電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)特性及滅火技術(shù)研究

■ 陸時(shí)正 武漢市蔡甸區(qū)消防救援大隊(duì)

電動(dòng)汽車(chē)是以車(chē)載電源為動(dòng)力，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛的新能源汽車(chē)。推廣電動(dòng)汽車(chē)可有效降低城市污染，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)340 萬(wàn)輛，占據(jù)全球份額一半以上，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量占總體銷(xiāo)量已達(dá)10%，創(chuàng)歷史新高。但在電動(dòng)汽車(chē)飛速發(fā)展的同時(shí)，其自燃、起火等火災(zāi)事故頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)事故達(dá)3000 余起。因此，針對(duì)此類(lèi)新型火災(zāi)事故進(jìn)行探討，分析火災(zāi)特性、討論滅火技術(shù)，對(duì)保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要意義。

一、電動(dòng)汽車(chē)電池結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)主要由動(dòng)力電池組、內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)、控溫模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓線路等部分組成。動(dòng)力電池組是其中最活躍、危險(xiǎn)性最高的部位。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在已銷(xiāo)售的電動(dòng)汽車(chē)中，80%的動(dòng)力源為鋰離子電池。

（一）電池物理結(jié)構(gòu)

目前，車(chē)載動(dòng)力電池采用多個(gè)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(jìn)一步提升。為了防止在充放電的過(guò)程中電池局部溫度過(guò)高導(dǎo)致自燃現(xiàn)象，電動(dòng)汽車(chē)廠商在電池中采用熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)，在電芯的中間使用隔熱材料進(jìn)行間隔，組裝形成電池組，安裝于電動(dòng)汽車(chē)的底部位置。

廠商主要通過(guò)電池正極使用更加安全的新型化學(xué)材料以及改進(jìn)電芯的物理排布方法兩種手段，來(lái)提升動(dòng)力電池組的安全性能。在改進(jìn)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(chē)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(lái)保障極端情況下電池的安全。

（二）電池化學(xué)原理

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜四個(gè)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(fù)極通常采用不參與反應(yīng)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(jī)溶劑在一定比例下配置而成，起到運(yùn)輸反應(yīng)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(fù)極的反應(yīng)。

現(xiàn)階段，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池是車(chē)載動(dòng)力電池中技術(shù)最為成熟也是運(yùn)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(dòng)汽車(chē)火災(zāi)特性

電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)原因可以概括為：車(chē)載電路系統(tǒng)或動(dòng)力電池因自身發(fā)生故障或受到外力作用導(dǎo)致電池快速釋放化學(xué)能，從而發(fā)生熱失控現(xiàn)象，引發(fā)車(chē)內(nèi)可燃物燃燒，發(fā)生火災(zāi)。下面從四個(gè)方面探討電動(dòng)車(chē)的火災(zāi)特性。

（一）火災(zāi)發(fā)生場(chǎng)景復(fù)雜多變

與燃油汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)在充電及行駛過(guò)程發(fā)生火災(zāi)概率較大，電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)發(fā)生場(chǎng)景更為復(fù)雜多變。

電動(dòng)汽車(chē)在充電過(guò)程中起火主要表現(xiàn)為車(chē)輛自燃，通常包含兩種原因：一是電池組在充電過(guò)程中發(fā)生熱失控現(xiàn)象，引發(fā)電池膨脹、化學(xué)能大幅度釋放、電池組爆炸等，導(dǎo)致車(chē)輛內(nèi)部可燃物著火，誘發(fā)火災(zāi)。二是車(chē)輛內(nèi)部的車(chē)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(dòng)汽車(chē)在充電過(guò)程中局部電路溫度過(guò)高，進(jìn)而引燃絕緣層或者產(chǎn)生電火花。

在行駛過(guò)程中，電池組處于放電狀態(tài)，火災(zāi)原因主要分兩種：一種是汽車(chē)由于自身故障導(dǎo)致自燃。汽車(chē)的電路系統(tǒng)和電池組在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，溫度急劇升高，達(dá)到峰值。此時(shí)若熱管理模塊出現(xiàn)故障，未能及時(shí)降溫，車(chē)輛便會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象，駕駛員會(huì)感受到車(chē)內(nèi)溫度升高、動(dòng)力下降，但由于火災(zāi)蔓延迅速，往往來(lái)不及做出補(bǔ)救措施，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到駕乘人員生命安全。另一種是車(chē)輛遭受碰撞后，電路電池系統(tǒng)受損引發(fā)火災(zāi)。發(fā)生交通事故時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)遭受猛烈沖擊，電池在使用過(guò)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(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)在遭受猛烈碰撞后發(fā)生火災(zāi)的概率明顯提升，且火災(zāi)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(dāng)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，電池會(huì)在燃燒過(guò)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(dòng)汽車(chē)的燃燒溫度一般遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，以常見(jiàn)的三元鋰離子電池為例，其在燃燒過(guò)程中的火焰最高溫度可達(dá)880℃，而汽油燃燒過(guò)程中的火焰溫度為400℃左右。

此外，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，動(dòng)力電池組在各種誘因下會(huì)產(chǎn)生不同副反應(yīng)，進(jìn)而釋放大量的反應(yīng)熱。在熱的作用下，電解液揮發(fā)、分解，電池內(nèi)部安全保護(hù)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(shí)間。

（三）易復(fù)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?cái)U(kuò)展?fàn)顟B(tài)，內(nèi)部溫度依然很高。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(huì)發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。

電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，在多種因素的作用下，電解液可能會(huì)發(fā)生泄漏現(xiàn)象，泄漏的過(guò)程中并不一定會(huì)發(fā)生熱失控現(xiàn)象，電池仍在運(yùn)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(duì)眼睛、耳鼻喉、呼吸系統(tǒng)有刺激性作用。當(dāng)電池受到高溫或者外力碰撞時(shí)，便有較高概率發(fā)生爆炸，此時(shí)駕駛員和乘客便會(huì)受到電解液蒸汽的腐蝕傷害。

此外，鋰離子電池在燃燒過(guò)程中，部分材料會(huì)在高溫作用下被氧化，產(chǎn)生甲苯、苯乙烷等有毒氣體，長(zhǎng)時(shí)間待在車(chē)內(nèi)狹小密閉的環(huán)境中，駕駛員和乘客會(huì)有中毒窒息等危險(xiǎn)，嚴(yán)重的甚至?xí){到救援人員和被困人員的生命安全。

（四）火災(zāi)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間，因此通過(guò)窒息法很難撲滅火災(zāi)。由于鋰離子電池位于車(chē)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(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航需求的增加，電池的體積也在不斷地增大，在撲滅火災(zāi)之后，仍需對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)以防復(fù)燃，因此撲滅電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)往往需要一個(gè)小時(shí)或者更長(zhǎng)時(shí)間。無(wú)論是從火災(zāi)撲滅難度還是危險(xiǎn)性來(lái)講，電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)的救援難度都要遠(yuǎn)超過(guò)燃油汽車(chē)起火。

三、電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)滅火技術(shù)

在上文中已經(jīng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)的特性進(jìn)行了詳細(xì)敘述，下面通過(guò)滅火劑的選擇和消防救援技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)電動(dòng)汽車(chē)滅火技術(shù)進(jìn)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(fù)燃的特性，選取滅火劑的關(guān)鍵在于降溫冷卻能力。德國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)監(jiān)督協(xié)會(huì)經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用水進(jìn)行滅火存在時(shí)間長(zhǎng)、耗水量大等缺點(diǎn)，而在水中加入少量F-500 和Firesorb 滅火劑可以大大縮短撲滅時(shí)間，有效降低耗水量。美國(guó)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(shí)間流量的減少，降溫效果明顯提升。李毅等（2015）開(kāi)展了多種滅火劑和細(xì)水霧對(duì)18650 型磷酸鋰電池的滅火實(shí)驗(yàn)。張青松等（2018）分別使用細(xì)水霧和超細(xì)干粉滅火劑對(duì)機(jī)載鋰離子電池展開(kāi)了滅火實(shí)驗(yàn)。美國(guó)NTIS 使用不同類(lèi)型的哈龍滅火劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，滅火劑的冷卻效果越好，撲滅火災(zāi)的能力越強(qiáng)。

張麗娟等（2014）將鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生的火災(zāi)劃歸為D 類(lèi)火災(zāi)（金屬火災(zāi)），提出應(yīng)該使用D 類(lèi)干粉滅火劑。任常興等（2018）選擇不同滅火氣體對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的滅火效果開(kāi)展了研究，結(jié)果表明七氟丙烷和氮?dú)饪梢蕴岣唠姵氐南鄬?duì)安全性。黎可等（2018）選用火探管技術(shù)與Novec 1230 滅火劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)探管位于火焰上方時(shí)，可以快速降低溫度。周會(huì)會(huì)等（2017）提出使用Lith-X、銅粉滅火劑、氮?dú)怦詈蠚怏w撲救電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)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(zāi)報(bào)警電話后，接線員應(yīng)詢問(wèn)報(bào)警人起火電動(dòng)汽車(chē)型號(hào)，確定起火車(chē)輛種類(lèi)，掌握該類(lèi)型電池詳細(xì)信息。在撲滅電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)時(shí)，消防員必須攜帶絕緣破拆工具、電表、測(cè)溫儀等相關(guān)器材進(jìn)行救援。

2.警戒

根據(jù)火情及事故嚴(yán)重程度確定警戒范圍。一般來(lái)講，救援人員為保障自身安全，應(yīng)在距離起火車(chē)輛15m 之外進(jìn)行火災(zāi)的撲滅，在人員密集場(chǎng)所及高速路上可適當(dāng)擴(kuò)大范圍。

3.斷電

將車(chē)鑰匙擰至OFF 檔位，確保車(chē)輛熄火。同時(shí)將車(chē)鑰匙放入屏蔽裝置中或者將其帶離車(chē)輛十米之外，以保證車(chē)輛自動(dòng)斷電。在此基礎(chǔ)上仍需對(duì)車(chē)輛實(shí)施手動(dòng)斷電，通過(guò)切斷電路、拔掉電池保險(xiǎn)絲等措施確保電路充分放電。必要時(shí)可通過(guò)使用絕緣破拆工具切斷電路。

4.監(jiān)測(cè)

為了防止動(dòng)力電池組突然發(fā)生爆炸，安全員應(yīng)使用測(cè)溫儀對(duì)電池溫度進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，當(dāng)電池溫度突然升高時(shí)救援人員需及時(shí)撤離。當(dāng)事故車(chē)輛及動(dòng)力電池組未見(jiàn)明火時(shí)，應(yīng)在確保電路切斷的情況下拆卸電池組，并使用大量的水對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)降溫。

5.個(gè)人防護(hù)

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

四、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)仍處于飛速發(fā)展時(shí)期，銷(xiāo)量和持有量在不斷增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)撲滅難度高、危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)給消防工作帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。為保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，必須針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的特性，提出更加科學(xué)的火災(zāi)撲救措施，切實(shí)提高滅火作戰(zhàn)效率。