受限空間內鋰電池火災撲救的試驗研究

陳智明 王曉君

摘要：鋰電池熱失控引發的火災撲救工作具有一定的挑戰性，在滅火救援工作中會經常遇到，為安全、高效撲救鋰電池火災，筆者立足于受限空間內鋰電池熱失控引發火災的系列實體試驗，對鋰電池熱失控產生的火災煙氣及溫度、不同類型滅火劑對起火鋰電池組降溫效果等開展研究，并根據試驗測量數據和試驗現象，對滅火救援過程中重點關注的爆炸、中毒、滅火及車輛轉移等問題進行探討，給出了對應的處置措施建議，為安全、專業地開展受限空間內鋰電池火災撲救工作提供理論與實踐支撐。

關鍵詞：受限空間;鋰電池;火災撲救;全尺度火災試驗

隨著新能源汽車的廣泛應用，鋰電池火災也頻繁發生，在撲救受限空間鋰電池火災時，容易造成救援人員傷亡。2016年5月31日，江蘇省啟東市一鋰電池倉庫發生火災，在救援過程中現場發生爆炸，造成1名消防員犧牲、7名消防員受傷。2021年4月16日，北京市豐臺區一儲能電站發生火災，在救援過程中現場發生爆炸，造成2名消防員犧牲、1名消防員受傷、1名電站員工失聯。上海國際汽車城地處上海市嘉定區，區內分布了上海大眾、上汽榮威、蔚來汽車、沃爾沃汽車等多家造車企業，均紛紛致力于新能源車的研發和制造，大量使用、存儲鋰電池。為安全、高效撲救災鋰電池火災，嘉定區消防救援支隊聯合同濟大學上海防災研究所，開展了由鋰電池熱失控而引發汽車火災撲救的系列試驗，對鋰電池熱失控燃燒產生的煙氣、溫度、不同類型滅火劑對燃燒電池降溫效果等進行研究。

1? 火災試驗方案

1.1? 燃燒試驗材料

系列試驗模擬汽車因動力電池熱失控而引發火災，試驗車輛選用4門5座三廂同型號轎車，車輛長寬高為4675mm×1770mm×1500mm。動力電池選取三元鋰電池，動力電池組尺寸長寬高為820mm×500mm×130mm，成組方式為60并22串，容量132Ah，電壓79.2V，電池組電量10.45kWh， 18650電芯數量1320支，電池包盒體材質為鋼制噴塑。根據市場調研，現有新能源汽車動力電池一般位于車輛底部前、后橋及兩側縱梁之間，本次試驗選取比較常見且難以處置的車輛底部位置為主要研究對象，將鋰電池安裝在車輛副駕駛座位下方的車廂底面處。試驗時均為滿電狀態，采用電加熱板加熱，迫使電池組發生熱反應，當電池熱失控后停止加熱。

1.2? 試驗數據采集點設置

根據試驗目的，主要采集溫度和氣體兩個方面的數據。一是使用熱電偶測量采集電池艙內和車體附近環境的溫度數據，熱電偶分布如圖3所示，其中1～9號熱電偶采集電池艙內數據，10～19號熱電偶采集車體附件環境的溫度。二是使用FTIR煙氣毒性分析系統測量火場煙氣的種類和濃度數據。

1.3? 火災撲救方案

基于鋰電池熱失控引發的火災會出現自生熱、自生氧和產生大量可燃性氣體的特點，采取淹沒電池式的滅火方法，能最大限度的起到降溫和滅火效果，為提高單位消防用水的滅火效能，在試驗車輛周圍預先設置高度為600mm的圍擋，能存儲滅火時的消防用水或泡沫。電池熱失控后，人們開始報警，消防員從接到報警到開始救援需要一定的時間，通常在15分鐘左右。在電池組發生熱失控后，引燃汽車內飾，火災猛烈燃燒后6分鐘左右，此時與消防員到場展開救援時間相吻合，開始干預滅火。當使用水作為滅火劑滅火時，滅火器材采用φ40mm支線水帶、QLD6/8直流噴霧水槍，單支水槍流量≥5L/s，共出2支槍，噴射水流狀態為直流水槍和噴霧水槍。當使用壓縮空氣泡沫作為滅火劑滅火時，滅火器材采用φ40mm支線水帶、壓縮泡沫槍，單支槍流量≥5L/s，共出2支槍。

2? 試驗數據及分析

2.1? 用水撲救試驗結果及分析

為防止動力電池熱失控后產生的大量氣體造成爆炸，試驗時副駕駛座后側車窗玻璃已經搖下100mm的縫隙，用于泄壓。試驗開始后，電加熱板加熱至300℃時，電池開始發生熱失控，有少量灰白色煙冒出。隨后，逐漸能夠聽到零星的電池爆裂聲，透過車窗玻璃能觀察到灰白色煙氣充滿整個車內空間，并且有一些灰白色煙氣從預留的縫隙處冒出。距第一個電芯熱失控230s時，發生猛烈爆炸，將關著的車門震開，左右兩側四扇窗玻璃、車頂天窗玻璃震碎，玻璃碎片最遠飛行距離超過30m。爆炸發生時伴隨著火光，隨即熄滅后，8s后又重新燃燒，并開始出現黑色煙霧，爆炸后25s車輛開始全面燃燒，產生大量黑煙。模擬消防車到場時間為爆炸發生后的380s，消防員出兩支水槍，從車輛后側兩個方向出水滅火，黑色煙氣中出現白色水霧，出水20s后明火被撲滅，隨后持續冷卻車輛及電池，直至水淹沒輪胎后停水，全程出水用時450s。圖2為用水撲救試驗的幾個關鍵時間點圖像，圖中時間參照點為第一顆電芯熱失控時刻。

圖3為電池倉內溫度隨時間變化曲線。如圖3所示，當加熱板的溫度T1達到300℃時，與加熱板相鄰的鋰電池表面溫度T3迅速上升，在試驗270s左右，鋰電池模組開始發生熱失控。在熱失控初期，由于高溫還未在模組內完全傳播，此時只有少量白霧狀煙氣產生，無明火，并伴隨有零星的電池爆裂聲。隨著熱量在模組內擴散，電池組內溫度快速上升，距離加熱板較遠的電池進入熱失控狀態，2號、4號和5號熱電偶處溫度迅速上升。發生熱失控后，區域內溫度在600～700℃，從試驗340s一直持續到試驗1100s，整個鋰電池模組內最高溫度為701℃。

圖4為車體附件溫度隨時間變化的曲線。如圖4所示，在爆炸發生前，車輛周邊環境的溫升不明顯，爆炸發生后，車內出現明火并劇烈燃燒，車輛周邊環境的溫度陡然上升，最高溫度達到992.7℃。消防員出2支水槍后，車體附近的環境溫度急劇下降。

對比電池艙內溫度變化和車體附件環境溫度的變化曲線，明顯可以看出電池艙內熱量難以散去，需要長時間冷卻才能降溫，即消防員在實施滅火作業時環境溫度就開始急驟降溫，而電池艙內還是維持在高溫區，隨著消防水持續噴射入，產生大量水蒸汽帶走熱量，且水流持續冷卻電池組直至全淹沒，在明火撲滅315s后，電池組溫度才降至75℃以下。

2.2? 用泡沫撲救試驗結果

在總結用水撲救試驗過程中爆炸現象基礎上，為防止動力電池熱失控后產生的大量氣體造成爆炸，試驗時副駕駛座后側車窗玻璃已經搖下300mm的縫隙，用于泄壓。試驗開始后，電加熱板加熱至450℃時，電池開始發生熱失控，有少量灰白色煙冒出。熱失控15s后，車廂內部有明火，但明火不大若隱若現。隨后，逐漸能夠聽到零星的電池爆裂聲，透過車窗玻璃能觀察到灰白色煙氣充滿整個車內空間，并且有一些煙氣從預留的縫隙處冒出。熱失控96s后，副駕駛座后側車窗處竄出火苗，火勢逐漸擴大，隨后始終在這一側窗戶處維持穩定燃燒，其他玻璃也沒有破裂。模擬消防車到場時間，熱失控545s后，消防員出兩支泡沫槍，從車輛后側兩個方向出泡沫滅火，迅速撲滅火災。當消防員從遠處第一次噴射泡沫至車輛后窗玻璃時，玻璃自行破裂，隨即有濃濃灰白色煙氣涌出，但沒有明火，隨著持續泡沫壓制，出泡沫20s火災被撲滅。隨后持續出泡沫填充車廂和圍板區，出泡沫150s后填滿。圖5為用泡沫撲救試驗的幾個關鍵時間點圖像，圖中時間參照點為第一顆電芯熱失控時刻。

圖6為電池艙內溫度隨時間變化曲線。如圖6所示，當加熱板的溫度T1達到450℃時，鋰電池模組開始發生熱失控。熱失控發生后，3號、2號和6號熱電偶處溫度迅速上升，表明此處電芯均發生了熱失控，電池艙內溫度快速上升，距離加熱板較遠的電芯進入熱失控狀態。隨后5號熱電偶處也發生了熱失控，區域內溫度在600～700℃，從試驗340s一直持續到試驗1100s，整個鋰電池模組內最高溫度為697℃。

圖7為車體附件溫度隨時間變化的曲線。如圖7所示，在火焰冒出車窗前，車輛周邊的環境的溫升不明顯;火焰冒出車窗后，著火側環境溫度上升明顯;當后窗玻璃破損后的瞬間，溫度達到560℃，隨后室外溫度急劇下降。當消防員噴射泡沫開始滅火時，車輛周邊的溫度出現瞬時高溫后，立即直線降溫，這表明滅火泡沫也能與水一樣，使車輛周邊溫度快速下降。

對比兩次試驗的車體附近溫度，本次試驗可以看成是通風控制的穩定燃燒，整個試驗過程中，只有一個窗戶出現了持續穩定的燃燒，因此車體附近的溫度在500℃以下;而用水撲救試驗自爆炸后，可看成是燃料控制的燃燒，濃煙滾滾火勢猛烈，車體附近的溫度均超過了800℃。對比兩次試驗的電池艙內溫度，可以判斷無論車體是哪種燃燒模式，電池模組內的溫度基本都在600～700℃之間，這也表明電池模組相對整個火場環境，它是一個獨特的區域，電芯熱失控是維持其艙內溫度的主要因素。

2.3? 產生煙氣情況及分析

在試驗中，使用FTIR煙氣毒性分析系統測量火場煙氣的種類和濃度數據，主要測試了烷烴類氣體中的甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和乙烯（C2H4），一氧化碳（CO），急性中毒性氣體氰化氫（HCN）、二氧化氮（NO2）和氯化氫（HCL）等對三類多種氣體進行了采樣分析，圖8分別為鋰電池熱失控后，汽車內烷烴類氣體、一氧化碳和急性中毒性氣體濃度隨時間變化曲線。

從圖8可以看出，鋰電池熱失控后將產生大量可燃性氣體和有毒性氣體，可燃性氣體主要包括烷烴類氣體和一氧化碳，有毒性氣體主要包括一氧化碳、氰化氫、二氧化氮、氯化氫等。大量可燃性氣體產生并聚集，極易在短時間內形成爆炸性混合氣體，使爆炸成為大概率事件。大量急性中毒類氣體產生并聚集，極易對現場無防護人員造成速殺性致命傷害。

3? 受限空間內鋰電池火災撲救需要重點注意的幾個問題

3.1? 關于爆炸性的問題

鋰電池在受限空間內熱失控是存在爆炸風險的，爆炸發生的時間與受限空間內因熱失控而生成的可燃性氣體濃度達到爆炸下限的時間密切相關。若受限空間體積小，同時熱失控的鋰電池多，且該空間通風性能差，則產生的可燃性混合氣體很快就達到了爆炸下限，爆炸發生的時間距電池熱失控的時間點就短。若受限空間體積大、熱失控的鋰電池少，或者該空間通風性能好，則產生的可燃性混合氣體難以達到爆炸下限，就不可能發生爆炸。在試驗1中，雖然開了100mm的后窗縫隙，但是在短時間內鋰電池熱失控產生的混合性可燃氣體就達到了爆炸下限，電池持續的熱失控必然會引爆爆炸性混合氣體，因此爆炸發生了。在試驗2中，后窗的開縫距離達到300mm，生成的混合可燃氣體難以聚集，在空間內沒有達到爆炸下限，因此只在開口處形成火焰而沒有發生爆炸。

鋰電池熱失控產生的煙氣是灰白色的，與一般可燃物、塑料以及其他化工產品燃燒時產生黑色濃煙是有明顯差別的。在消防救援時，容易給消防員帶來誤導，以為沒有冒出黑煙，現場為小型火場，燃燒就不猛烈，從而放松警惕。因此，若受限空間內存放了大量鋰電池，且多個電池發生了熱失控，因空間的密封性能較好，從外部難以看到明顯的燃燒跡象，此時發生爆炸的風險極高。本文引言中的兩個案例大概率是由于這種原因造成的。遇到此類火災救援時，若現場沒有出現火光和濃煙，表明現場沒有泄壓，要充分評估可能發生爆炸的可能性，盡可能的使用固定消防設施或遠程利用無人機、熱成像儀進行偵察，選擇站位時應避開門、窗、孔洞等泄壓口。若確需進攻，應選尋找好掩體，再遠程破拆泄壓口，火焰冒出窗口30s左右再實施滅火。

3.2? 關于煙氣毒性的問題

鋰電池熱失控產生的煙氣中含有大量有毒有害氣體，且煙氣溫度高。在用泡沫撲救試驗中，測得車廂內的常見有毒氣體濃度均超過成人的致死濃度數倍：氰化氫的濃度超過2300ppm（成人致死量為400mg/m3，約為480ppm）;二氧化氮的濃度超過2100ppm（空氣中的二氧化氮及氮氧化合物濃度超過200ppm時，健康成年人10分鐘內死亡）;一氧化碳的濃度超過50000ppm（空氣中的一氧化碳濃度達到12800ppm時，健康成年人1～3分鐘內死亡）。在面積稍大的受限空間，比如倉庫、隧道或地下空間，雖然空間比較大，若鋰電池的數量多、燃燒時間長，較大空間內有毒氣體的濃度也會很高，同樣能造成沒有防護人員的傷亡。因此，在處置鋰電池熱失控火災時，參戰消防員務必要做好個人防護，尤其是呼吸系統的防護，在救援過程中堅決杜絕不佩戴空氣呼吸器的行為。同時，在排煙時要防止該類煙氣侵襲無防護措施的人員。

3.3? 關于鋰電池滅火的問題

鋰電池火災能持續的機理是：已經熱失控的電芯所產生的熱量，使得電解液熱分解、相鄰電芯繼續熱失控，持續不斷的提供燃燒所需的熱量和燃料，使得鋰電池火災能長時間的維持燃燒。即使電池艙外圍的明火撲滅，然而封裝良好的電池艙內部溫度卻沒有得到有效降低，鋰電池熱失控還會持續。因此，要撲滅鋰電池火災，就需要持續進行冷卻。在眾多冷卻方式中，淹沒式的冷卻更徹底。在滅火救援時，當前廣泛使用的水或泡沫，對熱失控的鋰電池均能有效降溫。

對于裝載鋰電池的新能源汽車，動力電池大多安裝在汽車底部，在外部使用水槍難以有效打擊火勢或對電池降溫，可以選擇向車廂內部射水的方式從上部冷卻電池，也可以使用臨時圍板，儲水或儲泡沫淹沒滅火。對于其它受限空間內鋰電池火災，可以通過筑堤或設置圍板的方式儲水或儲泡沫進行淹沒滅火。

在選用淹沒式滅火時，用水撲救試驗灌注滿用時720s，用泡沫撲救試驗灌注滿用時為122s，用泡沫填充的時間明顯要比用水短，且在實際救援中，圍擋與地面間存在一定的縫隙，難以存儲大量的水，但可以存儲大量的泡沫。因此，當選用淹沒式滅火時，建議使用泡沫作為滅火劑。

3.4? 關于轉移滅火的問題

因鋰電池火災通常持續時間長，大量鋰電池聚集的危險性更大，因此，當條件成熟時，應采取轉移電池的方法，來控制災情發展擴大。

對于鋰電池的新能源車，當火災發生在隧道、地下空間或建筑內時，明火撲滅后應將車輛轉移至室外開放空間，再實施淹沒式冷卻，即使在轉移過程中有個別電芯發生熱失控，也不會影響大局，使用監護水槍澆滅即可。對于儲存鋰電池的倉庫，當室內部分鋰電池熱失控起火后，在控火滅火的同時，要對熱失控周邊的鋰電池進行降溫，盡量創造條件轉移受到火勢威脅的鋰電池，并分開存放。

4? 結語

鋰電池新能車因熱失控發生火災是受限空間內鋰電池火災的典型代表。相對空間而言，汽車內部空間可以看成是堆放動力電池區域，并且具有較好的密閉性;相對鋰電池而言，新能源車動力電池熱失控后的一系列特征也能較好的體現鋰電池熱失控的火災特征。動力電池數量與存放空間比，相對于儲能電站、電池倉庫要小一些。在鋰電池新能源車熱失控引發的火災中出現的特征，在受限空間內鋰電池熱失控引發的火災中也會出現，因此，在處置該類型火災過程中，要充分考慮到現場可能出現的爆炸、毒氣、滅火方法、戰術措施及選用的滅火劑種類等多種因素，認真開展災情偵察，科學決策，打有準備之仗。

此外，由于筆者研究團隊的能力和水平有限，只對1個汽車模組的三元鋰電池熱在受限空間內熱失控進行了真火試驗，重點關注了電池艙和車體附近的溫度、產生氣體種類及空間內的濃度、試驗過程中煙氣特征、爆炸現象、不同類型滅火劑和滅火方式的撲救效果等，開展一些試驗和研究，得出的結論可能不夠全面，不當之處敬請不吝賜教和批評指正。

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Experimental research on fire

fighting of lithium battery in confined spaces

Chen Zhiming，Wang Xiaojun

Jiading District Fire and Rescue Brigade of Shanghai

Abstract：? It is a challenging work to combate fires caused by thermal runaway of lithium batteries. The fire scene will often be encountered in fire fighting and rescue work. In order to save lithium battery fires safely and efficiently， this paper conducts research on fire smoke and temperature caused by thermal runaway of lithium batteries， and the cooling effect of different types of extinguishing agents on fired lithium battery packs based on the series of fires caused by thermal runaway of lithium batteries in confined spaces. Explosion， poisoning， fire extinguishing， and vehicle transfer in fire and rescue work are discussed by test measurement data and test phenomena. Finally， corresponding disposal measures are given to provide theoretical and practical support for safely and professionally carrying out lithium battery fire fighting in confined spaces.

Keywords： Confined space; Lithium battery; Fire fighting; Full-scale fire test