基于火災(zāi)事故樹的新能源汽車實(shí)驗(yàn)室管理探究

摘要：新能源汽車市場蓬勃發(fā)展，各高校相繼設(shè)立新能源汽車相關(guān)專業(yè)并大力建設(shè)鋰電池實(shí)驗(yàn)室，因此火災(zāi)安全管理工作也須同步更新。首先，通過搭建鋰電池過充試驗(yàn)臺進(jìn)行過充電試驗(yàn)，記錄并分析鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象及發(fā)展規(guī)律。其次，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果利用事故樹分析法得到引發(fā)鋰電池實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故的底事件。最后，根據(jù)事故樹分析結(jié)論對高校新能源汽車實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及管理工作提出建議。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)；事故樹

中圖分類號：F407""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在國家政策支持下蓬勃發(fā)展，為順應(yīng)行業(yè)發(fā)展趨勢，各高校設(shè)立“新能源汽車工程”專業(yè)，并大力新建以電池、電機(jī)和電控三電系統(tǒng)為主的新能源汽車實(shí)驗(yàn)室。其中，汽車動力電池因化學(xué)活性強(qiáng)、儲存能量高的特點(diǎn)使新能源汽車實(shí)驗(yàn)室比傳統(tǒng)的燃油車實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大大增加[1]。本文擬在鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)試驗(yàn)現(xiàn)象，運(yùn)用事故樹分析法，找到制造、使用、存放、搬運(yùn)過程中真正誘發(fā)電池?zé)崾Э厥鹿实闹苯踊驖撛谝蛩?，并將其運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理工作中，提高鋰電池實(shí)驗(yàn)室的安全系數(shù)。

1鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)過程分析

1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

車用電池單體按照正極材料不同分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩種。三元鋰電池由于比能量高、倍率充電性能好等優(yōu)勢，因此可以使乘用車獲得較好的續(xù)航里程和快充性能，從而得到廣泛應(yīng)用[2]。本文將某車用三元軟包鋰電池單體作為試驗(yàn)對象，額定容量為12Ah，三維尺寸為130mm×68mm×13mm（L×B×H）。

試驗(yàn)對SOC為100%的電池樣本進(jìn)行1C倍率（12A）持續(xù)恒流過充電，直至電池起火燃燒，并監(jiān)測整個過程中的電池電壓和表面溫度的變化，觀察過充電火災(zāi)行為特點(diǎn)[3]。其中，將電壓傳感器布置在電池極耳處，溫度測點(diǎn)布置如圖1所示。

1.2試驗(yàn)過程記錄及現(xiàn)象總結(jié)

當(dāng)過充電約1200s時，電池開始出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，隨著時間推移至2000s左右，電池鼓包現(xiàn)象逐漸明顯，但尚未破壞外表結(jié)構(gòu)，直至過充3500s左右，電池周圍開始出現(xiàn)肉眼可見的煙霧現(xiàn)象，約3550s時，電池釋放大量濃煙并噴射固體物質(zhì)，緊接著，約3660s時，電池開始出現(xiàn)明火火焰，并在3700s左右劇烈燃燒，燃燒過程持續(xù)至3850s左右，火勢開始平緩并逐漸變小，最終約5400s時，燃燒過程結(jié)束。電池周邊有明顯的黑色燃燒殘留物。試驗(yàn)過程截取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)圖片如圖2所示。

1.3鋰電池?zé)崾Э仉妷杭皽囟忍卣鞣治?/p>

通過溫度傳感器及電壓記錄的數(shù)據(jù)，可以將整個熱失控分為6個階段[1，4]，階段Ⅰ燃燒時長約為0s～1800s，這個階段樣本電池?zé)o明顯變化；階段Ⅵ燃燒時長約為3770s后，這個階段火災(zāi)基本平息，樣品無明顯變化。因此重點(diǎn)對中間4個階段進(jìn)行分析。

通過得到的溫度、電壓等數(shù)據(jù)分析可將電池?zé)崾Э剡^程劃分為以下4個階段。

階段Ⅱ：火災(zāi)醞釀（約1800s～3540s）。電池兩端電壓繼續(xù)平穩(wěn)升至4.9V左右，電池表面溫度上升較快，測點(diǎn)最高溫度達(dá)到102.2℃，過充約3540s時鼓包量達(dá)到最大，電池兩端電壓急速下降，各測點(diǎn)溫度升高速率明顯變快，如圖2（b）、圖2（c）所示。

階段Ⅲ：火災(zāi)陰燃（約3540s～3600s）。各測點(diǎn)溫度和電池兩端電壓均快速升高，并在過充至3600s左右突然升到最大值10.21V，隨后又突然快速降至4.7V，電池劇烈冒煙并火星四濺，但尚無明火出現(xiàn)，如圖2（d）所示。

階段Ⅳ：火災(zāi)爆燃（約3600s～3660s）。期間電池兩側(cè)開始出現(xiàn)射流火并劇烈燃燒，各測點(diǎn)溫度急劇上升，過充至3660s左右，最高溫度達(dá)到877℃，電壓突然驟降至0V，現(xiàn)象如圖2（e）所示。

階段Ⅴ：火災(zāi)持續(xù)（3660s～3770s）。期間明火持續(xù)燃燒，與爆燃階段現(xiàn)象不同，火災(zāi)持續(xù)階段火焰較為平穩(wěn)。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞電池電壓依舊保持為0V，因此各測點(diǎn)溫度緩慢降低，期間由于噴射火焰炙烤作用，因此電池底部側(cè)邊溫度測點(diǎn)（6#）最高溫度達(dá)到1208℃，現(xiàn)象如圖2（f）所示。

綜合上述分析，鋰電池從開始發(fā)生熱失控，到最終發(fā)生不可逆火災(zāi)事故的表現(xiàn)為先脹氣，內(nèi)部氣壓升高，達(dá)到泄壓閥臨界后開始破壞外部結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)冒煙、噴射大量化學(xué)物質(zhì)并最終出現(xiàn)明火。為展示效果，僅保留上3#、下6#、中央8#、左中7#4個傳感器數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過程的電池各測點(diǎn)溫度及兩端電壓如圖3所示。

2電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)事故樹分析

2.1事故樹分析法

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，在該方法中，將分析元素定義為事件，其中，將最終的結(jié)果定義為“頂上事件T”，它是整個分析的目標(biāo)對象，將導(dǎo)致“頂上事件”發(fā)生且可以進(jìn)一步分割的事件定義為“中間事件Mi（i=1，2，3，... ）”，與中間事件有因果關(guān)系且不能或不需要進(jìn)一步分割的事件稱為“底層事件Xi（i=1，2，3，... ）”，通過對應(yīng)的連接符號連接各事件間存在的邏輯關(guān)系。通過邏輯分析，可以進(jìn)一步分析各事件的直接原因或潛在原因[5]。

2.2鋰電池火災(zāi)事故成因分析

基于火三角原理，造成火災(zāi)須具備3個條件：可燃物、助燃劑（氧氣）和一定能量的點(diǎn)火源。

物品擺放不合理或?qū)嶒?yàn)室選址不合理可能會導(dǎo)致可燃物集中，最終造成嚴(yán)重火災(zāi)事故，因此鋰電池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部或周邊存在易燃物是最終造成火災(zāi)事故的原因之一。

鋰電池?zé)崾Э蒯尫诺拇罅繜崃渴且l(fā)火災(zāi)最重要的點(diǎn)火源，誘發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐臑E用工況又可以細(xì)分為機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用[3，4]。其中機(jī)械濫用是指電池受到不恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械外力擠壓或穿刺導(dǎo)致內(nèi)短路，電濫用是指不恰當(dāng)?shù)倪^充電和過放電以及電池外部短路導(dǎo)致內(nèi)短路，熱濫用是指鋰電池接觸外部熱源導(dǎo)致局部過熱從而誘發(fā)內(nèi)短路。

傳統(tǒng)火災(zāi)傳感器或傳感器安裝位置不合理以及傳感器未定期校準(zhǔn)導(dǎo)致失效，可能使消防系統(tǒng)不能及時識別早期熱失控火情，滅火系統(tǒng)失效或滅火劑不合適也會導(dǎo)致火災(zāi)。

2.3鋰電池實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故樹繪制

結(jié)合上述鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)致因分析，并結(jié)合真實(shí)事故統(tǒng)計(jì)分析，得到新能源汽車實(shí)驗(yàn)室鋰電池?zé)峥刂苹馂?zāi)事故樹。將鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)作為頂層事件T，造成該火災(zāi)事故的成因包括電池發(fā)生熱失控為M1、周圍存在易燃物M2和熱失控火情未及時撲滅M3等8個中間事件，而造成電池?zé)崾Э赜职C(jī)械濫用、電濫用或熱濫用多種情況，繼續(xù)分析又包括高處跌落、重物擠壓變形等14個底事件，綜合上述分析最終得到鋰電池實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故的事故樹分析圖，如圖4所示。

3新能源汽車實(shí)驗(yàn)室安全管理措施

針對鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故分析得到的事故樹底事件，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理中，應(yīng)從隔絕可燃物、避免電池濫用和配備合理的消防措施3個層面進(jìn)行加強(qiáng)和特殊處理。

3.1隔絕易燃物

鋰電池?zé)崾б坏┌l(fā)生便會迅速蔓延，為避免火情進(jìn)一步擴(kuò)散，鋰電池實(shí)驗(yàn)室應(yīng)盡可能隔絕一切潛在可燃物，具體體現(xiàn)在以下2個維度。1）獨(dú)立選址：鋰電池實(shí)驗(yàn)室選址時應(yīng)盡可能獨(dú)立，遠(yuǎn)離含化學(xué)易燃易爆物的實(shí)驗(yàn)室（例如材料實(shí)驗(yàn)室等），以免引起連鎖反應(yīng)擴(kuò)大險(xiǎn)情。2）物料分區(qū)分級放置：鋰電池周邊5m內(nèi)不允許出現(xiàn)紙箱、棉織、木制、聚酯纖維等可燃物，鋰電池試驗(yàn)材料要放置在專門的隔離區(qū)，并標(biāo)注明顯標(biāo)識。

3.2避免電池濫用

高校實(shí)驗(yàn)室主要群體為學(xué)生，對鋰電池認(rèn)知不足可能會因一些誤操作造成電池濫用，因此須從以下5個方面加強(qiáng)管理。1）制定詳細(xì)的試驗(yàn)指導(dǎo)手冊：在實(shí)踐過程中，須制定詳盡的試驗(yàn)指導(dǎo)書，且在試驗(yàn)過程中每次至少一人監(jiān)督，防止因誤操導(dǎo)致外短路或機(jī)械損傷，從而誘發(fā)熱失控。2）搬運(yùn)及存放須注意：鋰電池搬運(yùn)過程不可以暴力扔、砸，也應(yīng)避免其他尖銳物體刺穿電池外殼導(dǎo)致機(jī)械濫用。鋰電池不可相互堆疊，避免下方電池被擠壓變形，也不可放置過高以免造成高處跌落。3）對充放電過程加強(qiáng)監(jiān)督力度：須利用能定時斷電的智能插座給鋰電池充電，以保證不過充，無保護(hù)板的電池或試驗(yàn)用自制電池充電過程須有專人看守，有任何異常要及時切斷電源。4）寒暑假存放要求：鋰電池最佳存放SOC為30%～70%，長期放置可能使電池過度自放電而誘發(fā)電濫用導(dǎo)致熱失控，3個月須充電一次，充至70%。5）控制熱源：鋰電池實(shí)驗(yàn)室應(yīng)避免一切高溫?zé)嵩?，例如未熄滅的煙頭、空調(diào)外機(jī)、加熱設(shè)備等。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)須配備溫度調(diào)節(jié)設(shè)備以保證鋰電池工作，并將其存放于-20℃～35℃的環(huán)境中。

3.3配備合理的消防措施

鋰電池火災(zāi)與普通易燃物火災(zāi)不同，滅火重點(diǎn)問題是及時帶走電池內(nèi)部熱量，因此須從以下方面改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室消防措施。1）合理配置火災(zāi)傳感器：鋰電池發(fā)生熱失控早期會釋放大量CO2和H2氣體，在發(fā)生熱失控后會產(chǎn)生大量HF氣體。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)在存放鋰電池周邊的適當(dāng)位置配備對應(yīng)氣體傳感器，以識別早期火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并及時提醒管理員。2）配備恰當(dāng)?shù)臏缁鹣到y(tǒng)和設(shè)備：避免鋰電池?zé)崾Э睾妥钄鄠鞑サ年P(guān)鍵是及時降低電池表面及內(nèi)部溫度，帶走熱量?，F(xiàn)有研究表明，只有水基滅火器冷卻效果最好，但常規(guī)的水基滅火器有觸發(fā)短路風(fēng)險(xiǎn)，而細(xì)水霧滅火器因采用的純水，所以水霧直徑小無殘留，且兼具降溫滅火效果和絕緣性能。幾種常見滅火器對鋰電池?zé)崾Э睾蟮臏缁鹦Ч麑Ρ惹闆r見表1。須將鋰電池實(shí)驗(yàn)室的普通自動噴水滅火系統(tǒng)改為細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，此外還需要配備移動式高壓細(xì)水霧滅火器，用來對局部小范圍熱失控進(jìn)行人工滅火[6]。3）定期檢查校準(zhǔn)消防系統(tǒng)：長期未使用的情況下，消防系統(tǒng)中的電子元器件和噴嘴等精密件可能會偶發(fā)性失效，因此為保證出現(xiàn)火情時系統(tǒng)能夠有效工作，應(yīng)設(shè)置記錄卡，對消防系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查校準(zhǔn)。

4結(jié)論

本文通過某方形軟包鋰離子電池過充電試驗(yàn)，分析鋰電池?zé)崾Э匾?guī)律，并利用事故樹分析法得到鋰電池實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故樹，最終指導(dǎo)某高校新能源汽車鋰電池實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理工作，得到以下3個結(jié)論。1）鋰電池過充熱失控可分為6個階段，表現(xiàn)為發(fā)生產(chǎn)氣鼓包、出現(xiàn)冒煙、噴射大量化學(xué)物質(zhì)并最終出現(xiàn)明火，期間溫度急劇升高和電壓急速下降，測點(diǎn)最高溫度達(dá)到1208℃。2）可將鋰電池實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故拆解為機(jī)械濫用、存在易燃物等8個中間事件和14個底事件。3）新能源汽車鋰電池實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理應(yīng)從隔絕可燃物、避免電池濫用和配備合理的消防措施3方面入手，以提高火災(zāi)安全系數(shù)。

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