纯电动城市客车动力电池防火应用方案

陈碧毅

（厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门361022）

纯电动城市客车动力电池防火应用方案

陈碧毅

（厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门361022）

介绍某款纯电动城市客车动力电池防火安全的应用方案。该方案通过安装烟雾探测报警系统，电池箱专用灭火装置，以及铺设隔热阻燃防火材料，可大幅提高纯电动城市客车的防火性能。

纯电动城市客车；动力电池；防火措施

随着国家对新能源汽车发展的大力支持，电动汽车产销数量快速增长，产业化步伐不断加快[1-2]。现阶段，电动汽车主要以锂离子电池作为动力电池，经过多年的发展，锂离子动力电池的安全性已经得到显著的提高，但在极端条件下，锂电池仍然存在燃烧、爆炸的风险。国家、地方通过发布各项文件规范，旨在进一步加强动力电池防火要求，保障人民生命财产安全[3-4]。本文结合某款大型纯电动城市客车，针对动力电池的防火安全措施进行方案设计。

1 动力电池防火对策

1.1 动力电池防火的必要性

现阶段，国内电动汽车使用的动力电池主要为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池[5]。汽车厂根据客户的用车需求，以及动力电池特性，选用合适的动力电池类型。各种类的锂离子电池燃烧特性不一样，如三元锂电池燃烧起来很激烈，甚至爆炸，磷酸铁锂电池相对比较温和。设计人员应针对不同类型的锂离子电池，设计合适的保护措施。

锂离子动力电池长期使用后，内部将逐渐堆积锂金属枝晶。当电池遭受外力穿刺、挤压、过充、过放、高温、激烈震动等极端恶劣条件时，锂金属枝晶可能刺穿多孔隔膜，使得电池内部短路。由于锂离子电池比能量高，短路后电池将急速释放能量，导致内部温度上升。当异常产热速度高于电池的散热速度时，电池内压及温度急剧上升，将导致电池发生爆炸、燃烧。对于安全性能较差的电池，这个过程往往在数秒内完成[6]，而且动力电池正极材料的锂离子化合物属于易燃物，可与空气中的氧气反应，导致电池燃烧更加激烈。

纯电动城市客车动力电池主要采用中部、后部地板下方、车辆后部单独设计电池舱以及车辆地板下方、顶部混合等布置方式。不管动力电池采用哪种布置方式，在发生紧急火灾事故时，乘客舱内均无法直接观察到动力电池舱内部火情。如果动力电池舱发生火灾，将迅速引燃乘客舱，给乘客安全造成威胁。特别是电池布置在地板下方的车型，城市客车地板一般采用竹筋板，属于易燃品，电池着火后，将快速引燃竹筋板，给乘员逃生造成困难。因此，采取适当的防火措施，可以有效减少火灾对车辆和人员的伤害。

1.2 动力电池防火措施

目前汽车厂主要通过主动安全和被动安全来保证电池的防火安全。主动安全是通过电池管理系统（BMS）实时监控电池内部的电压、电流、温度等参数[7]实现的。当电池的电压、电流、温度等参数超出设计值，BMS将相关信息发送给仪表，通过仪表发出声光报警，同时与地面充电桩、整车控制器通信，通过降低功率输出、切断高压，实施有效的安全措施。被动安全是通过安装额外的装置，确保电池发生火灾时，对火灾进行预警、灭火，防止火灾从电池蔓延到整车。如果灭火装置无法对电池进行完全灭火，也要通过报警装置提醒乘员逃离、用阻燃防火材料延缓火灾蔓延时间。

本文所介绍的纯电动城市客车动力电池防火应用方案，采取的措施有电池箱安装电池箱专用自动灭火装置；电池舱安装车载烟雾探测报警系统；电池舱内壁安装隔热阻燃防火材料。

2 动力电池防火应用方案设计

2.1 电池箱专用灭火装置应用方案

2.1.1 电池箱专用自动灭火装置工作原理

电池箱专用自动灭火装置控制系统，实时监控电池箱内部的烟雾浓度、电芯温度，当烟雾浓度、电芯温度超出设计值，系统判断电池箱内部着火后，灭火装置将自动或提醒驾驶员对电池箱内部的火源手动灭火，同时仪表台的显示器发出声光报警，提醒乘客安全疏散，工作原理如图1所示。

图1 电池箱专用自动灭火装置工作原理图

电池箱专用自动灭火装置采用能有效消灭锂电池火灾的高压灭火剂，例如采用厦门中汽客的电池箱专用自动灭火装置，15 kg左右的灭火剂可对30 kW·h电量的电池实施有效灭火。当灭火剂喷入电池箱后，能迅速降低电池箱内电芯的温度，使电池无法进入热失控状态；在降温的同时，灭火剂通过化学抑制的方法，修复隔膜微细孔，抑制锂离子漂移，同时捕获燃烧自由基，中止电池内部短路反应[8]，有效抑制电池燃烧。

经过试验验证，该系统可有效地对电池箱进行灭火，灭火后，可持续抑制动力电池10 min不复燃，给乘客提供足够的逃生时间。同时，该装置有火灾二次复燃再扑救功能，当发生火灾二次复燃时，灭火装置能自动探测到二次火灾信号，自动启动灭火装置中的备用瓶组，实施灭火。

2.1.2 电池箱专用自动灭火装置布置方案

电池箱专用自动灭火装置布置连接时，通过通信线将电池箱内的火情信息发送至灭火装置主机，当电池箱内部发生火情，满足灭火装置启动条件时，灭火装置通过气管将灭火剂输送到发生火情的电池箱内，实施灭火。

某款纯电动城市客车共有10个电池箱，中部8个电池箱，尾部2个电池箱，灭火装置主机布置在右后设备舱，电池箱着火时，灭火装置通过气管将灭火剂输送到各个电池箱中。灭火装置布置图如图2所示。

图2 电池箱专用自动灭火装置布置图

2.2 烟雾探测报警系统应用方案

2.2.1 烟雾探测报警系统工作原理

烟雾探测传感器可实时监测电池舱、控制器舱内的烟雾浓度，当电池舱、控制器舱内部发生火灾，车载烟雾传感器可以迅速的采集空气中的烟雾颗粒、氮氧化合物等气体，当烟雾浓度超过设定值，系统判断电池舱着火后，通过仪表台的显示器面板发出声光报警[9]，提醒乘客安全疏散，烟雾传感器内部设有吸风装置，可有效提高检测效率。烟雾探测的项目和报警浓度为：灰尘颗粒＞15 000个/500 mL，烟雾颗粒＞15 000个/500 mL，一氧化碳＞375 mg/m3，一氧化氮＞1 071 mg/m3，氢气＞71 mg/m3，乙烯＞625 mg/m3。

2.2.2 烟雾探测报警系统布置方案

显示器面板布置在仪表台上，驾驶员可清楚看见的位置。烟雾传感器布置在电池舱上方，可迅速采集电池箱燃烧时扩散出来的烟雾、气体。

某款纯电动城市客车共有2个电池舱，中部电池舱空间大，左右各安装一个传感器，可迅速采集烟雾，后部电池舱顶部安装一个传感器，烟雾传感器安装位置如图3所示。

图3 烟雾传感器安装位置

2.3 隔热阻燃防火材料应用方案

1）隔热阻燃防火材料的防火性能。防火材料采用纳米陶瓷材料制造，具有优异的耐高温、隔热性能。可以抵挡锂电池燃烧火焰30 min以上，锂电池燃烧时，火焰最高温度可达850℃左右[10]。该方案可以确保电池舱燃烧时，电池舱上方的竹筋板（一般客车用的地板是竹筋板和PVC地板，两者都不能阻燃）不被快速引燃，从而保证乘客的安全疏散时间。另外，通过采用阻燃防火地板也可以达到防火目的。但是目前国内尚无合适的阻燃防火地板，如果重新开发，周期长、成本高，不利于整车的批量生产。

2）防火材料与竹筋板的固定方式：防火材料自带背胶，将防火材料黏贴到竹筋板下方；从防火材料一侧打码钉，码钉间距为300 mm×300 mm左右。

3）隔热阻燃防火材料安装位置。某款纯电动城市客车的动力电池布置在整车中段，防火材料安装位置如图4所示。

图4 电池舱隔热阻燃防火材料安装位置

3 结束语

以上方案是现阶段纯电动城市客车动力电池防火安全的有效实施手段。当动力电池发生火灾时，这些措施将大幅提高纯电动城市客车的防火性能。

[1]中华人民共和国财政部.关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知：财建[2015]134号[EB/OL].（2015-4-22）[2016-04-18].http：//jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/zhengcefagui/201504/t20150429_1224515.html.

[2]中华人民共和国工业和信息化部.2015年新能源汽车高速增长[EB/OL].（2016-1-15）[2016-5-4].http：//www.miit.gov.cn/ n1146312/n1146904/n1648362/n1648363/c4600465/content. html.

[3]中华人民共和国交通运输部.纯电动城市客车通用技术条件：JT/T1026-2016[S].北京：人民交通出版社，2016.

[4]中华人民共和国交通运输部.公交客车通用技术要求：DB31/T306-2015[S].上海：上海市质量技术监督局，2015.

[5]黄学杰.电动汽车动力电池技术研究进展[J].科技导报，2016（6）：28-31.

[6]冯祥明，郑金云，李荣富，等.锂离子电池安全[J].电源技术，2009，33（1）：7-9.

[7]卢兰光，李建秋，华剑锋，等.电动汽车锂离子电池管理系统的关键技术[J].科技导报，2016（6）：39-51.

[8]张立娟，韩沁沁，赵金怀.锂电池生产企业的D类火灾扑救对策[J].工业安全与环保，2014，40（7）：38-39.

[9]赵杰.新能源客车用多通道烟雾报警器介绍[J].汽车电器，2016（1）：37-39.

[10]何向明，冯旭宁，欧阳明高.车用锂离子动力电池系统的安全性[J].科技导报，2016（6）：32-38.

修改稿日期：2016-09-30

Application Scheme of Power Battery Fire Proof for Pure Electric City Buses

Chen Biyi
（Xiamen Golden Dragon Bus Co.,Ltd,Xiamen 361022,China）

The application scheme ofpower batteryfire proofsafetyfor a pure electric citybus is introduced.Byinstalling smoke detection systems and special fire extinguishing systems for battery box and laying heat insulation, flame retardant and fire proofmaterials,the proposals maygreatlyincrease the fire proofperformance ofpure electric citybuses.

pure electric citybus;power battery;fire precaution

U463.83+1

B

1006-3331（2017）01-0037-03

陈碧毅（1984-），男，工程师，主要从事新能源客车储能系统方案开发工作。