特斯拉及蔚来起火可能原因猜测及爆炸后果解析!

漫谈君 汽车大漫谈 2019-04-26

 漫谈君:专注分享最燃的汽车研发技术!

2019年4月21日晚8点15分左右,一辆停在地下库中的特斯拉Model S突然起火,火势凶猛并迅速蔓延,并引燃了停放在一旁的3辆汽车。4月22日,蔚来ES8在维修中燃烧,这也是蔚来首次燃烧。



起火源

从视频中看,特斯拉Model S是突然燃烧,而且火势极为迅猛,短短几秒钟就被烧得只剩下框架,火势是从底盘往车身迅速蔓延的,当前电动汽车的动力电池均布置在底盘下底板,依此判断为动力电池起火,也只有动力电池起火有如此威力,而内饰是阻燃物,只会烧焦,不会有明火。

特斯Model S

而蔚来ES8连全铝车身都熔化了,只剩下底盘,且在视频第24s时底盘下部有明显的泄压动作,突然出现了大量的气体排出,此时说明极大可能是电池包燃烧了,但是要达到泄压阀给电池包泄压,说明电池包在视频第24s之前就已经开始在燃烧了,因为要达到迅速泄压也需要时间,但是根据公开发布的视频及消息无法判断起火源究竟是谁,有可能是电池包,也有可能是其它部件燃烧引起电池包着火,真实确切的信息需等待蔚来官方的调查结果。

蔚来ES8



动力电池起火原因

动力电池作为电动汽车能量来源,绝大部分的电动汽车都采用锂离子电池,锂离子电池起火的原因主要是电池过热而造成的热失控,造成热失控的主要原因有碰撞、过充电、短路、电解液的泄露等。

动力电池包是由多个单体电芯构成(如下图所示)电池包模组,再由多个模组组合成电池包。电芯采用强氧化性的正极和强还原性的负极,以及易燃的有机碳酸锂电解液。

电芯内部结构


电芯


电池包模组


电芯在工作过程中会产生大量的热量(反应热如下表所示),聚集在狭小的电池箱体内,如果热量不能够及时地快速散出,高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控,从而引发起火爆炸等事故。



热失控的主要原因

从原理上来说,热失控的原因主要有以下四个方面:

1、机械滥用

主要发生在汽车碰撞时,由于外力的作用,锂电池单体、电池模组发生变形,自身不同部位发生相对位移,导致电池隔膜被撕裂并发生内部短路,易燃电解质泄漏最终引发起火。

在机械滥用中,穿刺伤害最为严重,它可能会导体插入电池本体,造成正负极直接短路。相比之下,碰撞、挤压等,只是概率性的发生内短路,穿刺过程热量的生成更加剧烈,引发热失控的概率更高。

2、电滥用

电滥用主要是对电池的使用不当造成的,有外部短路、过度充电和过度放电几种类型。其中,过渡放电导致的危害最小,但是由于过放造成的铜枝晶的增长会降低电池的安全性从而增加热失控的几率。

外部短路是在两个存在压差的导体在电芯外部接通导致的结果,当外部短路发生时,电池产生的热量无法很好的散去时,电池温度也会随之上升,高温触发热失控。

过度充电是电滥用中危害最高的。由于过量的锂嵌入,锂枝晶在阳极表面生长。其次,锂的过度脱嵌导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃(NCA阴极的氧释放)。

氧气的释放加速了电解质的分解,产生大量气体。由于内部压力的增加,排气阀打开,电池开始排气。电芯中的活性物质与空气接触后,发生剧烈反应,放出大量的热,从而引发电池包燃烧起火。

3、热滥用

热滥用主要指在电池中的局部过热,很少独立存在,往往是通过机械滥用和电气滥用发展而来,并且是最终直接触发热失控等事故的一种情况。

热滥用一般多为外部环境高或者在温度控制系统不起作用下导致的电池热量过高从而造成的短路,从而引发热失控。

从原因上说,热滥用的原因是最为复杂的,电池包的碰撞、损坏,电池内部的结构、性能或是其他热管理系统、空调系统的失灵都可能导致热滥用的发生。

4、内部短路

内部短路是由电池的正负极直接接触,当然接触的程度不同,引发的后续反应也差别很大,通常由机械和热量滥用引起的大规模内部短路将直接导致热滥用。

引发内部短路原因同样复杂,比如锂离子电池过度充电,枝晶积累到一定程度导致刺穿电池隔膜,从而发生内部短路或是碰撞、穿刺伤害之后直接导致正负极接触而导致热失控。

与外部因素产生的内部短路相比,源于电池制造过程中自发的缺陷而引起的内部短路,程度比较轻微,先天内部短路产生的热量很少,并不会立即触发热失控。而且这种内在缺陷会经过一段时间才会演化为程度较轻的内短路。



解决热失控的主要方法

主要从外部保护和内部改进两个方面进行改进。外部保护主要是指系统方面的升级改进即热管理方式的改进,内部改进是指针对电池本身进行提高及内部结构及材料。

1、冷却方式的提升

热管理系统主要负责控制温度,确保电池一直处在一个合理的运行温度下。通常,热管理系统由整车控制器即VCU控制,在电池包温度异常时,通过空调系统进行及时散热或者加热,使得电池包温度在合理范围内(电池的适宜温度约在10~30°C之间,过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减),保证电池安全以及寿命。

电池的散热方式根据导热方式和介质的不同而分为四项:空气冷却(风冷)、液体冷却(水冷)、相变材料(固体)、和结合冷却(风冷/水冷 + 固体冷却),其中风冷和液冷是最常用的冷却方式。

2、内部材料及结构的改进

从电芯内部的材料结构上进行改造,从而使电池具备更好的耐热、散热性能。主要改进方案是发展固态电解液、对正负极进行结构改造、引入安全性更高的隔膜材料等。



不同模式下起火原因

起火模式主要包括:静止状态起火、充电起火、碰撞起火、运行过程中起火、涉水起火及其它情况起火等。

1、静止状态起火

静止状态主要指车辆停放在车库、停车场等场所即车辆未开动时,高压回路处于断开状态,整车不上电。此时如果起火,主要是电池老化或线路短路。

2、充电起火

电动汽车充电起火可分两种情况,一种是电动汽车在正常充电时起火;另一种是过充时起火。

在正常充电时,电池中会缓慢释放出氢气和氧气,由于氢气的爆炸极限比较低,如果在某一密闭空间内聚集,遇到火源时可能会起火;另一方面,在大电流充电时,导线、相关电气部件会持续发热,如果产品不符合相关标准,散热处理不得当,可能会导致导线绝缘层融化、相关电气部件失效及短路,从而造成相关火灾事故。

目前发生的充电起火,基本是在动力电池充电保护措施失效的条件下导致电池过充而引起火灾。

过充电时,有机电解质溶液缺乏内在的电压钳制机制,电池电压随充电进行持续上升,导致贫锂态的正极材料发生分解,在放出大量热量的同时,释放出活性氧。活性氧进一步引起电解液的氧化分解、放热,产生大量可燃性小分子气体,增加电池内部的压力和温度。

此外,荷电态越高,电池往往越不安全。满荷电态时,高度脱锂态的正极和高度嵌锂态的负极分别呈强氧化性和强还原性,此时电池最为危险。

3、碰撞起火

碰撞起火主要是指在碰撞、追尾或撞车时导致起火。在撞击过程中动力电池会受到较大的冲击力,可能会挤压、刺穿等损坏,此时如果电池设计有缺陷,在此极端情况下可能会发生燃烧。对于锂离子电池的负极材料一旦因为电池外壳损毁与空气接触,有极高的可能发生剧烈氧化甚至燃烧爆炸。

另外,剧烈撞击也极有可能造成电路短路、电器元件损毁及保护措施失效。

4、运行过程中起火

运行过程中起火,主要是指在正常行驶过程中的起火事件。

对于电动汽车正常运行时发生起火的可能性因素主要包括一下几方面:

1)当车辆以较大功率输出时,电池的温度也随之升高,当散热不良,通风不好,可能会导致热量及可燃气体的聚集,此时电动汽车起火的可能性较大。

另外,当以较大电流放电时,会导致线缆及对应电子器件发热较快,当散热不良或产品不符合规格同样也会引起起火。

2)在正常行驶时,频繁的起停、快速超车等现象时常会发生,而在不同的行驶状态下电机输出的功率不同,对应的输出的电流也会发生变化,在较大电流变化冲击下,不仅要求产品具有很好的电磁兼容性对应的性能要求也提高,当不能满足要求时,会导致主回路失控,增加起火的可能。

3)当车辆行驶在颠簸路面时,会引起车辆的震动幅度变大,此时很容易引起电器部件、线缆、接头及电池单体松动,从而导致接触不良或者失效的情况,这也会引起起火。

4)车辆行驶过程中,假设把车身以内看成一个整体,车身外部环境很难受控,当以较高车速行驶时,外部坚硬物质可能会刮擦、飞溅刺穿关键电器部件或电池箱体,从而引起电池起火。

5、涉水起火

涉水起火主要是指电动汽车遇到暴雨积水或者整车都遭遇涉水时起火。不仅电动汽车几乎所有电气设备在涉水时都是对其最大考验。对于电动汽车涉水后发生起火的可能因素主要是车辆涉水时,电池间的接线或者电机控制系统就可能会由于水或者水汽的的侵蚀,造成短路,导致漏电。一旦短路,如果保护设备失效或没有及时响应就会导致电池温度迅速升高,引起燃烧。

6、其他情况起火

其他情况起火主要是指:

1)不良运营商故意抹黑相应产品形式而人为破坏引起的电动汽车起火;

2)装配过程中,因装配不规范,工艺不到位,布线不合理引起的电动汽车起火;

3)装车过程中,产品检验不严格,导致不良品装车,引起电动汽车起火。



特斯拉及蔚来可能起火原因

动力电池起火的可能原因有如下几种:

1、电池内部短路

电池的内部有隔膜将正负极隔离开,当电池在使用了一段时间后,内部会不可避免地“生长”出“锂支晶”。这种物质积累到一定程度后,就容易刺穿隔膜,导致电池内部出现正负极接通,从而造成自燃。这种自燃一般毫无征兆,同时也是锂电池自燃最常见的原因,概率占到68%。

2、电池充放电过度

锂电池在充放电的过程中会产生气体,气体主要是由电解液的放热所造成。在正常的充放电电流下,电池所释放的气体量比较少且不影响安全。但如果电流过大就会造成电池内部压力增大膨胀,一旦隔膜破损就会发生自燃。不过此次特斯拉自燃中,车辆并不在充电,不过也不排除电池管理或电控系统出现了故障,造成电池意外大量放电。

3、电池进水

由于此次特斯拉停放的位置是地下车库,地下车库的空气湿度一般都比较大。锂电池虽然是密封的,但若是由于密封不严密导致水汽进入到内部,就会由于负极的活泼金属嵌锂遇水发热,继而造成自燃。

4、电池受到某种外力破坏

当锂电池受到某种外力的挤压后,容易造成隔膜破损,从而导致正负极接触。还有种情况就是外力导致负极的嵌锂发生移位,直接暴露在空气中,从而与空气发生反应产生热量引发自燃。不过从视频上看,特斯拉在自燃时是静置不动的,因此外力破坏的可能性不大。

一)特斯拉Model S起火原因猜测

特斯拉车主董先生表示:“这辆Model S是他在3年半前左右购买的,型号为Model S P85。”从董先生的描述来看,Model S的起火原因很有可能是电池包内部短路造成的,造成短路的原因很有可能是电芯、模组、电解液和隔膜、高压线束等电器件老化。这个猜测已经在4月24日,被国家质检总局汽车缺陷调查与鉴定召回专家陶巍证实:经过检测,初步判定是电池短路问题,不过现在汽车电池、芯片已经烧掉,记录已经没有办法找到。

从视频中也可以看出,电池包先是排出大量的气体,再爆燃,这就说明内部压力增加,排气阀打开,电池开始排气,电芯中的活性物质与空气接触以后,发生剧烈反应,放出大量的热,并迅速引燃了周边电芯,形成了链式反应,在开始反应的模组排气阀达到一定压力之后,模组的排气阀打开,于是整个电池包开始排出大量的气体,当遇到空气时迅速爆燃,也就出现了视频中出现的情况。

另外,据报道,这辆车在起火前几小时才进行完超级充电,将续航里程提升至了350多公里。做一个大胆的猜测:有可能此次超级充电是诱因,在高压及大电流的冲击下,加速了老化零件达到了临界值,在充电结束后,由于电池包内部还在活动,当到达临界值时,就发生了爆燃。也有可能是过充电导致,在充电过程中出现了充电机故障或者管理不合理,没有监控到每个电池的电压,导致电池过充过放;也有可能是大电流导致局部过充,或者极片涂层、电液分布不均引起局部过充等,根据如下图所示热失控蔓延机理所以,因为如上所示原因导致电池包发生了针刺没有被抑制,产生了热量,进而产生了气体,当气体量达到一定程度时,发生了喷射,满足燃烧条件时,发生了燃烧,并且传播到了其它电芯导致整个模组燃烧,并迅速蔓延至整个电池包。

二)蔚来ES8起火原因猜测

根据蔚来官方消息,蔚来ES8是在维修时燃烧的,如起火源所说,由于资料太少,无法判断起火源,因此起火原因无法进行有效猜测,真实确切的信息还需等待蔚来官方的调查结果

此次特斯拉Model S和蔚来ES8真实自燃的原因以官方实际检测报告为准,汽车大漫谈与漫谈君只是对可能发生的情况进行了初步的分析,仅供参考与交流!



电池爆炸的威力

自燃主要还是电池上,不管是磷酸锂铁电池还是三元锂电池,都有锂。锂是一种相当活性的金属,在自然环境中根本没有单质存在,正因为其强大的化学活性,在能量的贮存和传递方面有非常大的潜能。所以,采用锂元素作为电池的化学材料,会让电动车的充电时间更短,放电强度更大。但是锂的能量也大,如果把锂单质投入水里,会直接发生爆炸,每个单体100Ah的电芯热失控能量约为2400000J,100节构成的电池组热失控能量约为240000000J,相当于57Kg TNT炸药,如下图所示。

而特斯拉Model S的P85电池包包含了近7000个锂电池电芯,由16个独立电池模块组成,电量为85度,每度电相当于4.55Ah,85度电即为386.75Ah,相当于220.45Kg TNT(386.75/100*57=220.45)的炸药。而1Kg TNT相当于200个手雷,220.45Kg TNT相当于44090个手雷。

如果电池包像武器一样爆炸,后果不堪设想,顷刻间一栋几十层的大楼夷为平地。如果把电池包拆开,引燃电芯的话,就像放鞭炮一样,噼里啪啦直至燃烧完全。



锂电池安全吗

电池在过度充电、短路、温度过高或电池被挤压变形甚至刺穿等问题可能会引起爆炸。

为了避免密封的金属外壳发生爆炸,电芯都会在顶部配有一个安全阀,是最重要的一道防爆屏障。当电池内部压力过大时,其顶部安全阀会开启排气减压,避免爆炸,且电芯还自带保护板,具有过充过放和短路保护等功能,安全性能十分高。

但是电池包起火及爆炸与手雷等高杀伤性威力的武器爆炸是两回事,大家不必担心,锂电池毕竟只是一种电池、而不是炸弹,即便安全性最差的18650锂电,放能也比较迟缓,最多破裂后剧烈燃烧,所谓“爆炸”,只是破裂时发出的一点动静。但是电池包燃烧时,也危险万分,火焰猛烈、燃气剧毒,一旦起火,要迅速离开现场至安全区域。



写在最后

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说明:文中部分图片、信息来源于网络,

由漫谈君根据经验整理,仅供学习、交流!

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