第1章 緒論

1.1 智能電動汽車安全技術的發展

1.1.1 智能電動汽車發展歷史

1.電動汽車發展史

電動汽車的歷史比內燃機汽車悠久，其發展時間軸如圖1-1所示。最早在1832年，羅伯特·安德森研發出了第一臺電動汽車，這比卡爾·本茨在1866年發明的第一輛內燃機汽車要早30多年。在1832—1920年間，電動汽車得到了當時人們的廣泛認可，也引起了科學家的興趣，因為其與當時的汽油和蒸汽動力汽車相比，行駛時無噪聲、不易散發出刺激性氣味且維修簡單；然而到了1920年，內燃機汽車技術成熟，電動汽車的銷量降低，到1935年電動汽車幾乎消失。20世紀六七十年代，汽油價格一路飆升，電動汽車再次引起了人們的興趣。1959年，世界上第一輛能高速行駛的電動汽車Henney Kilowatt被發明，但與內燃機汽車相比，電動汽車的性能存在較大的缺陷；1979年，隨著內燃機技術的不斷提高，汽車市場再次被內燃機取代。自20世紀90年代以來，全球能源危機、環境污染日益嚴重，電動汽車的研究再次受到各國關注。通用、福特、本田、日產、特斯拉、北京汽車、比亞迪和蔚來等電動汽車企業正推動電動汽車快速發展。2021年，全球的電動汽車滲透率超過10%，電動汽車行業進入爆發增長期。

2.智能汽車發展史

全球對智能汽車的探索，可以追溯至20世紀，由于底層技術、配套產業等不足，直到20世紀末仍停留在實驗室階段。早在1925年，發明家弗朗西斯·霍迪納演示了一輛無線電遙控車，被認為是世界上第一輛自動駕駛汽車。1956年，通用汽車推出FireBird，該車是一款概念車，它基于車路協同技術，實現了在高速場景下的無人駕駛，是世界上第一輛配備自動導航系統的汽車。20世紀70年代，美國等發達國家的大學和實驗室開始基于人工智能和攝像頭進行移動機器人、原型車研究，推動了智能車輛的發展；1977年，日本筑波工程研究實驗室開發了第一個利用攝像頭檢測前方導航標識的自動駕駛汽車；20世紀80年代，日本開始對車路間通信系統RACS進行研究，“人-車-路”初現雛形。20世紀90年代，我國清華大學、國防科技大學等推出自動駕駛原型車并開始實際上路測試。近20年來，隨著半導體、高精度傳感器、人工智能算法、移動通信網絡等技術的快速發展，智能汽車上路逐漸成為現實。智能汽車發展時間軸如圖1-2所示。

汽車智能化可被劃分為初期階段、半自動階段、高度自動階段以及全自動階段。對智能汽車發展而言，智能駕駛、智能座艙以及智能服務是最基礎也是最關鍵的部分。當前市面上的智能汽車可實現智能輔助駕駛。

1）智能駕駛作為汽車智能化發展的核心部件，能夠基于對周圍環境的感知、分析、判斷進行決策和執行，通過輔助駕駛、智能安全、車輛智能控制以及智能地圖等實現自動化、智能化駕駛。

2）智能座艙作為人車交互的入口，需要為駕駛人提供智能化的駕駛操縱體驗以及乘車娛樂，需要以人車交互、車聯網等作為基礎支持。目前將智能座艙的發展劃分為機械化、電子化、網聯化、智能駕駛、第三生活空間五個階段，如圖1-3所示。

3）智能服務則聚焦和人、生活相關密切的服務。當前，高級別智能駕駛汽車通常以電動汽車為載體，所以智能電動汽車成為現代智能車的主流，其成為未來汽車的重要發展方向。

3.電動汽車作為智能車載體的原因

通過前面發展史的介紹，可以看出電動汽車快速發展推動了智能汽車的發展，接下來將介紹電動汽車作為智能汽車載體（即智能電動汽車）的優勢。智能電動汽車（Smart Electric Vehicle，SEV）是指搭載動力電池，能以電能為驅動動力，擁有Over The Air（OTA）升級能力，并配備人車交互智能座艙或L2及以上智能駕駛功能的車輛。

電動汽車作為智能汽車最常用的載體有以下優勢：首先智能汽車與傳統燃油汽車相比，電動汽車沒有發動機與變速器，取而代之的是三電系統（電池、電機和電控系統），較為簡單的車輛結構使得電動汽車更易控制。此外，在電動化、智能化、互聯網化及共享化的驅動下，全球汽車行業未來發展的趨勢將由傳統的機械產品轉變為移動出行的智能終端，將會以電動化變革為契機，智能化和網聯化同步發展。智能電動汽車已成為歷史發展必然，電動化、網聯化、智能化及共享化（“新四化”）在智能電動汽車中體現的作用如圖1-4所示。

1.1.2 智能電動汽車安全研究的必要性

目前正值全球汽車產業全面深刻變革之際，黨的二十大報告為中國汽車產業的發展進一步指明了方向。報告在關于推動綠色發展、促進人與自然和諧共生方面提出：

1）加快發展方式綠色轉型。推動經濟社會發展綠色、低碳化是實現高質量發展的關鍵環節。加快推動產業結構、能源結構、交通運輸結構等調整優化。實施全面節約戰略，推進各類資源節約集約利用，加快構建廢棄物循環利用體系。完善支持綠色發展的財稅、金融、投資、價格政策和標準體系，發展綠色低碳產業，健全資源環境要素市場化配置體系，加快節能降碳先進技術研發和推廣應用，倡導綠色消費，推動形成綠色低碳的生產方式和生活方式。

2）積極穩妥推進碳達峰碳中和。實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃分步驟實施碳達峰行動。完善能源消耗總量和強度調控，重點控制化石能源消費，逐步轉向碳排放總量和強度“雙控”制度。推動能源清潔低碳高效利用，推進工業、建筑、交通等領域清潔低碳轉型。

中國汽車產業依托“換道超車”的戰略決策發展智能電動汽車，在政府大力引導下，我國智能電動汽車產業從無到有、從小到大、從弱到強，取得了震驚世界汽車業的巨變，為我國由汽車大國走向汽車強國奠定了基礎。自十八大以來，不斷強大起來的中國現代汽車產業，在國民經濟中的地位越來越重要，在國際上的影響力越來越大。以電動化、智能化為主要技術特征的新能源汽車站到了引領世界汽車發展方向的位置上。新能源汽車銷量從2012年的1.28萬輛，躍升到2022年的688.8萬輛，占全球新能源汽車總銷量的63.6%，連續八年蟬聯全球新能源汽車銷量榜首。中國新能源汽車近幾年銷量如圖1-5所示。

根據國際能源署（IEA）統計，截至2020年年底，全球電動汽車保有量超過1000萬輛。其中，450萬輛在中國，320萬輛在歐洲，170萬輛在美國，60萬輛分散在其他國家和地區。2021年，全球電動汽車的銷量比2020年翻了一倍，達到660萬輛。截至2021年底，全球電動汽車市場共有450款在售車型，比2015年多了4倍。但隨著汽車保有量的提高，汽車事故也越來越多。自2013年4月2日—2021年4月17日，僅特斯拉品牌車輛，就在全球范圍內至少發生事故218起，累計造成175人死亡。據美國國家公路交通安全管理局的統計，在美國范圍內，特斯拉有200起事故是由失控造成的，其中9起造成死亡，50起造成重傷，單純的起火事故共計8起，沒有傷亡，起火原因包括自燃及爆炸。根據特斯拉官方的報告，在2012—2019年這段時間里，特斯拉車型平均每2.8億km的里程就會發生一次火災事故。據統計，2021年全年被媒體報道的起火事故共276起，比2020年增長了123%，排除2020年上半年疫情的影響，根據5～12月的事故看，2021年事故數量與2020年相比增幅93.9%，車輛保有量增長69%，事故率增長30%。歷年電動汽車事故率如圖1-6所示。

從圖1-6可以看出：總體來看，智能電動汽車發生安全事故的概率是呈下降趨勢的；其中2014—2017年電動汽車事故率的下降是因為電池技術的發展與電池安全水平的提升；但是由于高能量密度、高鎳電池使用增多，2017年之后事故率逐年上升；2020年事故率再次降低，這一方面可以歸結為整車和電池企業逐步重視電池安全，另一方面是因為疫情使得民眾出行及用車減少；2021年事故率與2018年相仿，分析原因，與早期電動汽車步入退役報廢期密切相關。總體來看，電動汽車事故比例依舊不低，電動汽車安全研究任重道遠。

通過分析智能電動汽車安全事故，發現引起安全問題的原因主要有四個：電池系統故障、電芯故障、整車電氣故障以及其他外部故障。

1）電池系統故障包括電子電氣故障和機械沖擊。

2）電芯故障包括電芯一致性差、電解液漏液、內部電路短路或其他不明原因。

3）整車電氣故障指私自改裝導致線束破損、短路以及不規范充電等。

安全事故故障類型各類占比如圖1-7所示，近三年電動汽車起火原因占比如圖1-8所示。

根據國家應急管理部統計，2021年全國發生電動汽車火災事故3000余起，根據接近800萬輛的純電動汽車保有量計算，著火率約為0.038%，而傳統燃油車年火災事故率為0.01%～0.02%。根據官方統計數據，容易發現電動汽車起火事故與時間、地區等有關系：由于夏季氣溫較高，6月—8月是電動汽車火災事故的高發期；分布地區主要為發達省份以及南方省份。分析2020—2022年200起電動汽車安全事故的起火案例，發現事故原因主要有充電起火、行駛過程中起火、靜止停放起火以及碰撞導致起火，如圖1-8所示。

近三年智能電動汽車起火事件主要是車輛靜止停放時發生火災。可以看出電池不僅要在運行過程中保證安全，在斷電狀態下也要保證安全。據統計，充電中起火占比22.77%，而碰撞導致的起火占9.40%。碰撞導致起火，最重要的原因是電池包在底盤中，當底盤發生磕碰后有可能會影響電池包的狀態，造成火災事故。充電過程中起火的原因可分為正常充電起火、充電設備故障起火和過充電起火三個方面，如圖1-9所示。正常充電發生起火占70%，由充電設備故障引起的起火占25%。

1.1.3 智能電動汽車安全性概述

智能電動汽車的安全性可分為主動安全系統、被動安全系統、電氣安全系統、通信及功能安全系統，如圖1-10所示。主動安全系統包括防抱死系統（ABS）、驅動防滑系統（ASR）、電子穩定系統（ESP）、自動緊急制動輔助系統（AEB）、車道偏離警告系統（LDW）、正面碰撞預警系統（FCW）、盲點檢測系統（BSD）等；被動安全系統包括動力電池安全性、汽車碰撞安全性、行人保護安全性、乘員約束系統、智能座艙安全系統；電氣安全系統包括充電、行駛、維修高壓安全以及高壓絕緣安全；通信及功能安全系統包括信息網絡安全、數據安全系統、功能安全系統以及預期功能安全系統。

鑒于智能電動汽車特有的技術特性，應針對碰撞后容易引起人員傷害的高壓電、有害氣體和動力電池侵入等進行防護。作為智能電動汽車三電系統中最核心的部件，動力電池直接影響著智能電動汽車的主要性能指標，其也影響了電動汽車的安全性。動力電池安全性主要包括結構安全、電安全、熱安全和環境安全。

1）結構安全是指動力電池受到外部機械沖擊所導致的內部結構變化，引發熱失控風險。

2）電安全是指動力電池因灰塵污染、涉水等導致的短路情況，進而引發電擊風險。

3）熱安全是指動力電池因外部高溫或大阻抗所導致的熱失控，引發燃燒或爆炸事故。

4）環境安全是指動力電池受到外部溫度變化、海拔影響所產生的熱失控風險。圖1-10所示為智能電動汽車安全系統分類圖。