新能源汽车运行安全管理研究

舒 强， 王艺帆， 梁 元

(公安部道路交通安全研究中心, 北京 100062)

近年来，国家大力支持新能源汽车产业发展，国内新能源汽车保有量持续高速增长。据统计，2017～2021年，全国新能源汽车保有量年平均增长超过150万辆，其中，2021年新能源汽车新增近300万辆，新能源汽车保有量总计达到784万辆，占国内汽车保有量总量的2.6%[1]。表1为2017～2021年国内新能源汽车保有量，新能源汽车是采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车，包括了混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车(FCEV)、其他新能源(如超级电容器、飞轮等高效储能器)汽车等[2]。当前国内新能源汽车类型以纯电动汽车为主，占总量的80%以上，其主要安全技术特性表现为动力电池安全、高压电安全、驱动电机安全、整车控制安全等方面，明显不同于传统的燃油燃气汽车。新能源汽车这些安全技术特性尤其是动力电池相关安全技术还处在发展探索阶段，仍不成熟，导致新能源汽车事故尤其是着火爆炸事故时有发生。

表1 2017～2021年国内新能源汽车保有量 (单位：万辆)

近年来，以动力电池热特性、热失控机理、防护和控制方法为核心的动力电池热安全研究已经成为科研领域的热点和重点问题[3]。国内外学者从动力电池材料、系统结构设计、热失控阻断、故障主动检测预警等方面开展了大量研究，形成了一些有实用价值的成果，但仍无法从根本上解决动力电池的安全问题。同时，为了保证新能源汽车运行安全，我国在国家层面不断推动完善新能源汽车安全技术标准体系，从设计制造源头提高新能源汽车产品安全技术性能；
针对在用新能源汽车，相关行业主管部门开展了车辆运营动态监管、安全隐患排查专项行动、事故新能源汽车安全缺陷深度调查等多项管理措施，对保障新能源汽车运行安全起到了积极作用，但由于新能源汽车产业是在短期内高速发展的，积累的运行安全技术性能问题和监管措施针对性还较为薄弱，车辆潜在的运行安全隐患依然突出。本文通过梳理新能源汽车安全技术特性，分析新能源汽车运行安全管理现状和存在问题，从强化动力电池安全技术研究、创新运行安全监管模式等方面提出了加强新能源汽车运行安全管理的建议。

新能源汽车尤其是纯电动汽车，涉及电动系统特有安全方面的构成包括动力电池、驱动电机、整车控制器、高压电连接及充电系统5大方面，相应地应用了动力电池技术、驱动电机技术、电控技术和高压技术等核心技术。新能源汽车内装有的动力电池储存着大量电化学能，伴随着动力电池滥用和使用循环次数的增加不断衰减，动力电池内电化学能稳定性逐渐下降，导致燃烧、爆炸的风险进一步增大；
此外动力电池、驱动电机、高压线束等部件带有远超人体安全电压的高压电，存在因高压绝缘破损、高压线束短路、漏电等原因导致驾乘人员触电的风险。因此，新能源汽车在其全生命周期范围内，都存在燃烧、爆炸、高压触电等安全风险，一般这种风险会随着车辆使用年限的增长而逐步增加[4]。

据统计，2018年新能源汽车安全事故中动力电池问题约占58%，碰撞问题约占19%，浸水、零部件故障和使用问题约占19%[5]；
近年来，着火是新能源汽车主要安全事故形态，着火原因涉及动力电池自燃、交通事故、外来火源等3大类，占比分别为63.8%、15.3%和13.8%，事故多发生在高温时节，涉事车辆多处于高荷电状态；
事故车辆中新车占比较低，绝大多数是使用一段时间、行驶里程在1万公里以上的车辆，且相比私人用车，营运车辆的使用强度高、使用频次高，事故发生率显著偏高[6]。统计2018～2021年市场监管总局发起的79起新能源汽车缺陷产品召回案例，新能源汽车因动力电池、电控系统缺陷合计召回次数41次、涉及约10万辆车，这些缺陷增加了动力电池热失控、失去动力、碰撞事故等安全风险[7]。另据新能源汽车国家监测与管理平台监管的61项新能源汽车运行数据显示，新能源汽车动力电池故障，包括动力电池单体一致性、高温、SOC过高报警等，占全部监控故障总量的近1/3[8]。由此可见，动力电池性能直接影响整车的安全性能。

动力电池发展经历了铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池、锂离子电池的历程。目前，锂离子电池凭借能量密度高、输出电压高、自放电率低、循环寿命长、可快速充放电等优点[9]，成为新能源汽车最主要的动力电池类型。据国家工业和信息化部统计，2020年电动乘用车动力电池系统平均能量密度为152.6 Wh/kg[6]。因此动力电池尤其是锂离子电池本身具有高密度能量，在无需外部激励的情况下，本身就会因能量释放产生极大危害。此外，锂离子电池的正负极嵌入反应方式、组成材料易燃等特性，决定了其易受外界干扰导致热失控，进而诱发能量非正常释放。根据诱发动力电池能量非正常释放的原因分类，动力电池安全性包括电安全、热安全、结构安全、环境安全、生命周期安全等[10]。表2所示为动力电池安全性分类状况。

表2 动力电池安全性分类

新能源汽车燃烧、爆炸的根本原因是由动力电池故障引发的热失控[11]，然而就目前相关技术研究水平来看，还没有形成完善的热失控解决方案[12]，这成为制约动力电池、新能源汽车行业发展的最大瓶颈。因此动力电池安全防护技术最主要目标是阻断或延缓热失控和热失控扩展[13]，防止燃烧、爆炸等热安全事故发生。目前动力电池安全可靠性技术积累和安全验证还不够成熟，除了正常使用导致的安全性能下降外，更为重要的是机械滥用、电滥用、热滥用等条件诱发的热失控，各种滥用诱发方式之间存在一定的内在联系，如碰撞事故中存在动力电池系统在碰撞中与车身固定件之间受挤压损伤，可能造成高压回路短路引起起火、爆炸等。为提高动力电池全生命周期安全性能，除了在设计制造环节加强机械安全、电安全设计，提高动力电池产品本质安全性外，还需强化动力电池热管理、热失控预警防护和热失控潜在故障预测等方面技术，以保障新能源汽车运行安全。

近年来，国家不断完善新能源汽车安全技术标准体系，从设计制造源头提高新能源汽车产品安全技术性能，同时通过加强新能源汽车运营动态监管、及时排查安全隐患、深入调查安全事故原因等措施，确保新能源汽车运行安全。

我国已经制定实施的新能源汽车相关技术标准超过100项，涵盖了整车、动力电池、驱动电机、电控系统等关键组成，以及基础通用和设施、充电接口、通讯协议等领域，形成了较为系统、全面的技术标准体系，但基本上为国家推荐性标准或者行业标准，这些标准要照顾整个行业的平均技术水平，这也就说明我国现行标准水平整体仍然偏低[14]。2016年国家工业和信息化部《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》，强制要求新能源汽车在符合相同类别常规汽车标准的同时，还应符合《新能源汽车产品专项检验项目及依据标准》，具体包括了动力电池、电动汽车安全、电机及控制器、电磁场辐射、操纵件、仪表等19个项目的39项检验标准。表3所示为新能源汽车强制执行的技术性能要求。2020年发布的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》《电动汽车安全要求》《电动客车安全要求》等3项强制性国家标准，强化了动力电池系统安全需求，增加了电池包和电池系统的安全测试项目，特别是增加了电池包或系统过流保护、热扩散安全要求和试验方法，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5 min内不起火、不爆炸，为驾乘人员预留安全逃生时间等。不断健全完善的新能源汽车技术标准体系有效提高了新能源汽车整车和关键部件的安全性能评价和检测能力，但这些安全性能评价和测试方法多数适用于新产品定型阶段的检验，不适用于车辆使用全生命周期的安全性能评价和检验，尤其是对在用的动力电池安全缺少相应的评价和测试规定，无法保障出厂后使用过程中的安全性能。

表3 新能源汽车强制执行的技术性能要求

为加强新能源汽车运营监管，保障运行安全，2016年国家发布实施了《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》(GB/T32960)系列标准，2017年国家工业和信息化部要求所有新能源汽车生产企业建立监测平台，并与国家平台完成对接、传输测试，这就实现对新能源汽车全生命周期运行安全状态进行监测和管理，具体监测信息包括动力电池系统的电压、电流、温度，以及驱动电机、发动机、车辆位置、故障报警等7类61项车端信号。当前对于动力电池故障分析诊断大多数方法都基于测量温度、电压，通过对这些信息的实时获取、分析，配合车辆基础参数数据、运行环境等形成电动汽车多源异构数据库，并结合数据资源和大数据分析技术，为评估新能源汽车动力电池等关键部件的安全技术性能提供了可能性[15]。但从2020年涉及新能源汽车事故统计发现，充电及使用中发生的无征兆类自燃事故占比高达90%。无论是运行数据分析,还是事故后电池残骸分析，均难以确定事故原因[6]。北京航天航空大学交通科学与工程学院院长杨世春指出“新能源汽车起火存在不确定因素[16]，而且是在各个工况中都可能突然起火，在起火过程中，整车的动力电池管理系统(BMS) 监测数据都没有明显异常，目前基于传统方法对于新能源汽车起火的预测非常困难。在此背景之下，对新能源汽车的故障预测研究迫在眉睫”。但目前动力电池故障诊断理论研究还不成熟，再加上实车运行过程工况交变复杂，基于试验条件建立的故障预警很难真实反映实车工况的多因素耦合的故障现象[17]。

针对新能源汽车火灾事故多发，2018年、2020年，工业和信息化部装备工业发展中心组织开展新能源汽车安全隐患专项治理工作，要求新能源汽车生产企业按比例抽查已售、库存车辆的防水保护、高压线束、动力电池、充电装置、电池箱、机械部件和易损件的安全隐患情况；
联合动力电池供应商共同开展动力电池外观、软件诊断等常规性检查，对于常规性检查发现问题的，进行电池箱气密性、开箱、更换零件等延伸性检查。表4所示为新能源汽车安全隐患排查工作检查参考表。同期，针对发生火灾事故后的处置工作，国家市场监管总局要求企业获知其生产、销售或进口的新能源汽车发生交通碰撞、火灾等事故后，组织调查分析、报告结果，对于发生冒烟、起火事故的，在事故发生12 h内报告；
对于造成人员伤亡或重大社会影响的，在事故发生后6 h内报告，并保持车辆处于火灾事故救援后的状态，以便后续开展火灾原因分析和事故深度调查工作，同时企业还应主动排查同型号、同批次或使用同样零部件的车辆是否存在火灾安全隐患。这种针对动力电池或其火灾事故的实车软硬件相结合的检查方式，对及时发现、排查在用车辆的动力电池安全隐患有积极的帮助，但未制度化，也未覆盖全部在用新能源汽车。

表4 新能源汽车安全隐患排查工作检查参考表[18]

公安机关交通管理部门负责机动车运行安全管理，自建国以来就通过实行机动车安全技术检验制度保障运行安全，2004年《道路交通安全法》及其实施条例的施行，标志着我国道路交通管理从法律层面上确立了机动车安全技术检验制度。机动车安全技术检验作为我国机动车运行安全管理的一项基本制度，经过长期发展，已经形成了系统的技术标准体系，以及检验机构建设和管理法规规范体系，在保障机动车运行安全方面发挥着重要作用。公安机关交通管理部门主要负责核发检验合格标志，会同国务院相关部门制定机动车安全技术检验项目。但长期以来，机动车安全技术检验内容主要是传统燃油燃气车辆的机械运行安全性能，具体检验项目包括了汽车的唯一性、特征参数、外观、安全装置、底盘部件、制动性能、灯光发光强度等，未涉及新能源汽车动力电池安全、高压电安全、驱动电机安全等专用性能检验需求。2020年最新修订实施的国家标准《机动车安全技术检验项目和方法》(GB38900—2020)增加了对新能源汽车外接充电接口、可充电储能系统、高低压线束及其连接器的外观目测检验，以及B级电路警告标志标识检验等要求，但由于相关检验技术、方法等理论依据，以及专用检验设备工具缺失，仍未将动力电池、高压电、驱动电机等新能源汽车特有关键部件的安全技术性能纳入检验项目。

新能源汽车是我国发展战略性新兴产业，其运行安全性能是整个产业发展的瓶颈，引发了社会各界广泛关注。当前各相关监管部门实施的车辆安全性能管理措施存在不足，不能及时发现、排除潜在的运行安全隐患，无法从根本上解决新能源汽车运行安全风险。保证新能源汽车运行安全，亟需建立有效的车辆全生命周期的安全技术性能监管体系，这需要重点解决的：一是关键部件安全特性研究，结合新能源汽车安全特性和技术发展现状，动力电池的安全性问题是最亟待突破的难题，其性能、寿命和安全性在使用过程中的衰退变化直接影响了整车运行安全，有必要深入研究动力电池安全性的动态边界和性能衰退规律，提升动力电池在使用过程中安全隐患的检验、预警能力；
二是创新运行安全技术性能检验模式，机动车安全技术检验作为我国机动车安全管理的基本制度，具有强制性实车检验的特点，但目前对于新能源汽车安全性能检验的针对性不足。国家新能源汽车运营监控平台建立的24 h实时监控和三级故障预警机制，基于动力电池等监控数据在评估预警车辆安全技术性能方面发挥了积极作用，展现出一定的应用前景，因此可以结合线上监测评估和线下实车检验的技术特点，线上充分融合监控平台数据、车端运行记录数据、缺陷产品召回和事故数据等，进一步优化故障报警阈值、完善预警模型，建立大数据视角下的整车级的故障风险预测和预警，为线下实车检验提供更加精准安全隐患识别指引，提高线下检验的针对性和科学性，形成“线上主动预警、线下隐患消除”的安全技术检验新模式。