電動(dòng)汽車(chē)防火安全策略

韋家輝

摘要：隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量也在逐年增多，不僅豐富了人們的出行方式，而且有助于解決能源緊缺的問(wèn)題，具有環(huán)保的特點(diǎn)。然而，電動(dòng)汽車(chē)的安全性問(wèn)題也受到人們的高度重視，其會(huì)受到外界不同因素的影響，導(dǎo)致火災(zāi)事故的出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，應(yīng)該制定切實(shí)有效的安全管理對(duì)策，以降低電動(dòng)汽車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的火災(zāi)事故進(jìn)行分析，明確電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)崾Э氐臋C(jī)制，探索電動(dòng)汽車(chē)防火安全策略，為實(shí)踐工作提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);防火安全;策略

傳統(tǒng)汽車(chē)會(huì)造成嚴(yán)重的尾氣污染問(wèn)題，而且能源消耗量較大，限制了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)在人們的視野中，具有輕便的特點(diǎn)，符合清潔型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，是促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵。電動(dòng)汽車(chē)在成本、續(xù)航和充電等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，然而電動(dòng)汽車(chē)會(huì)由于電池?zé)崾Э囟l(fā)火災(zāi)，成為限制其推廣應(yīng)用的主要原因，同時(shí)也會(huì)給使用者造成損失。為此，應(yīng)該強(qiáng)化對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的防火安全管理，保障電動(dòng)汽車(chē)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。電動(dòng)汽車(chē)原理與傳統(tǒng)汽車(chē)有所不同，因此在采取防火安全措施時(shí)也應(yīng)該更具針對(duì)性，分析電池的使用特點(diǎn)，降低熱失控問(wèn)題出現(xiàn)的概率，從而保障良好的整車(chē)性能安全。

一、電動(dòng)汽車(chē)的火災(zāi)事故分析

由于消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池壽命、防火安全和續(xù)航能力等不夠信任，導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量不高，影響了汽車(chē)行業(yè)的未來(lái)發(fā)展。特別是近年來(lái)出現(xiàn)的多起電動(dòng)汽車(chē)自燃事故，使很多消費(fèi)者望而卻步，不利于汽車(chē)企業(yè)的市場(chǎng)拓展。電動(dòng)汽車(chē)電池包會(huì)受到車(chē)輛劇烈碰撞的影響而出現(xiàn)自燃，進(jìn)而引起整車(chē)的燃燒[1]。電池包當(dāng)中有水分進(jìn)入會(huì)引起短路故障，這也是導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)自燃的主要原因。此外，在充電過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)載發(fā)熱的情況，超出承受極限后引發(fā)火災(zāi)。外界環(huán)境溫度長(zhǎng)期過(guò)高或者過(guò)低，也會(huì)導(dǎo)致電池老化速度加快，火災(zāi)安全隱患增多。

二、電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)崾Э氐臋C(jī)理

鋰離子電池是電動(dòng)汽車(chē)的主要電池類(lèi)型，當(dāng)電池內(nèi)部溫度出現(xiàn)快速上升的現(xiàn)象時(shí)，會(huì)導(dǎo)致起火和冒煙等問(wèn)題，這就是電池的熱失控。電化學(xué)因素、機(jī)械因素和熱因素等，是導(dǎo)致電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象發(fā)生的主要原因。如果電動(dòng)汽車(chē)受到外界機(jī)械作用力而出現(xiàn)擠壓和撞擊等情況，則會(huì)導(dǎo)致電池受損，如果隔膜遭到嚴(yán)重的破壞，就會(huì)引發(fā)電池短路故障[2]。樹(shù)枝狀結(jié)晶是由于電池的長(zhǎng)期充放電引發(fā)的，這就會(huì)對(duì)隔膜造成不同程度的破壞，這也是造成短路的主要原因。電池內(nèi)部電解液溫度會(huì)隨著外界溫度的升高而升高，當(dāng)超過(guò)隔膜的耐受極限后容易出現(xiàn)熔解的情況。電池正負(fù)極材料會(huì)由于內(nèi)部短路故障而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，單體電芯溫度增大。如果在此過(guò)程中出現(xiàn)電解液外漏的情況，則會(huì)對(duì)其他電芯造成引燃，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)或者爆炸事故。

三、電動(dòng)汽車(chē)防火安全策略

（一）電池包殼體防火

鈑金材料在電池包殼體上的應(yīng)用較多，而碳纖維、樹(shù)脂、SMC和鋁合金等輕量化材料多用于非結(jié)構(gòu)件的上蓋中，因此應(yīng)該以外殼阻燃性能的強(qiáng)化為核心，防止在火災(zāi)中出現(xiàn)大面積的引燃狀況，以保障整車(chē)安全性。對(duì)電池包的密封性加以?xún)?yōu)化，避免水分進(jìn)入而引發(fā)的短路故障，同時(shí)阻止了燃燒的快速擴(kuò)散。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)電解液的溫度驟增，會(huì)對(duì)鋁合金材料造成灼穿，為了使其整體防火性能得到增強(qiáng)，可以運(yùn)用防火膠實(shí)施處理，充分發(fā)揮殼體材料的吸能作用，提升電池包的安全性。運(yùn)用耐火阻燃涂層處理殼體表面，并進(jìn)行燃燒測(cè)試，確保其外部抗火焰能力得到全面改善，以避免造成大范圍的火災(zāi)事故[3]。將防火氈材料應(yīng)用于電池包殼體和電芯、模組中，也有利于促進(jìn)阻燃隔熱性能的提升，同時(shí)運(yùn)用超細(xì)玻璃棉、云母板和高硅氧棉氈等制作防火罩，能在出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)起到良好的阻隔作用，避免火勢(shì)蔓延，火勢(shì)走向也能加以控制，為火災(zāi)處理贏得寶貴的時(shí)間。然而，防火氈的運(yùn)用也具有一定的缺點(diǎn)，會(huì)增加汽車(chē)整體重量，而且無(wú)法起到良好的散熱效果，對(duì)電池散熱系統(tǒng)的要求更高。

（二）電芯材料防火

為了減少電芯的內(nèi)短路問(wèn)題，從而起到有效的防火作用，還應(yīng)該對(duì)電芯材料的防火性能加以?xún)?yōu)化，確保隔膜具有耐高溫的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)生產(chǎn)制造工作中，往往會(huì)使用PE材料和PP材料等制作電芯隔膜，其耐高溫作用不夠顯著，容易在使用中出現(xiàn)收縮熔融的情況，這是引發(fā)短路和自燃的主要原因。為此，應(yīng)該運(yùn)用SiO2、Al2O3和CaCO3等耐高溫的無(wú)機(jī)納米涂層進(jìn)行處理，其基材也可以選擇聚酰亞胺等材料，在高溫環(huán)境下能確保電芯的良好狀態(tài)，避免出現(xiàn)短路故障。近年來(lái)，羥基磷灰石和聚乙烯醇基納米復(fù)合材料薄膜在實(shí)踐中得到應(yīng)用，相較于其他材料而言在熱穩(wěn)定性上具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，防止出現(xiàn)鋰枝晶而引發(fā)電池的短路。為了改善電解液的防火性能，可以運(yùn)用阻燃劑進(jìn)行處理，防止在火災(zāi)發(fā)生后造成大范圍的燃燒，但是電解液的化學(xué)性能可能會(huì)受到一定程度的影響，電池成本也會(huì)升高[4]。為了改善電池的電化學(xué)性能，可以將五氟環(huán)三磷氰阻燃劑應(yīng)用于電解液中，其含量在5%左右。在電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展中，可燃性液態(tài)電解液和簡(jiǎn)單的隔膜會(huì)逐漸被淘汰，在設(shè)計(jì)隔膜時(shí)可以采用全固態(tài)電解質(zhì)和凝膠電解質(zhì)等，液體電解液由鋰鹽和聚合物等物質(zhì)所替代，在相互作用中形成固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合物，能防止出現(xiàn)泄漏和燃燒的情況。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)電池出現(xiàn)熱失控時(shí)，不會(huì)造成大范圍的引燃狀況，其能量密度相對(duì)較大，防止鋰枝晶問(wèn)題對(duì)電池性能造成的破壞，有利于提高電動(dòng)汽車(chē)的安全性。在實(shí)踐工作中，也可以運(yùn)用a-MnO2納米棒/碳納米管陰極固態(tài)電池和聚丙烯酰胺聚合物電解質(zhì)等，有效降低熱失控問(wèn)題對(duì)汽車(chē)安全的影響。

（三）電池散熱系統(tǒng)優(yōu)化

由于單體電芯的存在，會(huì)對(duì)電池包的散熱性能產(chǎn)生影響，加劇電芯的老化，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致熱失控問(wèn)題的出現(xiàn)，容易對(duì)電池包和模組造成威脅。為此，應(yīng)該針對(duì)模組和電芯進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保其空間分布結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)火災(zāi)中火勢(shì)和煙霧的傳播形成控制，防止形成大范圍的燃燒。為了避免在熱失控狀況下出現(xiàn)快速蔓延的情況，應(yīng)該對(duì)電芯之間的距離進(jìn)行合理控制，通常在3mm以上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯溫度的合理掌控，防止造成劇烈的熱量變化，進(jìn)而對(duì)相鄰的電芯起到良好的保護(hù)作用[5]。電芯熱量會(huì)受到電池包串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)完善的電池散熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的合理控制，在實(shí)踐中一般采用液冷和風(fēng)冷的方式。相變材料已經(jīng)應(yīng)用于散熱材料的制作中，其形態(tài)會(huì)由于溫度的差異而出現(xiàn)較大的不同，通過(guò)熱量的吸收和釋放來(lái)對(duì)溫度加以控制，但是也存在低熱率的問(wèn)題，可以運(yùn)用膨脹石墨、金屬材料和導(dǎo)熱顆粒等對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

（四）熱失控預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)化

熱失控預(yù)警系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)中的運(yùn)用，可以針對(duì)電池的熱失控問(wèn)題及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，從而提醒人員及時(shí)采取控制措施，以避免釀成難以挽回的損失。在模組之間的熱擴(kuò)散作用會(huì)得到及時(shí)控制，以保障整個(gè)電池系統(tǒng)的安全，通過(guò)雙閃報(bào)警和人機(jī)交互界面顯示等方式提醒人員逃生，為火災(zāi)預(yù)防和控制贏得寶貴的時(shí)間[6]。熱失控預(yù)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)電壓、溫度和電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常參數(shù)時(shí)觸發(fā)警報(bào)，為了防止出現(xiàn)誤報(bào)的狀況，可以加強(qiáng)對(duì)電池包壓力和相關(guān)氣體的監(jiān)測(cè)，以獲得可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果。比如在熱失控中會(huì)產(chǎn)生較多的一氧化碳和二氧化碳，則可以根據(jù)不同氣體的密度來(lái)判斷熱失控問(wèn)題[7]。此外，還應(yīng)該通過(guò)自動(dòng)滅火裝置的應(yīng)用來(lái)提高防火安全，實(shí)現(xiàn)對(duì)初期火災(zāi)的及時(shí)控制。

熱失控壓力智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果較好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池壓力的實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，如果壓力參數(shù)出現(xiàn)異常狀況，電池管理系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行判斷和報(bào)警，以便及時(shí)控制電芯故障，防止造成嚴(yán)重的事故。在汽車(chē)停止和行駛狀態(tài)下，可以對(duì)熱失控加以抑制，防止造成整個(gè)電池的引燃，同時(shí)借助于聯(lián)網(wǎng)報(bào)警獲取消防人員的幫助。以BMS檢測(cè)技術(shù)為核心，加強(qiáng)對(duì)煙霧報(bào)警裝置和內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，增強(qiáng)保護(hù)效果。

（五）整車(chē)非金屬材料阻燃性能優(yōu)化

高壓電器件在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用較多，應(yīng)該以該類(lèi)器件的防火為重點(diǎn)，促進(jìn)整車(chē)非金屬材料阻燃性能的優(yōu)化，包括充電槍、充電樁和高壓線(xiàn)束等，防止受到高壓負(fù)載影響而出現(xiàn)燃燒的情況。溫度和壓力是影響整車(chē)非金屬材料阻燃性的關(guān)鍵，容易造成大范圍的連鎖自燃反應(yīng)。電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)飾材料會(huì)受到火勢(shì)影響而快速引燃，產(chǎn)生較多的有毒有害氣體，威脅人們的生命安全。為此，應(yīng)該選擇低煙、無(wú)毒、環(huán)保材料保障車(chē)內(nèi)的安全性。在設(shè)置織物材料和地板時(shí)也應(yīng)該選擇高阻燃性能的材料，在氧指數(shù)和煙密度等方面作出明確規(guī)定，防止在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行中存在較大的安全隱患。

四、結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)電池的熱失控，是引發(fā)火災(zāi)的主要原因，因此會(huì)對(duì)汽車(chē)的安全性產(chǎn)生威脅。強(qiáng)化對(duì)電動(dòng)汽車(chē)防火安全的重視，不僅有利于行業(yè)的快速發(fā)展，而且可以切實(shí)保障駕乘人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，避免造成重大事故。在實(shí)踐工作中，應(yīng)該從電池包殼體防火、電芯材料防火、電池散熱系統(tǒng)優(yōu)化、熱失控預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)化和整車(chē)非金屬材料阻燃性能優(yōu)化等方面入手，構(gòu)建完善的防火安全機(jī)制，從而起到有效的預(yù)防和控制效果。

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