電動汽車鋰電池滅火技術

薛東澤

摘要：在電動汽車行業穩步發展的進程中，動力鋰電池的火災問題備受關注。根據相關的調查研究顯示，電動汽車發生火災的主要原因在于內部動力鋰電池熱失控所致，與之相關的滅火技術成為了矚目的焦點。本文詳細解讀電動汽車鋰電池滅火技術。

關鍵詞：電動汽車;鋰電池;滅火技術

電動汽車在實際運用的時候，動力鋰電池的充放電過程屬于一個循環的過程，是一種復雜的化學反應，在這一階段，應該重視鋰電池的火災隱患。因為負極表面SEI膜的熱穩定特性，若是溫度達到了120—140℃時，便會產生熱分解，SEI膜的分解過程中，使得負極裸露在外，與電解液相互接觸之后，便產生了明顯的還原反應，最終放出較多的可燃性氣體，同時也會散發熱量，引起嚴重的火災事故。

一、電動汽車鋰電池的結構

電動汽車鋰電池是整車的動力源泉，也是核心技術所在，目前鋰電池備受關注，應該積極的重視其基本的結構[1]。現階段，電動汽車上運用到的電芯涉及到不同的外形，主要有圓形和方形之分，圓形電芯有18650、21700兩種。鋰電池依照外包材料進行區分，涉及到鋁殼鋰電池和鋼殼鋰電池等不同的種類，按照正極材料可以劃分出錳酸鋰和鎳鈷鋁等。鋰電池的熱穩定性大小順序如下：磷酸鐵鋰電池>錳酸鋰電池>三元材料電池（NCM、NCA）>鈷酸鋰電池。目前，方形電芯在國內成為了主流。

二、電動汽車鋰電池起火原因

（一）起火案例分析

電動汽車的相關起火案例證實，起火的原因多是因為動力鋰電池熱失控導致。經過對某一款電動汽車一年起火的時間概述，了解到在溫度相對較高的5月份到8月份起火案例例數占據總數的52%以上，可見環境溫度也是導致動力鋰電池起火的重要原因。在該研究案例中，結合車輛運行狀態統計的情況來看，充電過程中起火占比為68%，行駛過程起火占比為20%，靜止和其他情況下起火占比為12%。

（二）熱失控發生機制

當SEI膜分解釋放出的熱量，讓電芯的溫度迅速上升，當達到180—200℃的時候，正極便會出現分解的情況，正極分解的時候釋放出大量的原子態氧，其擁有著較高的活性，會直接讓電解液劇烈的分解，短時間內電芯便會積聚大量的熱氣，在溫度較高或者是充電電壓較高的時候，便會出現潛在的放熱副反應，熱量聚集的過程中，電芯溫度和壓力明顯提高，最終導致熱失控的問題產生，正極熱分解量最大。不同的正極材料擁有著不同的電芯熱穩定性，三元材料的電芯熱配置呈現出較低的狀態，磷酸鐵鋰在200—400℃的時候，基本上不會出現分解的情況，伴隨著鎳含量的逐步增加，高鎳三元正極熱分解的溫度也會逐步地降低，放熱量也就越來越明顯，當溫度達到了120℃的時候，便會出現熱分解的情況。在動力鋰電池散熱性能未達標的情況下，化學反應實際釋放出的熱量會讓溫度逐步的升高，化學反應的速率呈指數級增大，系統能夠進入到自加溫的狀態之下，從而出現了熱時控的問題。電芯配置了專門的泄壓閥，動力鋰電池也會配置相應的防爆閥，在電池壓力達到了6—8Pa時會泄壓。

（三）鋰電池起火過程

為更好地驗證電動汽車鋰電池的起火過程，相關的研究人員針對于特定型號的鋰電池熱失控過程進行了驗證與分析，驗證的設備涉及到電池包監控、上位機和萬用表等，實驗的內容涉及到電池模組和電池包的單顆電芯熱失控發生的條件，熱失控后擴散的進程和范圍等。整個實驗階段相關的數據和現象進行了明確的記錄，運用加熱片對動力鋰電池的單顆電芯采取了1.7h加熱模式。

當加熱了一個小時之后，溫度達到了125℃，后續的溫度始終保持著不變的狀態，過程中的電芯存在著炸裂的聲音，但是聲音并不明顯[2]。該實驗結束之后電芯防爆開啟，并未出現爆炸的情況，周邊電芯熱失控并未出現，電池包相對完好。實驗的結果證實，單電芯熱失控并不一定會引起整包熱失控。

再加熱了5分鐘之后開始出現了異常的情況，這個時候的溫度達到了185.6℃，在9分鐘之后停止加熱，因為反應不斷地出現，模組溫度達到了512.3℃時，產生了明火，火勢迅速地蔓延，直接地影響到整個模組。在使用了加熱片對動力鋰電池的模組加熱的過程中，電芯受熱達到了210℃時，產生了劇烈的反應，發生了泄氣和炸裂的問題。在1分鐘之內周邊電芯開始出現連鎖反應，不斷地產生間斷炸裂的問題。

在12分鐘之后，電池包內壓強明顯的增大，電池產生了鼓包的問題，電池包泄壓時的電池包內的劇烈反應更加明顯，從而出現了明火，達到20分鐘左右。證明了鋰電池起火體現出火勢迅猛和迅速蔓延的特征，借助于實驗的過程，了解到單體熱失控會導致整個模組出現熱失控的問題，最終影響到鋰電池的實際運用。

三、電動汽車鋰電池滅火技術

（一）科學選擇滅火器

根據《建筑滅火器配置設計規范》（GB 50140-2005），汽車充電站歸屬于E類火災場所，最大的保護距離和單具滅火器最低配置應該在A類火災規定之上，E類火災可以適當的運用磷酸銨鹽干粉滅火器和二氧化碳滅火器等[3]。依照《電動汽車火災事故救援規程》（T/CSAE84-2018）規定，插電式混合動力汽車和純電動汽車鋰電池具備著內部燃燒的特征，磷酸銨鹽干粉滅火器在實際運用的過程中并不能達到理想化的降溫效果，實際的滅火成效并不明顯，建議選用二氧化碳滅火器和水基型滅火器。

（二）掌握滅火操作

鋰電池起火時具有高熱量和火勢迅猛等多種多樣的特征，應該在火災初期考慮使用水基型滅火器，對火勢加以控制;此外針對燃燒產生的大量熱量，應該斷電的狀態之下，對電動汽車借助水進行降溫和控火，防止火勢的蔓延;在這運用河沙對起火電動車底部加以覆蓋，控制蔓延的程度。

（三）落實安全管理

1.相應位置的設置

電動汽車的火災危險性和滅火難度較大，因此應該將電動汽車和充電樁設置于室外。若是設置于室內和地下車庫中，必須要采取集中設置的方案，同時和其他車庫間做好防火隔離舉措，相鄰的充電柱也應該保持一定的防火間距，不應該在兩米以內。

2.合理配置設施

按照相關的標準和要求，應該配置特定數量的滅火器材，同時搭配使用消防設施，依照實際的情況合理的配備室內外的消火栓系統和移動式干粉滅火器等[4]。

3.做好電源管理

充電樁配電箱的電源控制開關應該采取統一管理的方案，若是遇到緊急的情況，必須第一時間斷電，避免火勢進一步蔓延，相應的滅火救援也可獲取可靠的保障。

4.其他管理要求

充電區域中應該適當的制定出科學的操作規程，借助于安全宣傳欄的宣傳作用，讓相關的工作人員提升防范意識。充電期間必須安排專人監管，同時安置監控設備和微型消防站等，若是出現異常的情況，應該及時針對問題加以處置，并報火警。

四、結語

需要詳細了解動力鋰電池的結構，同時明確起火的主要原因，制定出科學的滅火技術，保證電動汽車的安全。

參考文獻：

[1]鮑時全，李正明.一種最優自適應增益非線性觀測器的鋰電池SOC估算方法[J].軟件導刊，2020，19（11）：60-65.

[2]吳麗君，李冠西，張朱浩伯，馬皓.一種具有恒流恒壓輸出自切換特性的電動汽車無線電能傳輸系統拓撲[J].電工技術學報，2020，35（18）：3781-3790.

[3]孫文明.基于PSO-RBF神經網絡的電動汽車鋰電池SOC估算研究與應用[J].時代農機，2020，47（06）：75-78.

[4]范家鈺，夏菁，陳南，嚴永俊.基于修正協方差擴展卡爾曼濾波法的電動汽車鋰電池SOC在線估計（英文）[J].Journal of Southeast University（English Edition），2020，36（02）：128-137.