純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池防火應(yīng)用方案

陳碧毅

（廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門361022）

純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池防火應(yīng)用方案

陳碧毅

（廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門361022）

介紹某款純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池防火安全的應(yīng)用方案。該方案通過(guò)安裝煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，電池箱專用滅火裝置，以及鋪設(shè)隔熱阻燃防火材料，可大幅提高純電動(dòng)城市客車的防火性能。

純電動(dòng)城市客車；動(dòng)力電池；防火措施

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車發(fā)展的大力支持，電動(dòng)汽車產(chǎn)銷數(shù)量快速增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快[1-2]?，F(xiàn)階段，電動(dòng)汽車主要以鋰離子電池作為動(dòng)力電池，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，鋰離子動(dòng)力電池的安全性已經(jīng)得到顯著的提高，但在極端條件下，鋰電池仍然存在燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)家、地方通過(guò)發(fā)布各項(xiàng)文件規(guī)范，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)動(dòng)力電池防火要求，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全[3-4]。本文結(jié)合某款大型純電動(dòng)城市客車，針對(duì)動(dòng)力電池的防火安全措施進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

1 動(dòng)力電池防火對(duì)策

1.1 動(dòng)力電池防火的必要性

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池主要為磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池[5]。汽車廠根據(jù)客戶的用車需求，以及動(dòng)力電池特性，選用合適的動(dòng)力電池類型。各種類的鋰離子電池燃燒特性不一樣，如三元鋰電池燃燒起來(lái)很激烈，甚至爆炸，磷酸鐵鋰電池相對(duì)比較溫和。設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)不同類型的鋰離子電池，設(shè)計(jì)合適的保護(hù)措施。

鋰離子動(dòng)力電池長(zhǎng)期使用后，內(nèi)部將逐漸堆積鋰金屬枝晶。當(dāng)電池遭受外力穿刺、擠壓、過(guò)充、過(guò)放、高溫、激烈震動(dòng)等極端惡劣條件時(shí)，鋰金屬枝晶可能刺穿多孔隔膜，使得電池內(nèi)部短路。由于鋰離子電池比能量高，短路后電池將急速釋放能量，導(dǎo)致內(nèi)部溫度上升。當(dāng)異常產(chǎn)熱速度高于電池的散熱速度時(shí)，電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，將導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸、燃燒。對(duì)于安全性能較差的電池，這個(gè)過(guò)程往往在數(shù)秒內(nèi)完成[6]，而且動(dòng)力電池正極材料的鋰離子化合物屬于易燃物，可與空氣中的氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致電池燃燒更加激烈。

純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池主要采用中部、后部地板下方、車輛后部單獨(dú)設(shè)計(jì)電池艙以及車輛地板下方、頂部混合等布置方式。不管動(dòng)力電池采用哪種布置方式，在發(fā)生緊急火災(zāi)事故時(shí)，乘客艙內(nèi)均無(wú)法直接觀察到動(dòng)力電池艙內(nèi)部火情。如果動(dòng)力電池艙發(fā)生火災(zāi)，將迅速引燃乘客艙，給乘客安全造成威脅。特別是電池布置在地板下方的車型，城市客車地板一般采用竹筋板，屬于易燃品，電池著火后，將快速引燃竹筋板，給乘員逃生造成困難。因此，采取適當(dāng)?shù)姆阑鸫胧?，可以有效減少火災(zāi)對(duì)車輛和人員的傷害。

1.2 動(dòng)力電池防火措施

目前汽車廠主要通過(guò)主動(dòng)安全和被動(dòng)安全來(lái)保證電池的防火安全。主動(dòng)安全是通過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)時(shí)監(jiān)控電池內(nèi)部的電壓、電流、溫度等參數(shù)[7]實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)超出設(shè)計(jì)值，BMS將相關(guān)信息發(fā)送給儀表，通過(guò)儀表發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)與地面充電樁、整車控制器通信，通過(guò)降低功率輸出、切斷高壓，實(shí)施有效的安全措施。被動(dòng)安全是通過(guò)安裝額外的裝置，確保電池發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警、滅火，防止火災(zāi)從電池蔓延到整車。如果滅火裝置無(wú)法對(duì)電池進(jìn)行完全滅火，也要通過(guò)報(bào)警裝置提醒乘員逃離、用阻燃防火材料延緩火災(zāi)蔓延時(shí)間。

本文所介紹的純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池防火應(yīng)用方案，采取的措施有電池箱安裝電池箱專用自動(dòng)滅火裝置；電池艙安裝車載煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)；電池艙內(nèi)壁安裝隔熱阻燃防火材料。

2 動(dòng)力電池防火應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

2.1 電池箱專用滅火裝置應(yīng)用方案

2.1.1 電池箱專用自動(dòng)滅火裝置工作原理

電池箱專用自動(dòng)滅火裝置控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池箱內(nèi)部的煙霧濃度、電芯溫度，當(dāng)煙霧濃度、電芯溫度超出設(shè)計(jì)值，系統(tǒng)判斷電池箱內(nèi)部著火后，滅火裝置將自動(dòng)或提醒駕駛員對(duì)電池箱內(nèi)部的火源手動(dòng)滅火，同時(shí)儀表臺(tái)的顯示器發(fā)出聲光報(bào)警，提醒乘客安全疏散，工作原理如圖1所示。

圖1 電池箱專用自動(dòng)滅火裝置工作原理圖

電池箱專用自動(dòng)滅火裝置采用能有效消滅鋰電池火災(zāi)的高壓滅火劑，例如采用廈門中汽客的電池箱專用自動(dòng)滅火裝置，15 kg左右的滅火劑可對(duì)30 kW·h電量的電池實(shí)施有效滅火。當(dāng)滅火劑噴入電池箱后，能迅速降低電池箱內(nèi)電芯的溫度，使電池?zé)o法進(jìn)入熱失控狀態(tài)；在降溫的同時(shí)，滅火劑通過(guò)化學(xué)抑制的方法，修復(fù)隔膜微細(xì)孔，抑制鋰離子漂移，同時(shí)捕獲燃燒自由基，中止電池內(nèi)部短路反應(yīng)[8]，有效抑制電池燃燒。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可有效地對(duì)電池箱進(jìn)行滅火，滅火后，可持續(xù)抑制動(dòng)力電池10 min不復(fù)燃，給乘客提供足夠的逃生時(shí)間。同時(shí)，該裝置有火災(zāi)二次復(fù)燃再撲救功能，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)二次復(fù)燃時(shí)，滅火裝置能自動(dòng)探測(cè)到二次火災(zāi)信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)滅火裝置中的備用瓶組，實(shí)施滅火。

2.1.2 電池箱專用自動(dòng)滅火裝置布置方案

電池箱專用自動(dòng)滅火裝置布置連接時(shí)，通過(guò)通信線將電池箱內(nèi)的火情信息發(fā)送至滅火裝置主機(jī)，當(dāng)電池箱內(nèi)部發(fā)生火情，滿足滅火裝置啟動(dòng)條件時(shí)，滅火裝置通過(guò)氣管將滅火劑輸送到發(fā)生火情的電池箱內(nèi)，實(shí)施滅火。

某款純電動(dòng)城市客車共有10個(gè)電池箱，中部8個(gè)電池箱，尾部2個(gè)電池箱，滅火裝置主機(jī)布置在右后設(shè)備艙，電池箱著火時(shí)，滅火裝置通過(guò)氣管將滅火劑輸送到各個(gè)電池箱中。滅火裝置布置圖如圖2所示。

圖2 電池箱專用自動(dòng)滅火裝置布置圖

2.2 煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用方案

2.2.1 煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)工作原理

煙霧探測(cè)傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池艙、控制器艙內(nèi)的煙霧濃度，當(dāng)電池艙、控制器艙內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，車載煙霧傳感器可以迅速的采集空氣中的煙霧顆粒、氮氧化合物等氣體，當(dāng)煙霧濃度超過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)判斷電池艙著火后，通過(guò)儀表臺(tái)的顯示器面板發(fā)出聲光報(bào)警[9]，提醒乘客安全疏散，煙霧傳感器內(nèi)部設(shè)有吸風(fēng)裝置，可有效提高檢測(cè)效率。煙霧探測(cè)的項(xiàng)目和報(bào)警濃度為：灰塵顆粒＞15 000個(gè)/500 mL，煙霧顆粒＞15 000個(gè)/500 mL，一氧化碳＞375 mg/m3，一氧化氮＞1 071 mg/m3，氫氣＞71 mg/m3，乙烯＞625 mg/m3。

2.2.2 煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)布置方案

顯示器面板布置在儀表臺(tái)上，駕駛員可清楚看見(jiàn)的位置。煙霧傳感器布置在電池艙上方，可迅速采集電池箱燃燒時(shí)擴(kuò)散出來(lái)的煙霧、氣體。

某款純電動(dòng)城市客車共有2個(gè)電池艙，中部電池艙空間大，左右各安裝一個(gè)傳感器，可迅速采集煙霧，后部電池艙頂部安裝一個(gè)傳感器，煙霧傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器安裝位置

2.3 隔熱阻燃防火材料應(yīng)用方案

1）隔熱阻燃防火材料的防火性能。防火材料采用納米陶瓷材料制造，具有優(yōu)異的耐高溫、隔熱性能?？梢缘謸蹁囯姵厝紵鹧?0 min以上，鋰電池燃燒時(shí)，火焰最高溫度可達(dá)850℃左右[10]。該方案可以確保電池艙燃燒時(shí)，電池艙上方的竹筋板（一般客車用的地板是竹筋板和PVC地板，兩者都不能阻燃）不被快速引燃，從而保證乘客的安全疏散時(shí)間。另外，通過(guò)采用阻燃防火地板也可以達(dá)到防火目的。但是目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)合適的阻燃防火地板，如果重新開(kāi)發(fā)，周期長(zhǎng)、成本高，不利于整車的批量生產(chǎn)。

2）防火材料與竹筋板的固定方式：防火材料自帶背膠，將防火材料黏貼到竹筋板下方；從防火材料一側(cè)打碼釘，碼釘間距為300 mm×300 mm左右。

3）隔熱阻燃防火材料安裝位置。某款純電動(dòng)城市客車的動(dòng)力電池布置在整車中段，防火材料安裝位置如圖4所示。

圖4 電池艙隔熱阻燃防火材料安裝位置

3 結(jié)束語(yǔ)

以上方案是現(xiàn)階段純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池防火安全的有效實(shí)施手段。當(dāng)動(dòng)力電池發(fā)生火災(zāi)時(shí)，這些措施將大幅提高純電動(dòng)城市客車的防火性能。

[1]中華人民共和國(guó)財(cái)政部.關(guān)于2016-2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政支持政策的通知：財(cái)建[2015]134號(hào)[EB/OL].（2015-4-22）[2016-04-18].http：//jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/zhengcefagui/201504/t20150429_1224515.html.

[2]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.2015年新能源汽車高速增長(zhǎng)[EB/OL].（2016-1-15）[2016-5-4].http：//www.miit.gov.cn/ n1146312/n1146904/n1648362/n1648363/c4600465/content. html.

[3]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.純電動(dòng)城市客車通用技術(shù)條件：JT/T1026-2016[S].北京：人民交通出版社，2016.

[4]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公交客車通用技術(shù)要求：DB31/T306-2015[S].上海：上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2015.

[5]黃學(xué)杰.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2016（6）：28-31.

[6]馮祥明，鄭金云，李榮富，等.鋰離子電池安全[J].電源技術(shù)，2009，33（1）：7-9.

[7]盧蘭光，李建秋，華劍鋒，等.電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2016（6）：39-51.

[8]張立娟，韓沁沁，趙金懷.鋰電池生產(chǎn)企業(yè)的D類火災(zāi)撲救對(duì)策[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2014，40（7）：38-39.

[9]趙杰.新能源客車用多通道煙霧報(bào)警器介紹[J].汽車電器，2016（1）：37-39.

[10]何向明，馮旭寧，歐陽(yáng)明高.車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性[J].科技導(dǎo)報(bào)，2016（6）：32-38.

修改稿日期：2016-09-30

Application Scheme of Power Battery Fire Proof for Pure Electric City Buses

Chen Biyi
（Xiamen Golden Dragon Bus Co.,Ltd,Xiamen 361022,China）

The application scheme ofpower batteryfire proofsafetyfor a pure electric citybus is introduced.Byinstalling smoke detection systems and special fire extinguishing systems for battery box and laying heat insulation, flame retardant and fire proofmaterials,the proposals maygreatlyincrease the fire proofperformance ofpure electric citybuses.

pure electric citybus;power battery;fire precaution

U463.83+1

B

1006-3331（2017）01-0037-03

陳碧毅（1984-），男，工程師，主要從事新能源客車儲(chǔ)能系統(tǒng)方案開(kāi)發(fā)工作。