電動汽車防火安全策略研究

袁偉 王文濤 王海林 肖潔

摘 要：動力電池熱失控是電動汽車安全事故的致命隱患，為了減少電池熱失控而引發的一系列電動汽車自燃事故，文章對電動汽車自燃和電池熱失控的機理進行分析，從電池包防火能力、電池熱失控預警系統、整車非金屬阻燃性能幾個方面，來提升電動汽車的整車防火安全能力，并對電動汽車的防火安全提出了合理化建議。

關鍵詞：電動汽車;電池熱失控;預警系統;阻燃性能;防火安全

中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-04-05

Abstract： Thermal runaway of power battery is the fatal danger of electric vehicle safety accident. In order to reduce a series of spontaneous combustion accidents caused by thermal runaway of battery， the mechanism of spontaneous combustion and thermal runaway of electric vehicle is analyzed in this paper， and From the battery pack fireproofing ability， battery thermal runaway warning system， vehicle non-metallic flame retardant performance several aspects to improve the vehicle fire safety ability of electric vehicles. Finally， some reasonable suggestions on the fire safety of electric vehicles are put forward.

Keywords： Electric vehicle; Battery thermal runaway; Warning systems; Flame retardancy; Fire safety

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-04-05

前言

近年來，隨著電動汽車行業飛速發展，電動汽車自燃起火事故頻繁發生，嚴重打擊了消費者對電動汽車市場的信心，在電動汽車面臨要低成本、長續航、充電快等壓力下，電動汽車的防火安全問題面臨前所未有的多重挑戰，電動汽車的安全問題再度成為行業及社會的焦點，如何提升電動汽車的防火安全性能變得迫在眉睫，動力電池作為電動汽車最為核心的儲能部件，動力電池的可靠性及安全性直接影響電動車的整車安全性能。

1 電動汽車自燃事故分析

據統計，2019年下半年電動汽車汽車銷量大幅下跌，消費者對電動汽車市場的恐慌主要原因為：動力電池的壽命、續航里程及電動汽車防火安全性。圖1為近幾年來的電動汽車自燃數據統計[1]，2019年的上半年，國內發生的電動汽車自燃事故就超過20多起，電動汽車防火安全對市場銷量造成很大的影響。電動汽車的自燃事故主要原因分析有：車輛發生碰撞，電池包受到擠壓變形引發的自燃事故;車輛涉深水區或長時間雨水浸泡，電池包進水發生短路發生自燃事故;車輛長時間過充電情況下，引發充電槍、充電樁及電池過載發熱等情況導致自燃事故，圖2中顯示充電自燃在自燃事故中占比最高;動力電池及高壓電器部件等負載過大、短路、干涉等引起自燃火災事故;車輛在長期行駛在高低溫惡劣的環境下，電池加速老化使用壽命減少導致發生自燃事故。區別于傳統汽車，電池包發生熱失控導致整車自燃火災事故最主要原因，故對電池包熱失控管控是提升電動汽車防火安全的關鍵。

2 電池熱失控機理分析

動力電池是防火安全風險最高的部件，市場上電動汽車的動力電池主要為鋰離子電池。熱失控的定義[2]為電池內部出現放熱連鎖反應引起電池溫升急劇變化達到不可控上升的現象，如電池出現冒煙、起火燃燒及爆炸現象。

電池熱失控的原因主要分為：機械誘因、電化學誘因和熱誘因，圖3為電池熱失控原因分析圖。機械誘因多為車輛受到撞擊、擠壓及針刺等狀況，電池發生了機械變形破損，電池的隔膜被穿刺破裂等，導致電池發生了內短路;電化學誘因多為車輛發生多次過充、放電電池狀況，電池容易產生樹枝狀結晶穿破隔膜造成內短路;熱誘因多為電池受熱溫度過高，電解液溫度持續升高，隔膜熔解造成內短路。內短路是電池熱失控最常見的特性，發生內短路后會引起電池正負極材料發生劇烈化學反應，單體電芯溫度急劇上升，壓力過大造成外殼破裂，電解液外漏產生大量的熱和氣體，轉變為熱擴散蔓延到其它電芯，引起電池整包的熱失控，導致整車自燃起火爆炸事故。

3 電池包防火安全提升

電動汽車中的動力電池自燃具有燃燒速度快、熱值高、差異大和撲救困難等特點，目前動力電池已經采取了很多的安全措施。可以通過電池設計結構，提高殼體材料防火性能，改善電池散熱系統，提升電芯材料防火性能等方面，來提升電池包的防火能力，可以降低發生火災的可能性。

3.1 電池包殼體防火安全提升

傳統的電池包殼體材料多為鈑金材料，為了提高電池包的能量密度，非結構件的上蓋多選用輕量化材料，例如：SMC、玻纖增強樹脂、碳纖維增強樹脂和鋁合金等材料，提升非金屬外殼的阻燃性能變得尤為關鍵。高阻燃外殼可以延緩熱失控發生時火勢蔓延的作用，同時改善電池包的密封性能，對電池包防水性能、熱失控后煙霧的泄露和燃燒擴散也有很大的影響。

鋁合金材料電池包上殼體輕量化優勢明顯，但是會存在電池熱失控發生時電解液高溫瞬間灼穿的風險，導致電池包內部電解液泄露著火的風險。通過在電池包外殼內部表層噴涂一種防火膠，可以提升整包的阻燃性能，同時殼體材料還具有很好的吸能效果，使得電池包更加安全。徐保峰[3]等人在電池PACK系統中殼體表面使用了耐火阻燃涂層，在按照GB/T31467.3-2015標準外部火燒實驗燃燒測試，未受保護的鋁合金殼體暴露在汽油火焰下僅僅十幾秒就會劇烈燃燒，而噴涂耐火阻燃涂層的殼體在火焰中燃燒120s后并沒有出現任何異常，提高了電池包的外部抗火焰能力，大大的提高了整包的安全性。

模組、電芯和電池包殼體之間增加防火氈材料，具有耐高溫阻燃隔熱特性，防火罩材料有云母板、超細玻璃棉、高硅氧棉氈等，當電池發生熱失控后，防火氈材料可以有效的隔絕熱量擴散和控制火勢走向，有效的延緩電池熱擴散時間，達到阻隔控制電芯發生連鎖反應蔓延，從而提高電池包防火安全性。增加防火氈方案也存在弊端[4]，產品增重，防火氈散熱性能差，各模組之間溫度不穩定，需要更好的電池散熱系統來實現對電池溫度管控。

3.2 電芯材料防火性能提升

提升電芯隔膜的耐高溫性能，對控制電芯發生內短路尤為關鍵。電芯隔膜主要是PP、PE等材料，耐高溫都比較差，在大電流充放電時溫度瞬間升高，會導致收縮熔融，電池的正負極接觸發生短路，電解液泄露引發熱失控產生自燃風險。在隔膜加入耐高溫無機納米涂層[5]，如SiO2、Al2O3、CaCO3等，也有用耐高溫性能的聚酰亞胺（PI）材料來作為電芯隔膜基材，可以有效的防止電池正負極在高溫度下相互接觸而發生內部短路風險。Wang[6]利用羥基磷灰石和聚乙烯醇基納米復合材料薄膜，具有很好的耐熱穩定性，同時有效解決了鋰電池在工作中產生鋰枝晶生長導致內短路的自燃風險問題，在納米復合隔膜電池具有很廣泛的應用前景。

在電池的電解液中添加阻燃劑[7]，降低電解液的易燃性，減少其電解液燃燒帶來的風險和危害，但也降低了電化學性能，使得電池成本重量容量等都受到挑戰。Liu[8]等在電解液中添加5%含量的（乙氧基）五氟環三磷氰（PFPN）阻燃劑，使得電解液達到不燃的效果，還具有很好電池的電化學性能的優點。

從長期來看，單純的隔膜和可燃的液態電解液將不再存在，而由凝膠或者全固態電解質充當隔膜的角色。固態聚合物電解質這類電解質多為由聚合物和鋰鹽來替代液體電解液，兩者通過配位聚合作用而形成固態電解質復合物，其優點為：具有不燃燒、不泄露，具有較高的能量密度，也可以克服鋰枝晶現象，被認為是安全性最高的電解質體系，也是現領域研究的熱點。Tanak[9]等采用新型明膠和基于聚丙烯酰胺聚合物（PAM）電解質和一種a-MnO2納米棒/碳納米管（CNT）陰極的固態電池，同時具有很高的安全性能以及高能量密度。

3.3 改善電池散熱系統

電池包內有大量單體電芯緊密堆積，散熱能力差，導致每一個電芯的溫度不一致，導致個別電芯的老化速度加快，很容易發生熱失控，一旦發生單個電芯熱失控很容易引發整個模組、電池包的爆炸。通過合理的設計電芯和模組的結構及內部空間排布[10]，可以有效控制煙霧和火勢傳播路徑，有效的避免大規模電池熱失控發生。Chen M[11]等研究了電池模組中電芯之間的設計尺寸，對單個電芯發生熱失控時周圍電芯熱擴散蔓延影響，以及熱失控電芯溫度和熱量變化的影響，結果表明：模組內電芯之間的間距大于3mm時，內部空間有助于積累的熱量快速消散，熱失控的單個電芯就不會引發模組內相鄰電芯的熱失控。

電池包的串并聯結構，造成單個電芯產生熱量存在一定差異性[12]，需要使用電池散熱系統控制電池溫度，電池散熱系統中采用最多的方式為風冷或液冷。目前散熱材料研究熱點為采用相變材料（PCM）[13]，相變材料隨溫度變化而改變形態，相變過程會吸收或釋放大量能量，來維持溫度的基本恒定，然而大多數的相變材料存在低熱率的缺點，導致熱量在電池系統中堆積，達不到散熱效果，從而影響電池的性能和壽命，需要在材料中添加高導熱性材料來增加相變材料的傳熱率，如金屬材料、膨脹石墨、導熱顆粒等，制備成性能優越的有機/無機復合相變材料。Rangappa[14]等用膨脹石墨和銅網為三維網狀基體結構，加入相變材料石蠟，制備出一種有機/無機復合相變材料，結果表明：該材料具有很好的機械性能，同時液相時的導熱率可達90%以上，增強了相變材料的導熱率，可以更好的應用于大容量的熱管理系統中。

4 熱失控預警系統

2020年7月《電動汽車用動力蓄電池安全要求》會正式成為國家強制性標準，針對整車或電池包系統，提出一個關于熱失控預警和檢測要求：單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘用艙發生危險之前5min，需要提供一個報警信號，起到提醒乘客作用。國標用電壓降、升溫速率及升溫最高溫度來判斷熱失控邊界條件。電動汽車熱失控預警系統，以提前預警、延緩和阻隔模組之間的熱擴散為主要目的，當電池包內電芯發生了熱失控，乘客在車輛外部無法察覺，預警系統識別出電芯熱失控發生，通過車輛雙閃報警、人機交互界面文字提醒等方式來提醒乘客逃生，給予乘員逃生提供足夠逃生時間。

熱失控發生判定條件種類很多[15]，從外部觀察為電池包泄壓閥破裂，外部出現大量的濃煙，由此可以明顯外部觀察判定熱失控發生，后續會出現起火甚至爆炸現象。從數據監測，熱失控發生時，電壓、電流、溫度變化的數據，可能會存在一定的滯后性，也會導致一些誤報情況的產生，通過氣體監測及電池包壓力變化來監測，通過驗證具有很好的可行性。

電池包內部單個電芯熱失控，電解液及正負極化學反應都會產生大量的CO2和CO等氣體，通過氣體監測判斷熱失控具有一定可行性。Fernandes Y[16]等人在熱失控早期用氣體監測裝置監測到大量的氣體，這時監測的溫度并還沒有急劇升高，其中監測到可燃性氣體：碳酸二甲酯（DMC）、CO2、碳酸甲乙酯（EMC）等，有毒氣體：CH3OCH3、CH3OCHO、C2H4、CO、氫氟酸等，這些有毒和易燃氣體對人體和環境的危害性巨大。

動力電池包內布置自動滅火裝置，可以有效的實現主動防火安全。當系統判定電池包有熱失控風險發生時，風險還處于潛在階段、發煙階段及高溫階段，自動滅火裝置可有效快速控制火情發生，滅火裝置必須有體積小、重量輕、滅火效率高，同時滿足在高溫狀態下不失效的特性，才能在乘用車大范圍內推廣應用。楊世春[17]等人公開了一種鋰離子電池熱失控預警系統及方法的發明專利，該系統包含四種傳感器：超聲波傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器及煙霧傳感器，并能實現自動滅火功能，熱失控預警系統簡圖見圖4。其中超聲波傳感器可以實現對電池內部其他狀態特征的反應，及時對熱失控風險做出判斷與診斷，預警快速高效，同時還有電池管理系統、報警裝置、自動應急滅火裝置，采用不同的控制策略，發出不同級別的預警信號。

電池包內單個電池熱失控會產生各種氣體，電池包內部壓力增大，壓力達到泄壓閥的最大值會導致膨脹閥破裂，壓力值過大就會導致電池包殼體破裂，整包發生自燃爆炸現象。Sascha[18]選用多組傳感器數據分析比分，S1電壓傳感器采集模組內單體電壓采集信號;S2由二氧化錫做成氣體傳感器，檢測識別甲烷、丙烷或CO氣體;S3為煙霧傳感器，可以測試出煙霧及氣體的含量;S4傳感器檢測電池內阻;S5傳感器檢測空氣和排氣的問題;S6使用壓力傳感器，檢測電池系統的壓力變化;S7測試電池和相鄰電池的膨脹力。結果表明：從反應速度上來看氣體傳感器（S2）、壓力傳感器（S6）和模組壓力（S7）反應速度最快，信號也比較明顯。綜合評估通過電池包整包壓力來檢測也是成為最快速、可靠性好、成本低，作為判斷熱失控一個優勢條件。

市場已開發一種熱失控壓力智能監測技術，當電池壓力值發生異常，通過電池管理系統（BMS）進行熱失控事件的綜合判斷、報警和處理，車輛在行駛、充電和停車狀態下，都可立即發現第一個電芯的熱失控，采取相應措施來延緩乃至抑制擴散其他電芯到整包的起火，并可實現聯網報警通知消防部門及車主的功能需求。綜合以上需要將電池內部溫度、電壓監測、煙霧報警系統、壓力感應等與BMS檢測技術相結合，從而建立精確度更高的鋰離子電池熱失控預警系統。

5 整車非金屬材料阻燃性能提升

整車非金屬材料阻燃中高壓電器件的防火安全也尤為重要，例如：充電樁、充電槍和高壓線束等，這些高壓附件由于高壓負載的存在，電流瞬態沖擊很容易引發燃燒，電流大、功率器件多，一旦發生短路后燒壞大功率電子元件，短時間內參數大量的熱，會引發連鎖自燃反應，因此需要對高壓和高溫環境下的高危非金屬零部件提升材料阻燃性能。

提升內飾材料的阻燃性能、煙霧密度和煙霧毒性對乘客的生命安全也尤為關鍵。內飾非金屬材料都易燃燒，燃燒產生氣體毒性大，在相對封閉較小的駕駛室內，燃燒產生煙霧迅速令人窒息或中毒死亡。選擇高阻燃、低煙、無鹵素、無毒、環保材料在內飾的應用是一種很好的選擇，從而給乘客提供一個健康安全的環境，給乘客生命安全提供保障。在我國校車、客車、高鐵等營運車輛標準中提升了地板、織物材料等阻燃性能，并增加了垂直燃燒、氧指數和煙密度等級的技術要求，提升乘用電動汽車的內飾的防火安全將是未來發展趨勢。

6 結論

電動汽車追求高續航里程的發展路線，是導致車輛起火事故頻發的根本原因[19]。不斷追求電池高能量密度，電芯的數量越來越多，電池包內部空間被壓縮越來越小，造成電池熱失控的不可控概率就越大。電池汽車產品更新速度過快，導致動力電池安全驗證周期和技術能力不足，車輛發生熱失控發生后的危害也越來越嚴重，因此需要建立一套健全的電動汽車安全強制標準和規范，消除消費者對電動汽車的易自燃不安全的顧慮，促進電動汽車的健康快速發展。

通過對電動汽車自燃事故和電池熱失控機理進行分析，對電動汽車防火安全策略方面，提出一些可行性策略，電池熱失控之前提出了熱失控預警系統，具有提醒乘客離開車輛的功能，在電池發生熱失控之后，從整車非金屬材料阻燃提升、電池包防火安全提升，電池熱失控發生之后有延緩熱擴散火勢蔓延的作用，對電動汽車防火安全提升有一定參考價值。

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