基于火災事故樹的新能源汽車實驗室管理探究

摘要：新能源汽車市場蓬勃發展，各高校相繼設立新能源汽車相關專業并大力建設鋰電池實驗室，因此火災安全管理工作也須同步更新。首先，通過搭建鋰電池過充試驗臺進行過充電試驗，記錄并分析鋰電池熱失控現象及發展規律。其次，結合試驗結果利用事故樹分析法得到引發鋰電池實驗室火災事故的底事件。最后，根據事故樹分析結論對高校新能源汽車實驗室建設及管理工作提出建議。

關鍵詞：新能源汽車；鋰電池熱失控火災；事故樹

中圖分類號：F407""""""""" 文獻標志碼：A

我國新能源汽車產業在國家政策支持下蓬勃發展，為順應行業發展趨勢，各高校設立“新能源汽車工程”專業，并大力新建以電池、電機和電控三電系統為主的新能源汽車實驗室。其中，汽車動力電池因化學活性強、儲存能量高的特點使新能源汽車實驗室比傳統的燃油車實驗室的火災風險系數大大增加[1]。本文擬在鋰電池熱失控火災試驗的基礎上總結試驗現象，運用事故樹分析法，找到制造、使用、存放、搬運過程中真正誘發電池熱失控事故的直接或潛在因素，并將其運用到實驗室建設和管理工作中，提高鋰電池實驗室的安全系數。

1鋰電池熱失控火災過程分析

1.1試驗準備

車用電池單體按照正極材料不同分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩種。三元鋰電池由于比能量高、倍率充電性能好等優勢，因此可以使乘用車獲得較好的續航里程和快充性能，從而得到廣泛應用[2]。本文將某車用三元軟包鋰電池單體作為試驗對象，額定容量為12Ah，三維尺寸為130mm×68mm×13mm（L×B×H）。

試驗對SOC為100%的電池樣本進行1C倍率（12A）持續恒流過充電，直至電池起火燃燒，并監測整個過程中的電池電壓和表面溫度的變化，觀察過充電火災行為特點[3]。其中，將電壓傳感器布置在電池極耳處，溫度測點布置如圖1所示。

1.2試驗過程記錄及現象總結

當過充電約1200s時，電池開始出現鼓包現象，隨著時間推移至2000s左右，電池鼓包現象逐漸明顯，但尚未破壞外表結構，直至過充3500s左右，電池周圍開始出現肉眼可見的煙霧現象，約3550s時，電池釋放大量濃煙并噴射固體物質，緊接著，約3660s時，電池開始出現明火火焰，并在3700s左右劇烈燃燒，燃燒過程持續至3850s左右，火勢開始平緩并逐漸變小，最終約5400s時，燃燒過程結束。電池周邊有明顯的黑色燃燒殘留物。試驗過程截取關鍵節點圖片如圖2所示。

1.3鋰電池熱失控電壓及溫度特征分析

通過溫度傳感器及電壓記錄的數據，可以將整個熱失控分為6個階段[1，4]，階段Ⅰ燃燒時長約為0s～1800s，這個階段樣本電池無明顯變化；階段Ⅵ燃燒時長約為3770s后，這個階段火災基本平息，樣品無明顯變化。因此重點對中間4個階段進行分析。

通過得到的溫度、電壓等數據分析可將電池熱失控過程劃分為以下4個階段。

階段Ⅱ：火災醞釀（約1800s～3540s）。電池兩端電壓繼續平穩升至4.9V左右，電池表面溫度上升較快，測點最高溫度達到102.2℃，過充約3540s時鼓包量達到最大，電池兩端電壓急速下降，各測點溫度升高速率明顯變快，如圖2（b）、圖2（c）所示。

階段Ⅲ：火災陰燃（約3540s～3600s）。各測點溫度和電池兩端電壓均快速升高，并在過充至3600s左右突然升到最大值10.21V，隨后又突然快速降至4.7V，電池劇烈冒煙并火星四濺，但尚無明火出現，如圖2（d）所示。

階段Ⅳ：火災爆燃（約3600s～3660s）。期間電池兩側開始出現射流火并劇烈燃燒，各測點溫度急劇上升，過充至3660s左右，最高溫度達到877℃，電壓突然驟降至0V，現象如圖2（e）所示。

階段Ⅴ：火災持續（3660s～3770s）。期間明火持續燃燒，與爆燃階段現象不同，火災持續階段火焰較為平穩。由于內部結構破壞電池電壓依舊保持為0V，因此各測點溫度緩慢降低，期間由于噴射火焰炙烤作用，因此電池底部側邊溫度測點（6#）最高溫度達到1208℃，現象如圖2（f）所示。

綜合上述分析，鋰電池從開始發生熱失控，到最終發生不可逆火災事故的表現為先脹氣，內部氣壓升高，達到泄壓閥臨界后開始破壞外部結構，出現冒煙、噴射大量化學物質并最終出現明火。為展示效果，僅保留上3#、下6#、中央8#、左中7#4個傳感器數據，試驗過程的電池各測點溫度及兩端電壓如圖3所示。

2電池熱失控火災事故樹分析

2.1事故樹分析法

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是安全系統工程的重要分析方法之一，在該方法中，將分析元素定義為事件，其中，將最終的結果定義為“頂上事件T”，它是整個分析的目標對象，將導致“頂上事件”發生且可以進一步分割的事件定義為“中間事件Mi（i=1，2，3，... ）”，與中間事件有因果關系且不能或不需要進一步分割的事件稱為“底層事件Xi（i=1，2，3，... ）”，通過對應的連接符號連接各事件間存在的邏輯關系。通過邏輯分析，可以進一步分析各事件的直接原因或潛在原因[5]。

2.2鋰電池火災事故成因分析

基于火三角原理，造成火災須具備3個條件：可燃物、助燃劑（氧氣）和一定能量的點火源。

物品擺放不合理或實驗室選址不合理可能會導致可燃物集中，最終造成嚴重火災事故，因此鋰電池實驗室內部或周邊存在易燃物是最終造成火災事故的原因之一。

鋰電池熱失控釋放的大量熱量是引發火災最重要的點火源，誘發鋰電池熱失控的濫用工況又可以細分為機械濫用、電濫用和熱濫用[3，4]。其中機械濫用是指電池受到不恰當的機械外力擠壓或穿刺導致內短路，電濫用是指不恰當的過充電和過放電以及電池外部短路導致內短路，熱濫用是指鋰電池接觸外部熱源導致局部過熱從而誘發內短路。

傳統火災傳感器或傳感器安裝位置不合理以及傳感器未定期校準導致失效，可能使消防系統不能及時識別早期熱失控火情，滅火系統失效或滅火劑不合適也會導致火災。

2.3鋰電池實驗室火災事故樹繪制

結合上述鋰電池熱失控火災致因分析，并結合真實事故統計分析，得到新能源汽車實驗室鋰電池熱控制火災事故樹。將鋰離子電池實驗室火災作為頂層事件T，造成該火災事故的成因包括電池發生熱失控為M1、周圍存在易燃物M2和熱失控火情未及時撲滅M3等8個中間事件，而造成電池熱失控又包括機械濫用、電濫用或熱濫用多種情況，繼續分析又包括高處跌落、重物擠壓變形等14個底事件，綜合上述分析最終得到鋰電池實驗室火災事故的事故樹分析圖，如圖4所示。

3新能源汽車實驗室安全管理措施

針對鋰離子電池實驗室火災事故分析得到的事故樹底事件，在實驗室建設和管理中，應從隔絕可燃物、避免電池濫用和配備合理的消防措施3個層面進行加強和特殊處理。

3.1隔絕易燃物

鋰電池熱失一旦發生便會迅速蔓延，為避免火情進一步擴散，鋰電池實驗室應盡可能隔絕一切潛在可燃物，具體體現在以下2個維度。1）獨立選址：鋰電池實驗室選址時應盡可能獨立，遠離含化學易燃易爆物的實驗室（例如材料實驗室等），以免引起連鎖反應擴大險情。2）物料分區分級放置：鋰電池周邊5m內不允許出現紙箱、棉織、木制、聚酯纖維等可燃物，鋰電池試驗材料要放置在專門的隔離區，并標注明顯標識。

3.2避免電池濫用

高校實驗室主要群體為學生，對鋰電池認知不足可能會因一些誤操作造成電池濫用，因此須從以下5個方面加強管理。1）制定詳細的試驗指導手冊：在實踐過程中，須制定詳盡的試驗指導書，且在試驗過程中每次至少一人監督，防止因誤操導致外短路或機械損傷，從而誘發熱失控。2）搬運及存放須注意：鋰電池搬運過程不可以暴力扔、砸，也應避免其他尖銳物體刺穿電池外殼導致機械濫用。鋰電池不可相互堆疊，避免下方電池被擠壓變形，也不可放置過高以免造成高處跌落。3）對充放電過程加強監督力度：須利用能定時斷電的智能插座給鋰電池充電，以保證不過充，無保護板的電池或試驗用自制電池充電過程須有專人看守，有任何異常要及時切斷電源。4）寒暑假存放要求：鋰電池最佳存放SOC為30%～70%，長期放置可能使電池過度自放電而誘發電濫用導致熱失控，3個月須充電一次，充至70%。5）控制熱源：鋰電池實驗室應避免一切高溫熱源，例如未熄滅的煙頭、空調外機、加熱設備等。實驗室內須配備溫度調節設備以保證鋰電池工作，并將其存放于-20℃～35℃的環境中。

3.3配備合理的消防措施

鋰電池火災與普通易燃物火災不同，滅火重點問題是及時帶走電池內部熱量，因此須從以下方面改進實驗室消防措施。1）合理配置火災傳感器：鋰電池發生熱失控早期會釋放大量CO2和H2氣體，在發生熱失控后會產生大量HF氣體。實驗室應在存放鋰電池周邊的適當位置配備對應氣體傳感器，以識別早期火災風險，并及時提醒管理員。2）配備恰當的滅火系統和設備：避免鋰電池熱失控和阻斷傳播的關鍵是及時降低電池表面及內部溫度，帶走熱量。現有研究表明，只有水基滅火器冷卻效果最好，但常規的水基滅火器有觸發短路風險，而細水霧滅火器因采用的純水，所以水霧直徑小無殘留，且兼具降溫滅火效果和絕緣性能。幾種常見滅火器對鋰電池熱失控后的滅火效果對比情況見表1。須將鋰電池實驗室的普通自動噴水滅火系統改為細水霧滅火系統，此外還需要配備移動式高壓細水霧滅火器，用來對局部小范圍熱失控進行人工滅火[6]。3）定期檢查校準消防系統：長期未使用的情況下，消防系統中的電子元器件和噴嘴等精密件可能會偶發性失效，因此為保證出現火情時系統能夠有效工作，應設置記錄卡，對消防系統進行定期檢查校準。

4結論

本文通過某方形軟包鋰離子電池過充電試驗，分析鋰電池熱失控規律，并利用事故樹分析法得到鋰電池實驗室火災事故樹，最終指導某高校新能源汽車鋰電池實驗室建設和管理工作，得到以下3個結論。1）鋰電池過充熱失控可分為6個階段，表現為發生產氣鼓包、出現冒煙、噴射大量化學物質并最終出現明火，期間溫度急劇升高和電壓急速下降，測點最高溫度達到1208℃。2）可將鋰電池實驗室火災事故拆解為機械濫用、存在易燃物等8個中間事件和14個底事件。3）新能源汽車鋰電池實驗室建設管理應從隔絕可燃物、避免電池濫用和配備合理的消防措施3方面入手，以提高火災安全系數。

參考文獻

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