程，而是相對溫和的傳熱過程。

• 前者是乾柴烈火、一觸即發，從星星之火到燎原之勢的速度非常快；
• 後者是自身失控發熱，傳熱到隔壁升溫，達到閾值後引發隔壁電池熱失控，根據電池特性的不同，這個過程一般會間隔20~120s不等。當然，所謂的溫和，只是相對的，從人的視角來說，兩者都是很劇烈的事故。

防範靜置自燃有兩種思路：

• 電芯不自燃：從材料、電解液、隔膜角度提高穩定性，具體措施不在此詳述，可參見[7]；改善電芯內部散熱性能，阻止局部發熱引起整個電芯熱失控；增強電芯外部散熱性能等。而特斯拉的NCA電芯，也許製造工藝上更加成熟，但至少從材料角度來說不如NCM穩定，圓芯卷繞式結構使得內部局熱發熱的風險更高。
• 熱失控蔓延的阻斷設計：電芯之間、模組之間做好隔熱措施，將自燃扼殺在星星之火的初期。單體電芯熱失控時，若阻斷設計很好，傳熱比較慢，那結果就是單體電芯默默地放飛了自己，並不會引起大事故。

很顯然，特斯拉自己也知道，讓NCA圓芯電池完全杜絕熱失控風險是不可能的，所以它在熱失控蔓延的阻斷設計上下了很多功夫！那讓我們來看看吧。

• 電芯的隔熱/散熱設計：良好的隔熱/散熱設計，可以降低個別不健康電芯發展成熱失控的概率。隔熱方面，主要是採用了2mm的空氣間隙。散熱方面，蛇形散熱片的曲度和圓柱形吻合，大概可以做到大半個圓的接觸面積，促進電芯和外界的導熱，降低熱阻；每一條金屬片都會和左右兩邊的主散熱通道連接。但是，在停車或冷卻水未循環的狀態，作用甚微。

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• 獨立模組隔艙：通過箱體的框架梁把模組分成獨立的艙室，減少熱失控模組的熱量對相鄰模組的影響。此外，大家都知道對流的傳熱速度要大大高於熱傳導(相當於開窗戶更涼快)，因此它在每個模組艙室在箱體兩側底部設置有5~6個排氣閥，將電芯熱失控產生的高溫氣體排到箱體外部，防止加熱其他未熱失控電芯。

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• 雲母板防火焰：電池組上下方均有一塊雲母板，這是一種耐高溫高絕緣性的材料(持續耐溫 850 ℃ ，間歇耐溫 1050 ℃，耐擊穿指標高達20KV/mm)。雲母板避免了高溫噴發物對箱體的衝擊和加熱，同時保證了高溫條件下電池和箱體的絕緣，避免因短路引發電弧引燃高溫可燃氣的風險（電芯熱失控排出的白煙主要是電解液，黑煙內含有CO、H2、碳氫化合物等可燃氣體）。

特斯拉的措施為什麼失效了？

嚴格來說，特斯拉的熱失控蔓延阻斷設計只是部分失效，上海那次只燒了4個隔艙，其他的完好。當然，如果不是消防部門及時噴水降溫，最終的結果可能還是蔓延到所有隔艙，全部燒掉。

推測原因1：自燃事故前有嚴重碰撞

嚴重碰撞破壞了箱體隔離結構，部分電芯變形，處於熱失控的邊緣；同時使得隔離失效，不能實現完全隔斷熱失控蔓延了。在特斯拉自燃事故的第二天，蔚來ES8的自燃就屬於這種情況。

推測原因2：充電引起電池老化

電芯在老化、析鋰、內短路存在的情況下，熱失控觸發溫度會下降，更容易發生熱失控蔓延。在事故前，據車主說剛進行一次超充，部分不健康的電芯可能已處於熱失控的邊緣，但沒有在充電站立即失控。

事故車型是Model S，應該是特斯拉最早一批的量產車型。站在事後諸葛亮的角度，來分析一下特斯拉的熱失控蔓延阻斷設計的不足：

• 單模組的電芯數量太多：特斯拉每個隔艙是5.6kWh能量，幾百節電芯，比其它電動車整個Pack的電芯數量還多幾倍。隔艙間的阻斷設計比隔艙內的阻斷設計更有效，因此隔艙越小安全性越好。

縮小隔艙可以提高安全性，但也會變重使得能量密度降低，性能變差，這就是PACK層面安全性與能量密度的Trade-off關係。說到這裡，不知道大家是否還記得下面這張圖^[7]? 這張圖是說，在同一技術時代，電芯的安全性與能量密度同樣存在Trade-off關係。

• 隔熱設計：特斯拉由於由於18650個體小數量多，只能採用2mm、空氣間隙為主要隔熱方式。目前佔市場主流的方形鋁殼和軟包電芯，風冷模組會採用空氣層隔熱，液冷模組常採用二氧化硅氣凝膠做為隔熱層，對於低能量密度的電芯可以達到阻斷熱失控蔓延的效果，對於高能量密度的電芯，可以起到延緩熱失控蔓延的效果; 若加強阻斷效果，則要面臨進一步降低能量密度的代價，這就再次遇到了PACK層面安全性與能量密度的Trade-off關係。
• 內短路監測與預警技術：上海特斯拉Model S與蔚來ES8自燃有一個共性，就是在電池發生潛在缺陷後，並未立刻發生熱失控，而是在一段時間的靜置時發生自燃。從缺陷到自燃這一段時間，其實就是內短路監測與預警的時間窗口，若能通過一定的演算法發現風險，就可以提前通過車主，不僅可以避免人身傷害，說不定還能及時維修來避免財產損失。這項技術還處於學術到工程的過渡階段，早期的Model S上應該是不具備這個監測機制的。這項技術比較複雜，等有機會再專門向大家介紹。

安全與性能之間的權衡

國標GB/T 31467.3-2015規定了PACK外部的耐撞性、密封性等，對PACK內部的熱失控蔓延阻斷設計並沒有規定，也就是說，在安全與性能之間，由企業自由設計、自行取捨。這也很正常，規定得太死，也會阻礙創新。

是要安全還是要性能(能量密度)呢？ 這不是一個非黑即白的問題，而是要反覆論證、權衡取捨的問題。當然，最好的結果是「我全都要」，那麼考驗PACK設計水平的時候就到了。

在這裡舉一個例子，是同課題組的清華師兄創立的電池成組公司科易動力。講一講以技術見長的一個小公司，大家應該不會介意吧？他們設計了一項電池組「防火牆」技術，在技術邊界範圍內，儘可能地兼顧安全與性能：

• 安全：簡單來說，在電芯與電芯之間增加一道特殊材料的「防火牆」，通過隔離的方法達到阻燃效果，再加上模組及系統級別的散熱設計，達到了防止熱失控電芯相鄰的健康電芯著火的目的，將事故的星星之火扼殺在搖籃中，確保了模組和電池包的安全。

這種材料具有良好的隔熱功能，而且電池包重量犧牲也不大，增加4%左右。，「防火牆」技術除了其特殊的材料性能之外，還與電芯的材料體系、容量、能量密度、形狀、熱失控溫度等因素緊密相關，具體項目匹配時，會針對具體電芯的熱失控特性，進行防火牆的二次開發，依據模擬分析與單體、模組、系統三層次的實驗結果，設計出最佳參數，實現安全與性能最優的目的。

如下圖的試驗結果顯示，防火牆技術可以有效地阻止兩顆電芯間的熱失控蔓延，在整包級別體現出來的效果時，任意一顆電芯被熱失控觸發，電池包外部最多就是冒冒煙而已，並未見明火，電池包不會著火，車輛就會安全，車輛旁邊的其他車輛也是安全的。不僅人員不會受到傷害外，極大的降低的經濟損失，也減少了可能出現的與其他車主的糾紛。

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• 性能：除了隔熱材料上的精細設計之外，還需要在電池包的模組結構、系統結構等方面進行輕量化設計。最終防火牆技術的應用，僅損失系統能量密度的4%左右。目前已成功應用在採用三元523體系電芯的軍用車輛等特殊項目上，並得到國際豪華品牌關注。

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參考

1. ^GB/T 31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分:安全性要求與測試方法[S]
2. ^泡水、火燒加槍擊，這塊電池包竟然抗住了這些極限測試！ https://mp.weixin.qq.com/s/MIKZ5yAvbACAIWG5zE93dA
3. ^6米高處跌落、破碎機擠壓、穿刺，這塊電池包竟然抗住了這些極限測試！ https://mp.weixin.qq.com/s/0REb-YeCBKLpZONHktKyYA
4. ^過充引發火災！深圳五洲龍電動大巴起火調查結果公布 https://libattery.ofweek.com/2015-08/ART-36001-8440-28990523.html
5. ^GB/T 27930-2015電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議
6. ^ISO26262 中 ASIL 與 DFMEA 有什麼區別？ https://www.zhihu.com/question/27719391/answer/183848931
7. ^Feng X, Ouyang M, Liu X, et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review[J]. Energy Storage Materials, 2017.

車只要加玻璃水就是好車，這是豐田

車只要不加油就是好車，這是納智捷大7

車只要車不加機油就是好車，這是大眾

車只要不多機油就是好車，這是本田

車只要不漏機油就是好車，這是賓士

車只要不修車就是好車，這是阿爾法羅密歐

車只要不開就是好車，這是腸城

車只要造出來就是好車，這是賈躍亭

車只要造出來就是超跑之王，這是賽麟邁邁

車只要造出來就是四歲幼兒，這是慰來

車只要不自燃就是好車，這是電動車

這世道，或許這就是毅種循環吧

當然能，你看日產電動車10年賣了30多萬輛，一起電池重大傷人案都沒有，豐田混動二十多年了，電池也沒出過自燃爆炸傷人案件，說明電池安全其實是可控好的。

只是電池安全和續航里程是兩個矛盾的東西，此消彼長，你享受了前者的好處，就要忍受後者的壞處，反之亦然。這也是好多電動車電池總是出問題的原因，它們太在意續航了，其實也是消費者太在意續航，它們只是迎合消費者而已。

能不能避免不知道，反正我現在開車都有點小怕

之前看了蔚來召回es8的聲明又看了蔚來汽車安全包的官方答疑，促使自燃的極端情況指的還是電池模組內的線束觸碰到冷卻液才短路，所以不在冷卻板和Pack中間再加一層隔絕層真的還是非常危險的，其實這裡主要克服衝壓焊接和多加一層帶來的散熱問題就好，國內某新勢力造車已做了相關創新結構的設計並申請了專利。