新能源汽车发展安全问题的挑战与建议*

周德全 高明秋，2 罗运俊 王启越

（1.中汽研汽车检验中心（广州）有限公司；2.清华大学环境学院）

大力发展新能源汽车产业，是推动我国汽车产业转型升级的关键所在。在国家有关激励政策推动之下，新能源汽车产销量爆发式增长带来的各类安全事故也日渐增多。引发新能源汽车安全问题的原因有多种，大致可以分为3个主要方面：1）电池系统故障，占比约为77%；2）电子电器故障，占比约为10%；3）其他故障，占比约为13%。另一方面，由于物联网技术的飞速发展，实现汽车互联的方式逐渐丰富，也带来了用车人员信息泄露、汽车被非法入侵等安全风险。因此，如何解决并预防新能源汽车发展中面临的安全问题，将是影响新能源汽车可持续发展的重大挑战。

1 新能源汽车电池安全

锂离子电池是用于新能源汽车和可再生能源系统中极具前景的储能设备，汽车产业从燃油汽车向新能源汽车的过渡主要建立在解决电池关键技术的基础上。但是，考虑到锂离子电池复杂的电化学过程、潜在的安全问题以及较差的耐久性，必须对电池进行安全有效地监控和管理。

1.1 新能源汽车电池热安全

为了满足用户对新能源汽车的续航里程和速度的要求，电池需要具有高容量、高电压和高放电率，这意味着电池本身必须产生并承受更多使用过程中产生的热量。而锂离子电池如果产生了大量热量，容易降低其容量和寿命。某些极端情况（比如过热）可能导致火灾或爆炸等热失控事故。因此，有必要建立有效的电池热管理系统和监控措施，以确保电池在正常使用温度下运行。目前研究最多的电池热管理方式包括空气冷却、液体冷却和相变材料冷却。其中，作为主动冷却方法的空气冷却和液体冷却，通常需要借助一些外部设备，例如水泵、风扇和管道等，将电池产生的热量快速带走。而相变材料冷却作为被动冷却方法，则不需要额外的能量和辅助设备，因此可以将系统设计成更为紧凑和方便的结构[1-3]。

另一方面，需要建立准确及时的预警监控机制来防止电池热失控。比如将能够快速、准确地确定SOC、电池健康状态和容量的算法以及内部短路等故障检测的算法嵌入到电池管理系统中，以确保电池系统的安全性。而对于锂离子电池热失控的预测和预警，主要关注温度、电压、阻抗和气体等参数变化，也可以将这些参数信号与机械穿透位移的安全性能的预警信号相结合，以提供有关电池安全性的更可靠信息[4-5]。

1.2 新能源汽车充电/换电安全

目前，新能源汽车能量补充方式主要分为2种：充电模式和换电模式。充电模式指新能源汽车采用整车充电的方式，按充电的功率大小分为常规充电模式和快速充电模式。换电模式是一种将汽车与电池分开的思路，用户只购买汽车，专门的电池租赁公司负责电池的更换、充电、维修和回收。这两种模式在国际上均有不同程度的尝试和应用。

充电安全所涉及的维度较广，覆盖了电池的全生命周期和不同的使用环境。充电安全失效是导致新能源汽车安全事故的主要原因之一，而失效主要表现为触电和起火两大形式。触电主要是电池系统短路、漏电保护失效、绝缘监测失效和绝缘失效等原因造成的。而起火则主要是由电池过充、快充和外短路等原因造成的热失控现象，或者是因为过流保护失效和过温保护失效等原因造成的线束和其他组件起火。针对充电安全失效，可以建立相应的监测预警控制措施。一方面，可以通过监测电池的充电情况、电池管理系统状态和充电设备健康状况，令充电设备在有故障的情况下及时发出预警，并对充电设备漏电、过热等安全隐患开发相应的自检和控制措施，及时防控风险。另一方面也可以开发一些具有阻燃功能的线束和设备组件，进一步降低电池的起火风险[6]。

相对于新能源汽车充电行业，换电模式还处于市场起步阶段，规模尚小，但增长迅速。目前市面上主要有底盘换电、分箱换电和侧方换电3种模式，以底盘换电为主流，代表车企有北汽新能源和蔚来[7-8]。而换电模式因为地域原因，出现了在某些区域电池换电频率过高（比如上海，换电次数约占全国总换电比例的60%），其他区域的电池则很少换电的现象。这会导致一些电池被频繁使用，从而出现诸如电池包连接件老化、绝缘电阻失效、内部电池性能衰退等现象。如果不能及时发现并解决则容易导致电池包短路、漏电甚至出现热失控等安全事故。为此，可以通过建立电池包的全生命周期监控平台，及时监控各换电电池的状态，并在电池有危险的时候及时通知车主和后台管理员。监控平台还应该合理计算并协调每个换电电池包的使用频率，保证换电电池的合理使用和安全性[9-10]。

2 新能源汽车整车安全

新能源汽车整车安全包含的内容广泛，涉及技术研发、产品质量和安全管理等方面，涵盖电磁兼容、机械安全和电气安全等专业领域。

2.1 新能源汽车电磁辐射安全

电磁辐射对人体安全的影响逐渐受到国内外的广泛关注。区别于传统燃油汽车，新能源汽车依靠电能作为动力，电能在汽车内部通过动力线传输至各关键零部件。各关键零部件都是大功率的电气组件，在汽车运行过程中，会使零部件周围形成电磁环境。汽车作为一个相对狭小且封闭的空间，乘客很容易暴露于这样的电磁环境之中，从而对乘客的身体健康造成不良影响。新能源汽车内的电场强度随着高度增加而降低，高度越高减小越快。因此，考虑到越靠近驱动线缆则电场强度越高，建议在实际生产过程中增加对驱动线缆的屏蔽，比如通过增大线缆与车辆地板的距离（适当降低水平高度）有效减少车内空间的电磁辐射，确保车内人员的健康安全[11-12]。

2.2 新能源汽车机械安全

新能源汽车携带了大能量密度的动力电池，并采用高压电气系统进行能量转换，如果受外部影响，内部电池系统和电气系统遭受冲击、挤压等机械损伤，就容易引起漏电、起火、甚至爆炸等安全事故。新能源汽车机械安全失效主要是由整车碰撞（引发电池系统变形）、车辆托底（引发电池系统底部变形）和下落（起伏路面对车辆底部的电池系统产生冲击）等原因造成的。在发生机械安全失效时，快速并且准确地发出断电信号，可以使新能源汽车内部的电气系统及时完成断电，避免因断电过晚而引发的电气系统短路、起火等现象，保护系统的正常运行。机械安全失效发生时是否需要进行断电，需结合车辆实际失效过程中电池系统与电气系统的损伤情况和安全阈值进行界定。如果断电指令发送过于保守，容易导致电气组件损坏，造成财产损失，留下安全隐患；如果断电指令过于激进，则会造成误判从而危及乘员生命安全。因此，如何保证断电指令快速且准确地发送，是研究新能源汽车发生机械安全失效时需要重点考虑的问题[13-14]。

为解决以上问题，可以通过大量试验与仿真研究，了解新能源汽车在各个工况下出现高压电安全问题的安全限值，以此作为保护系统发出断电指令的依据。同时，也需要在一些发生机械安全失效的关键点布置报警感知模块，使其能够及时准确地发出预警信息，从而建立合理高效的机械安全失效工况下的主动断电保护系统[15]。

2.3 新能源汽车涉水安全

整车涉水对新能源汽车的性能和安全性的影响程度，已经成为人们关注的焦点之一。不同于传统燃油车需要担心的汽车涉水易导致发动机机械损坏，新能源汽车的动力装置都是封闭运转的，需要特别关注的应该是动力电池组的防水性能问题。新能源汽车的动力电池组重量较重，一般安装在车体底部，当行驶道路积水较深时，动力电池可能会被淹没，此时其防水性能尤为重要。动力电池组的防水性能与设计密切相关，因此，在设计电池组的过程中应确保电池模组的外壳、线缆、插头等关键零部件达到国家标准指定的防水等级要求。不过，在车速较快的工况下进行涉水试验动态测试时，一些高压零部件即使符合IP67也不一定能够保证足够的安全，需要将高压零部件的静态IP67设计和涉水试验的动态测试之间进行相互补充，才能够有效地保证整车涉水安全[16]。

3 新能源汽车信息安全

随着5G、人工智能、物联网等信息技术地迅猛发展，汽车将逐渐发展成为下一个移动智能终端。汽车与外界实现信息互联的方式逐渐丰富的同时，也带来了多层面的信息安全风险。一方面，信息互联容易导致汽车被联网控制。智能汽车一旦被控制危害极大，车辆或将在尚未启动时被解锁窃走，也可能在行驶的过程中被控制，这对车内人员的人身和财产安全都会造成重大威胁。另一方面，现有的新能源汽车数据采集平台过多且杂，同一辆汽车的运行数据可以同时被整车企业、充电桩企业和一些其他数据监控平台得到，这容易导致车主信息和隐私的泄露。如何保证新能源汽车数据被合理获取的同时也能够保证车主的信息隐私，是一个亟待解决的问题。

对汽车信息安全问题展开全方面、深层次地分析并构建系统的防护机制，已成为智能网联汽车发展的核心技术之一。车联网系统总体上由车载终端、网络通信、TSP（Telematics Service Provider）平台3个部分组成。车载终端是硬件基础，包括通信系统、电控系统、中控系统；网络通信是传输通道，帮助车辆与TSP平台实现数据互联；TSP平台是公有云平台，负责车辆数据的存储和计算等工作，并且可以帮助乘员实现车内娱乐、导航、道路救援、OTA（Over-the-Air Technology）升级等服务[17-18]。

为保障新能源汽车信息安全，首先，对于车载终端，在硬件层面需要对调试接口进行相关的屏蔽工作，比如取消硬件的型号标识，从而防止通信数据被窃取；在操作系统层面，应对版本系统漏洞及时修补，并建立更新失败回滚机制；在应用软件层面，则要建立签名验证、权限管理和间接口调用等管理机制，避免出现软件非法安装、数据泄漏和非法提取等信息安全问题[19]。其次，是车联网系统的网络通信安全。网络通信应该重点关注车载端的安全防护机制，实现对基站的真假迅速识别、对连接的通信节点进行身份验证，可以确保接入网络的真实可靠性，避免信号欺骗；而在与其他节点进行通信时则应使用专有网络通信，且数据需要加密传输，同时，为保证通信传输的稳定性，GPS通信也需具备对于大功率设备干扰的防护机制。最后，对于TSP平台，在硬件安全方面需要关注防火墙的配备、访问用户权限管理等工作；在软件层面需要关注系统漏洞和病毒的防护，明确用户（特别是系统管理员）的具体职责与权限范围。同时，也需要对系统的关键数据进行分类与安全等级划分，不同级别的数据做好访问权限控制，保证有需要的平台能够拿到指定的数据[20-21]。

4 结论

文章系统性地综述了新能源汽车行业存在的一些安全痛点问题，并对每个问题提出了相应的可行建议。新能源汽车安全问题涉及的层面广泛且复杂，但是仍可以做到合理的防范与管控，这离不开各级政府、新能源汽车行业和新能源汽车上下游企业的共同努力。从政府的层面，一方面需要加强政策引导，使企业逐步进行技术迭代，提升产品质量。另一方面也需要加强科研导向指引，比如设立相应的科研基金，支持开展动力电池寿命研究、电池核心技术和智能网联技术等前沿开发工作。从行业层面，需要各行业机构积极组织国内外安全技术交流研讨活动，了解和学习新能源汽车安全技术的最新进展情况并积累经验，积极制定相关团体标准，营造良好的行业氛围，建立并遵守共同的行业准则。同时，还应该对公众开展新能源汽车使用的安全意识教育。从企业层面，各整车企业、动力电池企业以及关键零部件企业需要增加技术研发投入，加快突破关键核心技术瓶颈，提升新能源汽车的实际应用技术能力研发水平，把控汽车生产的核心细节，形成科学严谨的产品生产流程，建立完善严格的安全管理机制。