電動汽車鋰電池滅火技術(shù)

薛東澤

摘要：在電動汽車行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的進(jìn)程中，動力鋰電池的火災(zāi)問題備受關(guān)注。根據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究顯示，電動汽車發(fā)生火災(zāi)的主要原因在于內(nèi)部動力鋰電池?zé)崾Э厮?，與之相關(guān)的滅火技術(shù)成為了矚目的焦點。本文詳細(xì)解讀電動汽車鋰電池滅火技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電動汽車;鋰電池;滅火技術(shù)

電動汽車在實際運用的時候，動力鋰電池的充放電過程屬于一個循環(huán)的過程，是一種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，在這一階段，應(yīng)該重視鋰電池的火災(zāi)隱患。因為負(fù)極表面SEI膜的熱穩(wěn)定特性，若是溫度達(dá)到了120—140℃時，便會產(chǎn)生熱分解，SEI膜的分解過程中，使得負(fù)極裸露在外，與電解液相互接觸之后，便產(chǎn)生了明顯的還原反應(yīng)，最終放出較多的可燃性氣體，同時也會散發(fā)熱量，引起嚴(yán)重的火災(zāi)事故。

一、電動汽車鋰電池的結(jié)構(gòu)

電動汽車鋰電池是整車的動力源泉，也是核心技術(shù)所在，目前鋰電池備受關(guān)注，應(yīng)該積極的重視其基本的結(jié)構(gòu)[1]?，F(xiàn)階段，電動汽車上運用到的電芯涉及到不同的外形，主要有圓形和方形之分，圓形電芯有18650、21700兩種。鋰電池依照外包材料進(jìn)行區(qū)分，涉及到鋁殼鋰電池和鋼殼鋰電池等不同的種類，按照正極材料可以劃分出錳酸鋰和鎳鈷鋁等。鋰電池的熱穩(wěn)定性大小順序如下：磷酸鐵鋰電池>錳酸鋰電池>三元材料電池（NCM、NCA）>鈷酸鋰電池。目前，方形電芯在國內(nèi)成為了主流。

二、電動汽車鋰電池起火原因

（一）起火案例分析

電動汽車的相關(guān)起火案例證實，起火的原因多是因為動力鋰電池?zé)崾Э貙?dǎo)致。經(jīng)過對某一款電動汽車一年起火的時間概述，了解到在溫度相對較高的5月份到8月份起火案例例數(shù)占據(jù)總數(shù)的52%以上，可見環(huán)境溫度也是導(dǎo)致動力鋰電池起火的重要原因。在該研究案例中，結(jié)合車輛運行狀態(tài)統(tǒng)計的情況來看，充電過程中起火占比為68%，行駛過程起火占比為20%，靜止和其他情況下起火占比為12%。

（二）熱失控發(fā)生機制

當(dāng)SEI膜分解釋放出的熱量，讓電芯的溫度迅速上升，當(dāng)達(dá)到180—200℃的時候，正極便會出現(xiàn)分解的情況，正極分解的時候釋放出大量的原子態(tài)氧，其擁有著較高的活性，會直接讓電解液劇烈的分解，短時間內(nèi)電芯便會積聚大量的熱氣，在溫度較高或者是充電電壓較高的時候，便會出現(xiàn)潛在的放熱副反應(yīng)，熱量聚集的過程中，電芯溫度和壓力明顯提高，最終導(dǎo)致熱失控的問題產(chǎn)生，正極熱分解量最大。不同的正極材料擁有著不同的電芯熱穩(wěn)定性，三元材料的電芯熱配置呈現(xiàn)出較低的狀態(tài)，磷酸鐵鋰在200—400℃的時候，基本上不會出現(xiàn)分解的情況，伴隨著鎳含量的逐步增加，高鎳三元正極熱分解的溫度也會逐步地降低，放熱量也就越來越明顯，當(dāng)溫度達(dá)到了120℃的時候，便會出現(xiàn)熱分解的情況。在動力鋰電池散熱性能未達(dá)標(biāo)的情況下，化學(xué)反應(yīng)實際釋放出的熱量會讓溫度逐步的升高，化學(xué)反應(yīng)的速率呈指數(shù)級增大，系統(tǒng)能夠進(jìn)入到自加溫的狀態(tài)之下，從而出現(xiàn)了熱時控的問題。電芯配置了專門的泄壓閥，動力鋰電池也會配置相應(yīng)的防爆閥，在電池壓力達(dá)到了6—8Pa時會泄壓。

（三）鋰電池起火過程

為更好地驗證電動汽車鋰電池的起火過程，相關(guān)的研究人員針對于特定型號的鋰電池?zé)崾Э剡^程進(jìn)行了驗證與分析，驗證的設(shè)備涉及到電池包監(jiān)控、上位機和萬用表等，實驗的內(nèi)容涉及到電池模組和電池包的單顆電芯熱失控發(fā)生的條件，熱失控后擴散的進(jìn)程和范圍等。整個實驗階段相關(guān)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行了明確的記錄，運用加熱片對動力鋰電池的單顆電芯采取了1.7h加熱模式。

當(dāng)加熱了一個小時之后，溫度達(dá)到了125℃，后續(xù)的溫度始終保持著不變的狀態(tài)，過程中的電芯存在著炸裂的聲音，但是聲音并不明顯[2]。該實驗結(jié)束之后電芯防爆開啟，并未出現(xiàn)爆炸的情況，周邊電芯熱失控并未出現(xiàn)，電池包相對完好。實驗的結(jié)果證實，單電芯熱失控并不一定會引起整包熱失控。

再加熱了5分鐘之后開始出現(xiàn)了異常的情況，這個時候的溫度達(dá)到了185.6℃，在9分鐘之后停止加熱，因為反應(yīng)不斷地出現(xiàn)，模組溫度達(dá)到了512.3℃時，產(chǎn)生了明火，火勢迅速地蔓延，直接地影響到整個模組。在使用了加熱片對動力鋰電池的模組加熱的過程中，電芯受熱達(dá)到了210℃時，產(chǎn)生了劇烈的反應(yīng)，發(fā)生了泄氣和炸裂的問題。在1分鐘之內(nèi)周邊電芯開始出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，不斷地產(chǎn)生間斷炸裂的問題。

在12分鐘之后，電池包內(nèi)壓強明顯的增大，電池產(chǎn)生了鼓包的問題，電池包泄壓時的電池包內(nèi)的劇烈反應(yīng)更加明顯，從而出現(xiàn)了明火，達(dá)到20分鐘左右。證明了鋰電池起火體現(xiàn)出火勢迅猛和迅速蔓延的特征，借助于實驗的過程，了解到單體熱失控會導(dǎo)致整個模組出現(xiàn)熱失控的問題，最終影響到鋰電池的實際運用。

三、電動汽車鋰電池滅火技術(shù)

（一）科學(xué)選擇滅火器

根據(jù)《建筑滅火器配置設(shè)計規(guī)范》（GB 50140-2005），汽車充電站歸屬于E類火災(zāi)場所，最大的保護距離和單具滅火器最低配置應(yīng)該在A類火災(zāi)規(guī)定之上，E類火災(zāi)可以適當(dāng)?shù)倪\用磷酸銨鹽干粉滅火器和二氧化碳滅火器等[3]。依照《電動汽車火災(zāi)事故救援規(guī)程》（T/CSAE84-2018）規(guī)定，插電式混合動力汽車和純電動汽車鋰電池具備著內(nèi)部燃燒的特征，磷酸銨鹽干粉滅火器在實際運用的過程中并不能達(dá)到理想化的降溫效果，實際的滅火成效并不明顯，建議選用二氧化碳滅火器和水基型滅火器。

（二）掌握滅火操作

鋰電池起火時具有高熱量和火勢迅猛等多種多樣的特征，應(yīng)該在火災(zāi)初期考慮使用水基型滅火器，對火勢加以控制;此外針對燃燒產(chǎn)生的大量熱量，應(yīng)該斷電的狀態(tài)之下，對電動汽車借助水進(jìn)行降溫和控火，防止火勢的蔓延;在這運用河沙對起火電動車底部加以覆蓋，控制蔓延的程度。

（三）落實安全管理

1.相應(yīng)位置的設(shè)置

電動汽車的火災(zāi)危險性和滅火難度較大，因此應(yīng)該將電動汽車和充電樁設(shè)置于室外。若是設(shè)置于室內(nèi)和地下車庫中，必須要采取集中設(shè)置的方案，同時和其他車庫間做好防火隔離舉措，相鄰的充電柱也應(yīng)該保持一定的防火間距，不應(yīng)該在兩米以內(nèi)。

2.合理配置設(shè)施

按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，應(yīng)該配置特定數(shù)量的滅火器材，同時搭配使用消防設(shè)施，依照實際的情況合理的配備室內(nèi)外的消火栓系統(tǒng)和移動式干粉滅火器等[4]。

3.做好電源管理

充電樁配電箱的電源控制開關(guān)應(yīng)該采取統(tǒng)一管理的方案，若是遇到緊急的情況，必須第一時間斷電，避免火勢進(jìn)一步蔓延，相應(yīng)的滅火救援也可獲取可靠的保障。

4.其他管理要求

充電區(qū)域中應(yīng)該適當(dāng)?shù)闹贫ǔ隹茖W(xué)的操作規(guī)程，借助于安全宣傳欄的宣傳作用，讓相關(guān)的工作人員提升防范意識。充電期間必須安排專人監(jiān)管，同時安置監(jiān)控設(shè)備和微型消防站等，若是出現(xiàn)異常的情況，應(yīng)該及時針對問題加以處置，并報火警。

四、結(jié)語

需要詳細(xì)了解動力鋰電池的結(jié)構(gòu)，同時明確起火的主要原因，制定出科學(xué)的滅火技術(shù)，保證電動汽車的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑時全，李正明.一種最優(yōu)自適應(yīng)增益非線性觀測器的鋰電池SOC估算方法[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（11）：60-65.

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[3]孫文明.基于PSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動汽車鋰電池SOC估算研究與應(yīng)用[J].時代農(nóng)機，2020，47（06）：75-78.

[4]范家鈺，夏菁，陳南，嚴(yán)永俊.基于修正協(xié)方差擴展卡爾曼濾波法的電動汽車鋰電池SOC在線估計（英文）[J].Journal of Southeast University（English Edition），2020，36（02）：128-137.