一種動力電池的快速滅火系統(tǒng)設(shè)計

【摘 ? 要】 ? 作為新能源汽車的動力來源，動力電池的安全性直接決定了新能源汽車的推廣和應(yīng)用，動力電池著火問題是新能源汽車安全性能的關(guān)鍵難題。設(shè)計了一種動力電池箱專用快速滅火系統(tǒng)，以實現(xiàn)對動力電池箱的及時、有效滅火，為車輛人員的逃生爭取時間。

【關(guān)鍵詞】 ? 電動汽車; 動力電池箱; 快速滅火系統(tǒng)

Design of a Fast Fire Extinguishing System for Power Battery

Zhan Hua

（Fujian Chuanzheng Communication College， fuzhou 350007， China）

[Abstract] As the power source of new energy vehicles， its safety directly determines the promotion and application of new energy vehicles. However， the problem of power battery fire has always been a key problem for the safety performance of new energy vehicles. In this paper， a special quick fire extinguishing system for power battery box is designed to realize timely and effective fire extinguishing for power battery box and prolong the escape time for vehicle personnel.

[Keywords] electric vehicles; power battery box; a fast fire extinguishing system

〔中圖分類號〕 ?U27 ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

0 ? ? 引言

近年來，隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，電動汽車的市場逐漸擴(kuò)大，但新能源汽車動力電池?zé)崾Э卦斐傻钠鸹饐栴}已是汽車行業(yè)發(fā)展的痛點，嚴(yán)重威脅人民的生命、財產(chǎn)安全，且成為了制約新能源汽車發(fā)展的瓶頸，阻礙了新能源汽車的大規(guī)模應(yīng)用和推廣。2020年國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2021-2035年）》，已明確將電池技術(shù)列為新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程。

由于動力電池模組通常是由多個電池模塊緊密排列，所以一旦電池模組中的某一個電池模塊發(fā)生火情，火勢就會在短時間內(nèi)迅速蔓延至其他電池模塊，導(dǎo)致電池包著火、車輛起火，最終造成嚴(yán)重的事故。

為了解決上述技術(shù)問題，本文設(shè)計一種動力電池的快速滅火系統(tǒng)，能夠在任何一個單體動力電池發(fā)生起火之后迅速將其撲滅，有效阻止火勢蔓延，為車輛人員的逃生爭取時間。

1 ? ? 鋰電池火災(zāi)特性

在電動汽車開發(fā)方面，鋰離子動力電池已經(jīng)成為主流，在國內(nèi)眾多汽車研制和生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的電動汽車80%以上車型都采用鋰離子電池，而且這個比例有逐步擴(kuò)大的趨勢，其主要使用的動力電池是磷酸鐵鋰和三元鋰電池（鎳鈷錳酸鋰）。

當(dāng)鋰電池組由于外界溫度、電極短路、電池老化、充電異常、機(jī)械碰撞、甚至自身制造缺陷等原因[1-2]，電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的不可逆氧化還原反應(yīng)，釋放小分子氣體，產(chǎn)生大量熱，由于不能將產(chǎn)生的熱量有效散到電池外部，會引起電池內(nèi)部溫度、壓力急劇升高。而溫度的上升又會極大地加速反應(yīng)進(jìn)行，產(chǎn)生更大量的熱和氣體，此時電池進(jìn)入無法控制的自加速狀態(tài)，即俗稱的熱失控，宏觀表現(xiàn)為噴射狀火焰特征，即“溫升—鼓脹—破裂—煙氣—主 / 被動著火”[3] 。

文獻(xiàn)[4]中，對經(jīng)過預(yù)處理，100%荷電狀態(tài)（SOC）的鋰電池，以 1C 倍率持續(xù)恒流過充直至熱失控起火。其過充電火災(zāi)過程分為氣鼓包、火災(zāi)醞釀、火災(zāi)陰燃、火災(zāi)爆燃、持續(xù)燃燒、火災(zāi)平息六個階段[4]。通過試驗得出，電池瀕臨熱失控到電池完全熱失控約有 60s 的反應(yīng)時間，故此時間間隔有利于熱失控火災(zāi)的早期監(jiān)控[5]。

2 ? ? 電池快速滅火系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于鋰電池存在熱失控的安全缺陷，故在電動汽車動力電池設(shè)計時都有相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)（BMS），實時監(jiān)控電池實際狀態(tài)，在發(fā)生過溫、過充、電壓電流突變等異?，F(xiàn)象時能采取必要措施。但目前的BMS技術(shù)仍存在技術(shù)瓶頸，因此為彌補(bǔ)主動安全的不足，就很有必要引入被動安全系統(tǒng)，在局部電池發(fā)生熱失控的初期，能及時撲滅可能存在的明火，并快速帶走熱失控聚集的熱量，防止火災(zāi)進(jìn)一步蔓延。

基于以上對鋰電池火災(zāi)特性分析，本文設(shè)計一種快速滅火裝置的動力電池系統(tǒng)，主要包括滅火模塊、監(jiān)控報警模塊及控制單元。滅火模塊存貯和釋放滅火劑，及時有效撲滅早期局部電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)，同時能使電池箱內(nèi)持續(xù)降溫，帶走聚集的多余熱量，防止火災(zāi)復(fù)燃;監(jiān)控報警模塊，將電池箱體內(nèi)的快速滅火系統(tǒng)監(jiān)測信息與動力電池管理系統(tǒng)上各傳感器采集的電池溫度、電壓等監(jiān)測信息都上傳到主控制器，進(jìn)行兩路數(shù)據(jù)對比，以此可以更加精準(zhǔn)地分析、監(jiān)控電池的熱失控狀態(tài)，第一時間探測到鋰離子動力電池異常，以避免早期火災(zāi)的發(fā)生[6] ;控制單元則是接收火災(zāi)探測信號，與其設(shè)置的閾值比對，判斷是否發(fā)生局部熱失控，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。

本文設(shè)計的電池快速滅火裝置架構(gòu)如圖1所示，電池箱體3的內(nèi)部設(shè)置有若干個電池單體4，在排列好的電池單體4上部設(shè)置有第一滅火容器1，每個電池單體的兩側(cè)還設(shè)置有第二滅火容器2，并通過固定架5將第二滅火容器和各電池單體的外側(cè)排列固定。其中第一滅火容器1的內(nèi)部填充有滅火氣體（氮氣或二氧化碳?xì)怏w），第二滅火容器2的內(nèi)部填充有滅火干粉，兩滅火容器均由絕緣高分子材料制作而成。

電池箱上蓋10的底部設(shè)置有阻燃層9，煙感模塊7設(shè)置在阻燃層9的底部;電池箱上蓋10的頂部設(shè)置有報警模塊8，其與煙感模塊7電性連接;電池箱體3的外側(cè)壁上設(shè)置有防爆閥6。

3 ? ? 電池快速滅火系統(tǒng)工作原理

一旦發(fā)生意外，某一個單體動力電池4發(fā)生熱失控之后，在火勢作用下將動力電池4兩側(cè)的兩個第二滅火容器2燃燒，使得第二滅火容器2內(nèi)部的滅火干粉釋放，滅火干粉釋放后能夠起到快速減弱和消滅動力電池起火的作用，有效阻止火情蔓延，熱分解的滅火干粉可以產(chǎn)生熔融層或者碳層，使鋰離子電芯防爆閥6隔絕外部氧氣進(jìn)入電池箱體，使燃燒減慢或停止;進(jìn)一步地，如果火勢向上蔓延，第一滅火容器燃燒后在瞬間快速釋放大量的氮氣或二氧化碳?xì)怏w，稀釋電池箱體內(nèi)部的氧氣濃度，使得動力電池全面封閉，阻止其進(jìn)一步燃燒，將危險控制在電池箱體內(nèi)部，此時設(shè)置在電池箱上蓋10底部的煙感模塊7檢測到燃燒產(chǎn)生的煙霧后立即觸發(fā)報警模塊8進(jìn)行報警，提醒車輛人員迅速撤離，由于電池箱上蓋底部設(shè)置的阻燃層能夠進(jìn)一步起到阻隔燃燒的作用，為車輛人員爭取了寶貴的逃生時間。

4 ? ? 結(jié)語

隨著電動汽車領(lǐng)域大容量鋰離子電池的應(yīng)用[7-8]，動力電池火災(zāi)事故明顯增多，亟待開展有關(guān)鋰離子電池的監(jiān)控滅火裝置的研究及應(yīng)用[9]，本文的動力電池快速滅火系統(tǒng)能有效、及時地阻止電池著火，減少安全事故發(fā)生，且無需改變原動力電池結(jié)構(gòu)，具有較廣泛的適應(yīng)性和市場推廣潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?汪中傳， 王煜， 史先松，等. 純電動客車輪邊驅(qū)動與中央直驅(qū)對比分析[J]. 客車技術(shù)與研究， 2019（5）：25-26.

[2] ?唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2016.

[3] ?張磊. 電動汽車鋰電池火災(zāi)特性及滅火技術(shù)[J]. 勞動保護(hù)， 2019（5）：76-78.

[4] ?劉得星. 車載電池包集成滅火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)仿真研究[D].廣州： 華南理工大學(xué).

[5] ?劉得星， 蘭鳳崇， 陳吉清，等. 帶自動滅火裝置的車用鋰電池箱蓋系統(tǒng)開發(fā)與驗證[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報， 2019， 29（3）：39-44.

[6] ?楊建鋒，鄧新華，武春曉，等. 車用動力電池的滅火系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計[J]. 客車技術(shù)與研究， 2020， 42（6）：49-50+60.

[7] ?張賓，林成濤，陳全世.電動汽車用 LiFePO4/C 鋰離子蓄電池性能[J].電源技術(shù)，2008，32（ 2） ： 95-98.

[8] ?王震坡，黎小慧，孫逢春.產(chǎn)業(yè)融合背景下的新能源汽車技術(shù)發(fā)展趨勢[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2020，40（ 1） ： 1-10.

[9] ?裴崇利， 張禮憲， 劉培培，等. 動力電池箱專用自動滅火系統(tǒng)設(shè)計方案[J]. 客車技術(shù)與研究， 2019， 41（3）：23-24+30.

[收稿日期] ? 2021-03-06

[基金項目] ? 2018年福建省教育廳中青年教師科研項目（科技）“電動汽車動力電池故障診斷預(yù)警系統(tǒng)研究”（JZ180360）

[作者簡介] ? 詹華（1982-），女，碩士，福建船政交通職業(yè)學(xué)院汽車學(xué)院副教授， 研究方向：電動汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車控制技術(shù)。