電動汽車火災特性及滅火技術(shù)研究

陸時正

摘要：針對目前電動汽車自燃、起火等火災事故頻發(fā)的問題，文章從車用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與特性入手，分析總結(jié)了電動汽車火災事故場景復雜、溫度高、易復燃、救援難度大這四個特性，在此基礎上對滅火劑的選擇和救援技術(shù)進行了研究，對電動汽車火災的救援工作有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：電動汽車;火災危險性;滅火技術(shù)

電動汽車是以車載電源為動力，電機驅(qū)動車輪行駛的新能源汽車。推廣電動汽車可有效降低城市污染，推動實現(xiàn)碳達峰、碳中和。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國電動汽車銷量達340萬輛，占據(jù)全球份額一半以上，新能源汽車銷量占總體銷量已達10%，創(chuàng)歷史新高。但在電動汽車飛速發(fā)展的同時，其自燃、起火等火災事故頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年我國電動汽車火災事故達3000余起。因此，針對此類新型火災事故進行探討，分析火災特性、討論滅火技術(shù)，對保護人民群眾生命財產(chǎn)安全有著重要意義。

一、電動汽車電池結(jié)構(gòu)

電動汽車主要由動力電池組、內(nèi)部發(fā)動機、控溫模塊、電機驅(qū)動系統(tǒng)、高壓線路等部分組成。動力電池組是其中最活躍、危險性最高的部位。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在已銷售的電動汽車中，80%的動力源為鋰離子電池。

（一）電池物理結(jié)構(gòu)

目前，車載動力電池采用多個電芯并聯(lián)形成電池組的方法，較之以往的整體式電池結(jié)構(gòu)，充放電的穩(wěn)定性及安全性得到了進一步提升。為了防止在充放電的過程中電池局部溫度過高導致自燃現(xiàn)象，電動汽車廠商在電池中采用熱失控防護設計，在電芯的中間使用隔熱材料進行間隔，組裝形成電池組，安裝于電動汽車的底部位置。

廠商主要通過電池正極使用更加安全的新型化學材料以及改進電芯的物理排布方法兩種手段，來提升動力電池組的安全性能。在改進物理排布方面，目前“彈匣電池”和“刀片電池”較為出色，但上述物理排布并不足以在車輛碰撞、系統(tǒng)短路等情況下，保證電池充放電的穩(wěn)定。需要提出新的物理排布方法，研制出更為安全的材料，來保障極端情況下電池的安全。

（二）電池化學原理

鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜四個部分組成。正極使用含鋰的高能量密度材料，如：鈷酸鋰、磷鐵酸鋰等，是影響鋰離子電池性能的關(guān)鍵。負極通常采用不參與反應的石墨等碳素材料，并不影響鋰離子電池的性能。電解液一般由高純度的有機溶劑在一定比例下配置而成，起到運輸反應離子的作用。隔膜則由聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）兩種物質(zhì)構(gòu)成，主要用于隔離正負極的反應。

現(xiàn)階段，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池是車載動力電池中技術(shù)最為成熟也是運用最多的，磷酸鐵鋰離子電池的能量密度比三元鋰離子電池的低一些，但熱穩(wěn)定性卻更好，更不容易發(fā)生熱失控現(xiàn)象。

二、電動汽車火災特性

電動汽車火災原因可以概括為：車載電路系統(tǒng)或動力電池因自身發(fā)生故障或受到外力作用導致電池快速釋放化學能，從而發(fā)生熱失控現(xiàn)象，引發(fā)車內(nèi)可燃物燃燒，發(fā)生火災。下面從四個方面探討電動車的火災特性。

（一）火災發(fā)生場景復雜多變

與燃油汽車相比，電動汽車在充電及行駛過程發(fā)生火災概率較大，電動汽車火災發(fā)生場景更為復雜多變。

電動汽車在充電過程中起火主要表現(xiàn)為車輛自燃，通常包含兩種原因：一是電池組在充電過程中發(fā)生熱失控現(xiàn)象，引發(fā)電池膨脹、化學能大幅度釋放、電池組爆炸等，導致車輛內(nèi)部可燃物著火，誘發(fā)火災。二是車輛內(nèi)部的車載電路系統(tǒng)發(fā)生故障，電路老化、系統(tǒng)短路、接觸不良等造成電動汽車在充電過程中局部電路溫度過高，進而引燃絕緣層或者產(chǎn)生電火花。

在行駛過程中，電池組處于放電狀態(tài)，火災原因主要分兩種：一種是汽車由于自身故障導致自燃。汽車的電路系統(tǒng)和電池組在長時間的運行過程中，溫度急劇升高，達到峰值。此時若熱管理模塊出現(xiàn)故障，未能及時降溫，車輛便會發(fā)生自燃現(xiàn)象，駕駛員會感受到車內(nèi)溫度升高、動力下降，但由于火災蔓延迅速，往往來不及做出補救措施，嚴重時會威脅到駕乘人員生命安全。另一種是車輛遭受碰撞后，電路電池系統(tǒng)受損引發(fā)火災。發(fā)生交通事故時，電動汽車遭受猛烈沖擊，電池在使用過程中發(fā)生破損，瞬間釋放出大量的能量，電池溫度急劇升高甚至爆炸。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車在遭受猛烈碰撞后發(fā)生火災的概率明顯提升，且火災發(fā)展迅速，往往未等到救援便已經(jīng)燒毀。

（二）火焰蔓延迅速，燃燒溫度高

當電動汽車發(fā)生火災時，電池會在燃燒過程中釋放大量的氣體，火焰迅速蔓延，電池溫度急劇上升。電動汽車的燃燒溫度一般遠大于傳統(tǒng)燃油汽車，以常見的三元鋰離子電池為例，其在燃燒過程中的火焰最高溫度可達880℃，而汽油燃燒過程中的火焰溫度為400℃左右。

此外，電動汽車發(fā)生火災時，動力電池組在各種誘因下會產(chǎn)生不同副反應，進而釋放大量的反應熱。在熱的作用下，電解液揮發(fā)、分解，電池內(nèi)部安全保護裝置被破壞，電解液著火，從產(chǎn)生明火到電池組完全燃燒只需要幾秒鐘時間。

（三）易復燃、易發(fā)生二次事故

鋰離子電池起火后，即使撲滅明火，內(nèi)部仍處于熱失控及熱失控擴展狀態(tài)，內(nèi)部溫度依然很高。經(jīng)過試驗驗證，若只撲滅明火而未持續(xù)降溫，在幾分鐘內(nèi)所有鋰離子電池都會發(fā)生復燃現(xiàn)象。

電動汽車行駛過程中，在多種因素的作用下，電解液可能會發(fā)生泄漏現(xiàn)象，泄漏的過程中并不一定會發(fā)生熱失控現(xiàn)象，電池仍在運行，而電池內(nèi)部已經(jīng)充滿了電解液蒸汽。電解液為易蒸發(fā)、具有腐蝕性的酸堿性液體，電解液蒸汽對眼睛、耳鼻喉、呼吸系統(tǒng)有刺激性作用。當電池受到高溫或者外力碰撞時，便有較高概率發(fā)生爆炸，此時駕駛員和乘客便會受到電解液蒸汽的腐蝕傷害。

此外，鋰離子電池在燃燒過程中，部分材料會在高溫作用下被氧化，產(chǎn)生甲苯、苯乙烷等有毒氣體，長時間待在車內(nèi)狹小密閉的環(huán)境中，駕駛員和乘客會有中毒窒息等危險，嚴重的甚至會威脅到救援人員和被困人員的生命安全。

（四）火災撲救難度大

電池內(nèi)部具有可燃物、氧化劑、高溫等燃燒三要素。部分材料在高溫的作用下會形成氧化物，即使在缺氧的環(huán)境下，電池內(nèi)部的燃燒依然可以持續(xù)很長時間，因此通過窒息法很難撲滅火災。由于鋰離子電池位于車輛底部且有外殼覆蓋在電芯外部，滅火劑很難作用于電池內(nèi)部。

隨著人們對電動汽車續(xù)航需求的增加，電池的體積也在不斷地增大，在撲滅火災之后，仍需對電池進行持續(xù)觀測以防復燃，因此撲滅電動汽車火災往往需要一個小時或者更長時間。無論是從火災撲滅難度還是危險性來講，電動汽車火災的救援難度都要遠超過燃油汽車起火。

三、電動汽車火災滅火技術(shù)

在上文中已經(jīng)對電動汽車火災的特性進行了詳細敘述，下面通過滅火劑的選擇和消防救援技術(shù)兩個方面對電動汽車滅火技術(shù)進行討論。

（一）滅火劑的選擇

由于鋰離子電池具有燃燒溫度高且易復燃的特性，選取滅火劑的關(guān)鍵在于降溫冷卻能力。德國機動車監(jiān)督協(xié)會經(jīng)過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，使用水進行滅火存在時間長、耗水量大等缺點，而在水中加入少量F-500和Firesorb滅火劑可以大大縮短撲滅時間，有效降低耗水量。美國聯(lián)邦航空管理局研究表明，水基滅火劑具有良好的滅火及降溫性能，并且隨著用量的增加和單位時間流量的減少，降溫效果明顯提升。李毅等（2015）開展了多種滅火劑和細水霧對18650型磷酸鋰電池的滅火實驗。張青松等（2018）分別使用細水霧和超細干粉滅火劑對機載鋰離子電池展開了滅火實驗。美國NTIS使用不同類型的哈龍滅火劑進行實驗。上述實驗結(jié)果都表明，滅火劑的冷卻效果越好，撲滅火災的能力越強。

張麗娟等（2014）將鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生的火災劃歸為D類火災（金屬火災），提出應該使用D類干粉滅火劑。任常興等（2018）選擇不同滅火氣體對鋰離子電池火災的滅火效果開展了研究，結(jié)果表明七氟丙烷和氮氣可以提高電池的相對安全性。黎可等（2018）選用火探管技術(shù)與Novec1230滅火劑進行實驗，結(jié)果表明當探管位于火焰上方時，可以快速降低溫度。周會會等（2017）提出使用Lith-X、銅粉滅火劑、氮氣耦合氣體撲救電動汽車火災可以減少人員傷亡。

（二）消防救援技術(shù)

1.接警調(diào)度

在接到火災報警電話后，接線員應詢問報警人起火電動汽車型號，確定起火車輛種類，掌握該類型電池詳細信息。在撲滅電動汽車火災時，消防員必須攜帶絕緣破拆工具、電表、測溫儀等相關(guān)器材進行救援。

2.警戒

根據(jù)火情及事故嚴重程度確定警戒范圍。一般來講，救援人員為保障自身安全，應在距離起火車輛15m之外進行火災的撲滅，在人員密集場所及高速路上可適當擴大范圍。

3.斷電

將車鑰匙擰至OFF檔位，確保車輛熄火。同時將車鑰匙放入屏蔽裝置中或者將其帶離車輛十米之外，以保證車輛自動斷電。在此基礎上仍需對車輛實施手動斷電，通過切斷電路、拔掉電池保險絲等措施確保電路充分放電。必要時可通過使用絕緣破拆工具切斷電路。

4.監(jiān)測

為了防止動力電池組突然發(fā)生爆炸，安全員應使用測溫儀對電池溫度進行持續(xù)測量，當電池溫度突然升高時救援人員需及時撤離。當事故車輛及動力電池組未見明火時，應在確保電路切斷的情況下拆卸電池組，并使用大量的水對電池進行持續(xù)降溫。

5.個人防護

消防員在救援過程中必須做好個人防護，尤其是需要做好防觸電及呼吸防護工作。在靠近起火車輛進行撲救時，需穿戴絕緣靴、絕緣手套等防護用具。因鋰離子電池在燃燒過程中會產(chǎn)生有毒氣體，消防救援人員必須佩戴呼吸防護裝置。

四、結(jié)語

我國電動汽車行業(yè)仍處于飛速發(fā)展時期，銷量和持有量在不斷增長，電動汽車火災撲滅難度高、危險性大的特點給消防工作帶來了更大的挑戰(zhàn)。為保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全，必須針對鋰離子電池火災的特性，提出更加科學的火災撲救措施，切實提高滅火作戰(zhàn)效率。

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