動力用鋰離子電池火災特征與安全管理研究

隋 鑫，劉 飛，周 彪

應用研究

動力用鋰離子電池火災特征與安全管理研究

隋 鑫1，劉 飛1，周 彪2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430000；2. 中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

為了降低密閉空間中新能源電動汽車的火災危險性，首先從新能源電動汽車火災事故統計數據入手，分析并總結密閉空間內新能源電動汽車的火災特點。隨后通過FDS數值模擬軟件，模擬計算了不同種類滅火系統（水噴淋、泡沫-水噴淋）對密閉空間新能源電動汽車火災場景的適用性，結果表明：泡沫-水噴淋自動滅火系統可有效降低電動汽車火災危險性。最后參考已有的標準規范和新能源電動汽車火災方面的研究成果，對密閉空間消防系統設計提出了相應的改進建議。本研究對船舶動力用鋰電池的消防安全管理具有指導意義。

公路密閉空間 新能源電動汽車 火災危險性 消防系統

0 引言

火災是影響公路密閉空間（隧道）正常運行的主要因素。在密閉環境中，一旦發生火災救援難度較大，易造成嚴重的人員傷亡、財產損失和社會影響。根據相關文獻，車輛著火是公路火災的重要原因[1]。近年來，我國新能源電動汽車的行業規模和技術水平不斷提高，其市場百分比日益增加?；谙嚓P數據[2]：中國電動汽車保有量約占全球總量的50%，且每年仍保持40%的高速增長。隨著電動汽車數量的不斷增加，其在公路密閉空間車流量中的占比將會大大提高，對應的消防隱患也會日益顯現。根據不完全統計[3]，2020年上半年我國共發生20起電動汽車火災事故，新能源電動汽車的消防安全問題引起了社會大眾的廣泛關注。電動汽車內部裝有動力電池組，其具有活性高、產熱量大等特點。此外，電池組熱失控時會產生苯、苯乙烯、丙烯醛、一氧化碳、氟化氫，以及烯烴、烷烴和醚等毒性化合物[4]。與傳統汽車火災相比，電動汽車火災的危險性更大，火焰傳播更快，煙氣毒性更高，這對密閉空間（隧道）消防設計提出了更高的要求。

目前，關于密閉空間內新能源電動汽車火災事故危險性的定量分析較少。同時現有密閉空間消防系統主要針對傳統燃油動力汽車的火災特點進行設計[5-7]，對新能源電動汽車火災防治的適用性較差。本文將結合近十年新能源電動汽車火災事故統計數據，從火災起因和火災發生時間兩個角度，對密閉空間內新能源電動汽車的火災危險性進行研究分析。利用火災模擬軟件（FDS）對密閉空間內新能源電動汽車火災進行數值模擬研究，并結合已有的標準規范，提出適用于密閉空間內新能源電動汽車火災防治要求消防系統參數設計方案，探究改進后消防系統參數對新能源電動汽車火災特征參量的影響。針對密閉空間消防系統設計提出相應的建議，為密閉空間運營管理人員提供參考。

1 新能源電動汽車火災特點研究

1.1 近十年來新能源電動汽車火災事故統計分析

1）新能源電動汽車起火原因分析

通過梳理近十年內（2011年～2019年）媒體公開報道的火災事件[8,9]，圖1給出了近十年內新能源電動汽車火災事故起數分布情況?？梢钥闯?，近十年國內共發生新能源電動汽車火災事故190起，特別是自2016年以后，隨著新能源電動汽車保有量增加，火災發生起數總體呈現逐年升高的態勢。

圖1 2015年～2019年新能源電動汽車火災事故起數變化趨勢

圖2為近十年內新能源電動汽車起火原因的概率分布情況，新能源電動汽車的起火原因可以劃分成三類：行駛過程中起火、充電過程中起火和停置過程中起火?？梢钥闯觯旭傔^程中新能源電動汽車發生火災的概率高達39.08%，明顯高于其余幾項起火原因。

圖2 2011年～2019年不同起火狀態概率分布

2）新能源電動汽車起火時間分析

圖3給出了2019年不同月份的火災發生起數分布情況，從月份分布來看，6月份至8月份期間發生的新能源電動汽車火災事故數量最多，占全年事故總數的60%，夏季為鋰離子電動汽車火災的高發期。夏季密閉空間車流量大，封閉的密閉空間內部環境導致散熱更為緩慢，由于新能源電動汽車內部的能量電池在一定溫度條件下，自身會通過電化學反應不斷自發放熱，密閉空間內的高溫條件會進一步加速鋰電池熱失控現象的發生，相比其他場所，夏季密閉空間內新能源電動汽車火災危險性更為顯著。

圖3 2019年全年不同月份的火災發生起數分布情況

通過對近十年新能源電動汽車火災事故統計數據進行分析可以得出：密閉空間內新能源電動汽車發生火災危險性主要體現在車輛行駛過程中的發生機械碰撞，近年來，新能源電動汽車所采用的動力電池能量密度越來越大，動力電池受到外力擠壓導致化學能釋放，在一定的溫度條件下，產生一系列放熱反應，最終表現形式為汽車的動力電池熱失控和熱失控擴展周圍車輛引起燃燒或爆炸。

1.2 密閉空間新能源電動汽車火災特點

新能源電動汽車在內部結構、線路布局、電池安裝等方面均與傳統燃油汽車不同，其對應的火災特性差別較大。主要包括以下四個方面：

1）火焰溫度高，火災蔓延快

電池熱失控時會放出大量可燃氣體或揮發液體，其燃燒速度極快。動力電池中活性鋰與空氣中的氧接觸后會發生劇烈反應，造成燃燒爆炸事故。基于上海消防研究所實驗的數據[4]，電池火焰的噴射距離最遠可達5 m，且燃燒的同時伴有大量噴射物噴濺，其火焰溫度最高可達916℃。考慮到密閉空間具有空間封閉、狹小等特點，一旦發生火災會造成交通堵塞。新能源電動汽車一旦燃燒，極易引燃周邊車輛，且其內部的鋰金屬會加大火勢甚至引起爆炸。且其火焰溫度遠高于常規汽油的燃燒溫度（400℃），會嚴重損壞密閉空間建筑結構，造成密閉空間拱頂和壁面坍塌，增大火災救援阻力。

2）產生大量有毒有害氣體

動力電池熱失控后會產生苯、甲苯、苯乙烯、聯苯、丙烯醛、一氧化碳、硫化碳酰、氟化氫等物質，這些物質均對人體有害，威脅被困人員和消防人員的生命健康安全。

3）觸電危險

由于電動汽車的動力來源為電池，其供電系統包括100～360 V直流電和高達650 V的交流電[10]（品牌不同數值略有差異），遠高于人體安全電壓36 V，救援過程中易出現觸電事故。

4）火焰易復燃，滅火難度大

根據美國消防研究基金會組織開展的動力電池組滅火實驗數據表明[4]，電池組通常會在6～49 min內被撲滅，但在22小時后會發生復燃，其滅火時間均高于1小時。由于現階段電動汽車消防技術起步較晚，在明火熄滅后，若電池溫度仍較高，其內部將一直處于熱失控狀態，進而造成二次事故。

2 新能源電動汽車密閉空間內火災消防系統設計

新能源電動汽車在城市公路密閉空間車流量中的占比逐年攀升，相比傳統汽車，新能源電動汽車的火災危險性要更大。密閉空間的消防系統主要包括密閉空間滅火設施和火災監測及報警系統組成[11]，《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974-2014）[12]、《建筑設計防火規范》（GB50016-2014(2018年版)）[13]、《建筑滅火器配置設計規范》（GB 50140-2005）[14]等國內現行的標準規范明確指出設計建筑內的消防滅火設施時需要布置自動滅火系統、消火栓以及滅火器等設備。因此，結合前人的研究成果，提出針對新能源電動汽車火災的消防系統設計方案，并通過FDS數值模擬進行驗證。同時針對新能源電動汽車火災特點，對其在密閉空間內的火災監測及報警系統設置提出相應的建議。

2.1 密閉空間火災模型構建

（1）模型參數設置

模型密閉空間長度為100 m，斷面尺寸為9 m（寬）×4.5 m（高)。在密閉空間頂板下方隔一定間距布設噴淋頭。密閉空間兩端洞口與外界環境相通，采用自然通風方式，邊界屬性設置為“OPEN”。環境溫度設置為20℃，密閉空間墻體為混凝土材質。沿密閉空間中心線每隔1 m設置溫度測點和CO質量分數測點，兩類測點位置重合且均處于密閉空間頂板下方0.25 m處；距密閉空間地板2 m高度處，沿中心線每隔1m設置能見度測點，用于測量密閉空間內的能見度變化情況。測點布置及密閉空間結構尺寸如圖4所示。

參照前人的研究成果[7]，自動噴水滅火系統的動作溫度設置為68℃，動作時間設定主要是依據新能源汽車的動力電池組火災類型來確定，由于其屬于t2火模型，在40 s后達到穩定發展階段，因此為實現最大滅火降溫效果，因此噴水滅火系統的動作時間設定為40 s。噴頭出水流量統一設置為60（L/min）。

圖4 密閉空間模型結構及測點設置

1）火源設置

采用FDS6.5對電動大巴車在密閉空間的火災場景進行模擬計算。新能源電動汽車的動力來源為鋰離子電池，因此將新能源電動汽車內部鋰電池組作為火源。模擬火源的參照對象為電動大巴車，火源尺寸為10 m（長）×2.5 m（寬）。由于新能源汽車的動力電池組大多設置在車輛底盤，因此為減少火源高度對模擬結果所產生的影響，火源緊貼地面放置。參考前人的研究[15-17]，電動大巴車一般采用三元鋰電池串并聯的方式組成電池組，需要采用8個電池串聯為1個小組，6個小組并聯為整個電池模組，8個模組構成整個系統，所需要的電池數量為384個。單節鋰電池的熱釋放速率為31.5 kW，則整個鋰電池組的熱釋放速率可達到10000 kW?；鹪搭愋驮O置為t2火，0～40 s期間為火災增長期，熱釋放速率逐漸增大，其后為穩定燃燒期。

2）網格尺寸

網格尺寸與火源特征直徑D*有關，當網格尺寸d取1/16D*～1/4D*時有較高精度[18]。本文火源功率為10000kW，通過計算得到D*分別為2.41 m，則網格尺寸位于0.15～0.60 m。為使模擬結果與真實情況接近，更為可靠，區域網格統一選取為0.25 m（縱向X軸）×0.25 m（橫向Y軸）×0.25 m（豎向Z軸）。

2.2 密閉空間自動滅火系統設計

1）自動滅火系統

圖5和圖6分別為無噴淋系統、布設水噴淋和布設泡沫-水噴淋系統的密閉空間內溫度和沿程密閉空間CO質量分數變化情況，其中水噴淋和泡沫-水噴淋系統使用的噴頭出水流量均為60（L/min）。從圖6中可以看出，無水噴淋、水噴淋和泡沫-水噴淋系統條件下，火源（密閉空間中心處）最高溫度分別為397℃、389℃和353℃，這表明泡沫-水噴淋系統對于鋰電池火源的滅火和降溫效果較為明顯；此外，在遠離火源的區域內，相同位置處布設泡沫-水噴淋系統的密閉空間內溫度更低，可以降低高溫對人體的傷害，有利于人員疏散。

圖5 密閉空間內溫度分布圖

從圖6中可以看出，三者中布設泡沫-水噴淋系統的密閉空間內CO質量分數最低，而布設水噴淋系統的CO質量分數最高，這表明使用水噴淋系統易導致CO的生成量增大，而采用泡沫-水噴淋系統則在一定程度上抑制CO有害氣體的生成量。

圖6 密閉空間內能見度分布圖

針對公路密閉空間內所發生的不同類型火災，國內外部分研究機構開展了實體火災試驗[19]，分別對水噴淋、泡沫-水噴淋和泡沫-水噴霧等自動滅火系統的滅火效果、降溫冷卻效果和施工復雜程度進行定性評價，相關試驗概況和評價結果如表1所示：

表1 國內外火災試驗概況及滅火效能評價

考慮到密閉空間內車輛種類繁多，電動汽車引發的火災往往是一種混合火災（即Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ類火災可能同時存在）。針對上述混合火災特點，水噴淋系統、泡沫-水噴淋滅火系統以及泡沫-水噴霧滅火系統是現行主要使用的滅火藥劑。相關研究表明[20]：當泡沫-水噴淋滅火系統工作時，前期噴放泡沫混合液能迅速控制和撲滅初期火災，后期通過持續噴水能起到冷卻降溫、控制火災的作用。對于密閉空間內發生概率較大的Ａ、Ｂ類型火災，泡沫—水噴淋系統滅火效力更好，在迅速撲滅火災的同時大大減少熱輻射。另外，廣東省標準《電動汽車充電基礎設施建設技術規程》（DBJ/T15-150-2018）[21]也明確指出同時停放傳統化石燃料汽車和電動汽車的地下停車場的自動滅火系統應采用泡沫-水噴淋系統。因此，通過綜合比對數值模擬結果、前人試驗成果以及現行標準規范，可以發現密閉空間內布設泡沫-水噴淋滅火系統的滅火降溫效能相對更好，且性價比更高。

2）泡沫-水噴淋系統合理間距設計

對于新能源電動汽車火災，噴頭的間距設置將直接影響到滅火效果和工程造價。但目前尚未有關于密閉空間內噴頭間距設計的標準規范，因此結合前人的研究成果，通過數值模擬探究不同噴頭間距對密閉空間新能源電動汽車火災參數的影響。

圖7和圖8為不同噴頭間距下的密閉空間溫度和能見度分布情況。可以看出，當噴頭間的間距大于3.5 m時，密閉空間內同一位置處的溫度越高，如圖7中圓圈標注所示。對于能見度而言，噴頭間距為5 m和7 m時，能見度稍高于其余幾組工況，但是其動性較大，這表明密閉空間內煙氣流動比較紊亂，不利于進行人員疏散。因此，綜合密閉空間溫度和能見度變化情況，可以發現對于泡沫-水噴淋系統，噴頭間距設置成3.5 m降溫效能較明顯，性價比更高。

圖7 密閉空間內溫度分布

圖8 密閉空間內能見度分布

2.3 密閉空間新能源電動汽車火災報警設施

考慮到新能源電動汽車火災蔓延趨勢更快，在火災自動報警系統探測器的選型上，若單純地采用線型感溫電纜自啟動滅火裝置，聯動系統存在一定的滯后性，參照《火災自動報警設計規范》（GB 50116-2013）[22]要求，建議采用“線型感溫電纜+火焰探測器”組合，提高聯動系統動作的可靠性。

在消防管理措施方面，建議增加消防砂儲備。一方面消防砂可以起到覆蓋窒息滅火的作用；另一方面當新能源汽車動力電池熱失控后，大量高溫黏稠的電解液會從安全閥處溢出，此時消防砂還可以用于電解液的吸附和阻截，遏制火場范圍擴大。

基于新能源電動汽車的火災特點，確定公路密閉空間消防系統的設計方案。由于公路密閉空間內部的車流量更大，火災危險性明顯高于其他種類的密閉空間，建議滅火設施采用自動滅火系統+消火栓系統+滅火器系統；其次建議密閉空間運營管理方設置新能源電動汽車火災報警系統，及時監測火場情況；同時增加消防砂儲備，起到控制火場規模作用，設計方案具體內容如表2所示。

表2 密閉空間新能源電動汽車火災的消防系統設計方案

3 結語

隨著新能源電動汽車車流密度的增大，新能源電動汽車在密閉空間（隧道）中的發生電力系統故障、機械撞擊、自燃等各種原因造成的密閉空間火災事故概率將會大幅度提高，密閉空間火災危險性也將隨之上升。

1）本文從新能源電動汽車火災事故統計數據入手，分析并總結了我國密閉空間新能源電動汽車火災特點。

2）參考已有的標準規范和新能源電動汽車火災研究成果，利用火災模擬軟件（FDS）建立密閉空間新能源電動汽車火災模型對消防系統的設計參數進行模擬計算，對密閉空間消防系統設計提出了相應的改進建議。

3）本研究對船用鋰電池密閉空間內消防管理具有指導意義。

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Research on fire characteristics and safety management fire-fighting system design of Lithium-ion battery vehicles in the enclosure fire

SuiXin1, LiuFei1, Zhou Biao2

(1. Wuhan marine electric propulsion research institute, Wuhan 43000, China; 2. College of emergency management and safety engineering,china university of mining and technology (Beijing),Beijing 100083, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0005-06

2022-02-15

隋鑫（1987-），男，高級工程師。研究方向：鋰電池安全。E-mail：svensui@hotmail.com