純電動SUV汽車火災數值模擬分析

郭琦琳，陶亮宇，馬哲樹，顧永明，王鈺婷

（南京林業大學汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037）

隨著鋰離子電池技術的快速發展，電動汽車顯著改變了汽車工業[1]。然而，電動汽車的火災越來越頻繁。汽車電池包的熱失控是導致火災事故的重要原因[2-3]，當發生過熱、過充放電、刺破、擠壓、碰撞等情況，就可能導致電池包的熱失控[4]。該類型火災燃燒速度快、持續時間長、溫度高并釋放大量有毒有害煙霧[5-6]，造成了極大的人員傷害和財產損失。

為探究電動汽車整車燃燒火災特性，學者們開展了大量研究。Cui等[6]以動力電池組為起火源，研究了插電式混合動力轎車和SUV底盤的火焰蔓延規律。同時，對兩個平行放置的電動汽車的火災演化過程和特性進行探究，確定了噴射火的長度和持續時間的最大值，提出了量化火災演化速率的實用方法[7]。王杰等[8]搭建了全尺寸地下車庫電動汽車火災試驗平臺，探究電動汽車熱失控發展過程的不同特點。Hynynen 等[9]對傳統燃油轎車及電動轎車燃燒時的熱釋放速率及釋放的有毒氣體進行了對比。朱難難等[10]開展全尺寸電動轎車整車燃燒試驗，探究電池包產生的噴射火及溫度與輻射熱流曲線變化規律。由于整車火災實驗構造困難、成本較高且危險性較大，火災模擬軟件被應用于車輛火災的研究中，為大尺寸火災數值模擬探索了新的途徑。Brzezinska等[11]使用FDS軟件對停車場場景中電動汽車火災期間的煙霧擴散和溫度分布進行預測。Dorsz等[12]使用CFD模擬對電動汽車和傳統內燃機乘用車的火災特性進行比較，并估算了地下車庫或公路隧道等封閉結構對人員和財產安全的影響。此外，一些電動汽車的火災風險已經通過進行電池模組或電池系統等熱失控及煙氣研究進行了外推[13-15]。

基于以上研究，火災數值模擬對汽車火災模擬是有效和科學的。熱釋放速率峰值和總熱釋放量受火災場景和車型的影響顯著[6]，目前大多數整車研究都是基于轎車，對SUV 電動汽車研究較少，同時研究集中在電池模組/電池包的燃燒特性分析上，忽視了其他車內可燃物對熱傳遞的影響。因此，本工作選取某SUV 純電動汽車進行整車火災數值模擬及火災事故的理論復現，通過分析仿真結果，探究整車火災的燃燒特性，為整車火災數值模擬和乘車人員安全提供參考。

1 火災數值模擬

1.1 火災數值模擬

本工作基于大渦模擬方法，將研究的空間劃分成若干個假設物理參數相同的控制單元。公式(1)～(5)為描述火災過程流動、傳熱和燃燒化學等現象的偏微分方程組，與實際火災問題的邊界條件和初始條件相結合，進而借助CFD 方法求解所得的就是特定火災問題的特解。

式中，ρ為氣體密度；V為速度矢量，V=(u,v,w)；t為仿真時間。

式中，p為壓力；g為重力加速度；τ為黏性應力張量。

式中，h為比焓；q?'''為體積熱源；q為輻射熱通量矢量；Φ為耗散函數。

式中，Yi為組分i的質量分數；Di為組分i的擴散系數；m?i'''為單位體積內組分的生成率或消散率。

式中，T為氣體溫度；R為通用氣體常數，R=8.314 J/(mol?K)；M為氣體分子量，kg/mol；Mi為組分i的分子量。

1.2 定義邊界條件

本工作模擬中，定義初始環境溫度為20 ℃作為第三類邊界條件。屬性為OPEN，熱量能在模型內部與環境空氣之間進行傳遞以適應電動汽車實際火災情況。

1.3 網格劃分

采用數值方法求解控制方程時，需將控制方程在空間區域上進行離散，然后求解得到離散方程組。要想在空間域上離散控制方程，必須使用網格。特征火焰直徑D*采用下式計算：

式中，Q為火源熱釋放速率；g為重力加速度，取g=9.81 m/s2；ρ∞為空氣密度，取ρ∞=1.2 kg/m3;T∞為環境空氣溫度，取T∞=293 K；cp為空氣比熱容，溫度為293 K時對應的cp為1016 J/(kg?K)。

1.4 燃燒模型

燃燒模型一般分為混合控制燃燒模型和有限燃燒控制模型。混合分數模型需要指定一個單一等效燃燒物(由C、H、O、N元素構成)與氧氣發生氣相反應生成CO2、H2O、CO 和煙塵，但此方法需要明確可燃物等效燃燒物的各原子數量比，并給定各個產物的產出率。而有限燃燒控制模型是通過直接定義等效燃燒物的單位面積熱釋放速率和熱參數，系統直接根據具體物體表面的幾何信息得出相應的燃燒模型，適用于電池包與整車火災模擬這種反應過程復雜的燃燒模擬。

2 整車火災模型的建立

2.1 火災案例選取

2.1.1 案例選取依據

導致動力電池發生火災并引發熱失控的原因包括機械濫用(如由針刺或擠壓引起的分離器變形和斷裂[16])、電濫用(如隔膜可被樹枝晶刺穿)、熱濫用(極端高溫導致具有大量ISC 的分離器收縮和坍塌)及外部因素。內部短路是所有濫用條件中最常見的特征[17]，幾乎所有的濫用條件都伴隨著內部短路現象的出現。

電池熱管理系統(BMS)良好的條件下，熱濫用情況發生較少，而汽車在發生碰撞時，可能造成車輛動力系統不同程度的三種濫用并引發熱失控[18]。因此，本工作選取由碰撞導致動力電池內部短路引發的純電動SUV整車火災案例作為研究。

2.1.2 火災案例

某純電動SUV 汽車在維修點進行前擋風玻璃更換和前保險杠維修，靜置時發生自燃。該車在送修前發生了底盤托底，動力電池包左后部外殼與冷卻板大面積變形，進而導致變形部位的冷卻板失效。但由于此次撞擊沒有刺穿電池包底板，冷卻液泄漏和電池絕緣降低的情況未被檢測出，電池包內部結構經過長時間的變形擠壓造成電池短路，最終引發火情。起火時首先產生一段時間的白色煙氣，隨后煙氣顏色變成黑色，火焰由底盤向周圍噴出并引燃駕駛室內可燃物，最終車輛前部燒毀嚴重，而車輛后部尤其是后輪，其損毀程度遠不及前輪。

2.2 仿真模型參數及搭建

2.2.1 整車模型

為了盡可能貼近實車情況，在模型方面參考SUV 白車身CAD，如圖1 所示，簡化相關部件以適應仿真軟件的需要，簡化模型如圖2所示。整車車身尺寸為5022 mm×1962 mm×1756 mm，由于實際火災伴隨多種可燃物燃燒，為了可能貼近實際，車內可燃物由多種材料定義，主要可燃物為動力電池、座椅、門板內飾、輪胎等，整車模型所搭載的電池包為方形硬殼三元鋰電池，外形尺寸為149 mm×40 mm×98 mm。電池包由32 塊電池模組，192塊電芯經過串并聯而成。

圖1 SUV 整車白車身模型Fig.1 SUV body in white model

圖2 SUV 簡化模型Fig.2 SUV simplified model

鋰離子電池單體由正極、負極、電解質、隔離膜、集流體、外殼等構成，不同材料成分和燃燒特性復雜，因此電池部分僅選取其主要成分——電解質作為電池燃燒的等效替代燃燒物。各材料參數如表1所示。

表1 主要可燃物及其參數Table 1 Main combustibles and their parameters

2.2.2 網格劃分

建立六組密度不同的網格以兼顧仿真精確程度和運算消耗時間。在Mesh1 中，考慮到包括電池在內的大部分可燃物的燃燒發生在車身中部，燃燒過程復雜，網格精度設定為通過公式(6)計算得到的最小網格尺寸，為0.05 m；在Mesh2 與Mesh3中，這兩部分空間主要覆蓋車身的前、后動力艙，其中設定的可燃物較為單一，燃燒工況相對簡單，且這兩部分區域著重考察溫度擴散和煙氣擴散的情況，出于簡化計算的考慮，將其精度減半為0.1 m；Mesh4、Mesh5 及Mesh6 只覆蓋車身上方的空氣空間，僅考察整車失火時的煙氣蔓延的情況，網格內無可燃物設置，因此網格劃分密度最低，劃分精度只為Mesh1的四分之一，為0.2 m。

2.2.3 點火源與整車模型建立

一塊單位面積熱釋放速率為1535.82 kW/m2的單體電池[21]點燃了SUV汽車電池包并將火災蔓延至整車。對電池單體進行數值模擬，其熱釋放速率與實驗所得數據對比如圖3所示，結果表明，所采用的鋰離子電池單體模型是有效的，可用于下一步整車火災模擬。

圖3 電池單體燃燒HRR對比圖Fig.3 Comparison of combustion HRR of battery cells

通過以上各項參數可以重建該車輛的模型。整車模型搭建過程如圖4所示，其中紅色塊電池模組為火源位置。包含網格劃分的整車模型如圖5所示。

圖4 電池包與整車模型匹配過程Fig.4 Battery pack and vehicle model matching process

圖5 包含網格劃分的整車模型Fig.5 Complete vehicle model with mesh division

2.3 輸出參數觀測設備

溫度觀測設備能準確清晰地體現出整車火災中各部位的溫度分布。為掌握整車火災數值模擬的情況，實驗過程中共安裝了5個熱電偶裝置以及控制車窗破碎的2個熱感裝置，其具體位置如表2所示。分別在車廂及前動力艙和車廂及后動力艙中間設置2D 切片，利用Smokeview 直觀展現車內火災的動態分布；設置一個X=0 的YZ的平面溫度切片，用以比較車內不同位置的溫度差異和不同時間段的火災蔓延情況。

表2 溫度觀測設備位置坐標Table 2 Temperature observation equipment location coordinates

3 結果與分析

3.1 整車燃燒進程分析

火災的熱釋放速率是描述火災規模的重要參數之一[22]。SUV整車燃燒仿真產生的熱釋放速率曲線如圖6所示，其峰值熱釋放速率為5100 kW，屬于電動汽車熱釋放速率峰值范圍4200～6900 kW[1]。

圖6 整車燃燒仿真HRR隨時間變化圖Fig.6 HRR diagram of vehicle combustion simulation over time

數值模擬生成的不同階段整車火焰、煙氣與實際情況對比如圖7所示，由于前兩個階段煙氣差別不大，因此為更直觀地觀測火焰蔓延情況，前兩個階段隱藏煙氣效果，只展示火焰效果。對比發現，本研究采用的模型和方法能較為真實地反映實際火災燃燒情況，且火焰蔓延方向大概為車前部—車中部—車后部。

圖7 整車燃燒仿真示意圖與實車對比Fig.7 Simulation diagram of vehicle combustion compared with real vehicle

結合圖6 和圖7 變化可以分析出，此次仿真結果呈現出三個階段：

第一階段(HRR 0～60 s)電池包內熱擴散。當單個電芯發生熱失控后，聚集的熱量會迅速使周圍電池包發生熱失控，電池包局部起火加劇，火焰從裂紋中冒出。約10 s后，電池包內部起火加劇，電池包產生明火。由于受到電池包的結構限制，此時的熱量不能有效地向上傳播，燃燒伴隨的大量煙氣經過車內動力艙從車輪處向外排出，隨著電池包內的溫度進一步升高，加速了整個電池包熱失控的傳播并緩慢向上蔓延，第35 s 時，汽車前部有火苗躥出。

第二階段(HRR 60～120 s)車廂內可燃物燃燒。當電池包熱失控傳播到外圍電池進一步引發了熱失控時，其火焰與熱量將會把車廂地板、車門內覆蓋件等可燃物點燃，從而引發車廂內可燃物的燃燒，觀察發現，相比于車廂底部，火焰通過車頂的傳播速度更快。煙氣積聚在整車模型頂部，并緩慢覆蓋整車，阻礙了火災的觀測，但車輛后動力艙的火焰十分顯著。在70 s時，由于持續高溫烘烤，玻璃溫度升高，汽車車窗被高溫震碎，煙霧冒出窗外，同時大量外界空氣進入車廂參與并加劇車內可燃物的燃燒。

第三階段(HRR 120～150 s)整車全面燃燒。隨著車廂內的可燃物被點著，火災進一步向動力艙蔓延。由于此次仿真中未對動力艙的結構進行設計，所以動力艙空間內的含氧量充足，動力艙內燃燒更加充分且劇烈。

3.2 整車燃燒進程火焰傳播分析

圖8所示為不同時間段火焰及煙氣的狀態，用于精準分析火災的蔓延趨勢。電芯著火后，由于熱失控現象，在5 s 內產生明火，小范圍的電池燃燒經過30 s左右轉化為電池包的大范圍燃燒并伴隨大量的黑煙冒出。經過火焰的向上傳播，第90 s，火焰從前左右側車輪、引擎蓋的縫隙及破碎的車窗中冒出，汽車前部幾乎被火焰覆蓋。空氣進一步加速了燃燒過程，之后火焰向后方蔓延直至整車燃燒。由此可見，由于起火電池位于動力電池包左上部位(底盤前部)，電池包起火后的熱傳播向前蔓延的速度大于向后蔓延的速度，此結論也在溫度切片中得到了體現，火災不同階段車輛前部、中部及后部溫度切片如圖9所示。由于電池模組為點火源，周圍溫度最高，前兩個階段汽車后部的溫度還不足400 ℃，隨著燃燒的加劇后部溫度才逐漸升高，而汽車前部分的溫度在一開始就到達了400 ℃左右，明顯高于汽車后部的溫度，但汽車后部在火災后期溫度切片所顯示的色塊對應溫度顯著升高。總的來說，整車燒損存在底部重、兩頭重、中間輕的情況，這與實際案例情況相符(滅火后汽車前部損毀程度略大于后部)。

圖8 不同時間段火焰及煙氣的狀態Fig.8 State of flame and smoke at different time periods

圖9 不同階段Y方向溫度切片示意圖Fig.9 Diagram of temperature slices in Y direction at different stages

圖10所示為4個經典位置的溫度變化情況，這些溫度的分布規律與SUV 整車火災實驗的溫度分布吻合[6]，對這些溫度變化進行如下分析。

圖10 車輛不同區域內溫度變化圖Fig.10 Temperature variations in different areas of the vehicle

（1）電池溫度變化。在0～40 s 內，點火后溫度迅速升高，電池包的內部開始出現熱失控傳播，但此時溫度趨勢是不連續且發生波動的，這是由于裂縫中出現了火焰。此時電芯組處于陰燃狀態，燃燒溫度在400～500℃范圍。隨后在40～50 s 之間，所測電芯組進一步轉為爆燃狀態，溫度圖像急劇上升，燃燒溫度迅速達到900℃。然后，在50～70 s之間，測溫點所檢測的電芯組以及其附近的電芯組逐漸平息，溫度開始下降。最后，在70～150 s 內，持續的高溫使得車窗玻璃破裂，外界氣體涌入車內，車內可燃物開始燃燒，所測點的溫度略微上升，并最終穩定在700～800 ℃。

（2）車廂溫度變化。0～70 s 之間，由于底盤電池熱失控的溫度傳導，車內溫度逐漸上升。接著，在70～110 s 之間，隨著車窗玻璃的破裂和外界氣體進入車廂，車內可燃物開始燃燒，此階段也成為回燃階段，所測溫度急劇上升，最終達到約800 ℃。然后，在110～120 s 內，前排測點附近的可燃物被燃燒殆盡，溫度下降至300 ℃左右，同時車內火焰開始蔓延到后排。最后，在120～150 s之間，后排可燃物陸續燃燒，車內溫度再次上升。

（3）動力艙溫度變化。由于熱失控觸發位置靠近車身前部，整體車輛火災蔓延呈現由前至后的趨勢。對于前部動力艙，0～80 s 之間，受底盤電池熱失控的影響，火焰從電池包上方的間隙蔓延，動力艙內的溫度趨勢與電池包前部燃燒烈度趨勢一致。在此期間，高溫使得動力艙內的電氣設備和管線被引燃，溫度甚至達到650 ℃。然后，在80～150 s內，隨著電池包前部電芯組的燃燒逐漸平息，火焰和熱量減少，動力艙內的溫度逐漸下降。對于后部動力艙，0～150 s 內，檢測點溫度持續上升；在130 s 后，后部動力艙的溫度超過前部，上升速率進一步加快。對比前后動力艙溫度與車廂溫度，0～65 s 內，動力艙溫度一直高于車廂內溫度，火焰向動力艙蔓延速度快于向車廂蔓延速度。

3.3 駕駛艙煙霧分析

圖11 所示為駕駛員位置的感煙探測器檢測到的煙氣濃度變化曲線，根據圖像，大約在火災發生后的15 s，煙氣開始進入乘員艙，短短5 s 內，煙氣濃度就達到了60%，整個乘員艙在25 s 左右就被煙氣完全覆蓋。

圖11 駕駛員位置煙感濃度曲線圖Fig.11 Smoke concentration curve for driver position

結合前文分析，隨著電池熱失控程度的擴大，大量煙氣會通過車身的空隙、底板工藝孔或通孔進入乘員艙。當火災達到40 s 時，車窗玻璃尚未破裂，此時乘員艙仍處于封閉狀態。這對于車內乘員的逃生非常不利。盡管在70 s 時，車窗玻璃爆裂，但由于更多氧氣進入車廂，車內可燃物的燃燒加劇，導致車廂內煙氣濃度繼續上升。火災剛發生時，由于地板總成結構的原因，煙氣不會立即蔓延至車艙，一旦當煙氣通過縫隙進入車艙蔓延，其擴散可以在短時間內達到危險濃度。這些分析結果強調了電池熱失控時的安全隱患。火災蔓延導致煙氣在相對短的時間內進入乘員艙，不僅妨礙了乘員的視線和呼吸，還可能造成逃生困難。因此，要避免此類事件發生，乘車人員應在火災發生的第一時間棄車。

4 結 論

本工作基于現有試驗結果及實際SUV 電動汽車火災案例和數據開展數值模擬研究，構建了電池及整車火災模型，對整車燃燒進程、火焰傳播、熱釋放速率、車內不同位置溫度變化以及駕駛員位置煙霧進行了詳細分析。結果表明：

（1）由電池包引發的整車火災蔓延呈現明顯的階段分化，分為電池包內熱擴散、車廂內可燃物燃燒及整車全面燃燒三個階段。70 s之前，火焰依賴電池包的熱失控及車內可燃物進行燃燒與熱傳遞，70 s之后，由于持續高溫烘烤，汽車車窗被高溫震碎，大量外界空氣進入車廂參與并加劇車內可燃物的燃燒。

（2）在本工作模擬中，火焰蔓延方向是電池包底盤—前動力艙—后動力艙—整車，電池、車廂、前動力艙及后動力艙在燃燒中達到的最高溫度分別為900 ℃、830 ℃、650 ℃及400 ℃。

（3）電池燃燒伴隨的煙氣會在短時間內通過車身空隙進入車廂，乘員艙內煙霧濃度迅速升高，在40 s內覆蓋率達到100%，危害乘員生命安全。

綜上所述，此次仿真有效反映了由動力電池熱失控引發的SUV 整車火災真實情況，有助于深入認識電動汽車熱危險性，為人員逃生及消防提供參考。