受限空间内锂电池火灾扑救的试验研究

陈智明 王晓君

摘要：锂电池热失控引发的火灾扑救工作具有一定的挑战性，在灭火救援工作中会经常遇到，为安全、高效扑救锂电池火灾，笔者立足于受限空间内锂电池热失控引发火灾的系列实体试验，对锂电池热失控产生的火灾烟气及温度、不同类型灭火剂对起火锂电池组降温效果等开展研究，并根据试验测量数据和试验现象，对灭火救援过程中重点关注的爆炸、中毒、灭火及车辆转移等问题进行探讨，给出了对应的处置措施建议，为安全、专业地开展受限空间内锂电池火灾扑救工作提供理论与实践支撑。

关键词：受限空间;锂电池;火灾扑救;全尺度火灾试验

随着新能源汽车的广泛应用，锂电池火灾也频繁发生，在扑救受限空间锂电池火灾时，容易造成救援人员伤亡。2016年5月31日，江苏省启东市一锂电池仓库发生火灾，在救援过程中现场发生爆炸，造成1名消防员牺牲、7名消防员受伤。2021年4月16日，北京市丰台区一储能电站发生火灾，在救援过程中现场发生爆炸，造成2名消防员牺牲、1名消防员受伤、1名电站员工失联。上海国际汽车城地处上海市嘉定区，区内分布了上海大众、上汽荣威、蔚来汽车、沃尔沃汽车等多家造车企业，均纷纷致力于新能源车的研发和制造，大量使用、存储锂电池。为安全、高效扑救灾锂电池火灾，嘉定区消防救援支队联合同济大学上海防灾研究所，开展了由锂电池热失控而引发汽车火灾扑救的系列试验，对锂电池热失控燃烧产生的烟气、温度、不同类型灭火剂对燃烧电池降温效果等进行研究。

1  火灾试验方案

1.1  燃烧试验材料

系列试验模拟汽车因动力电池热失控而引发火灾，试验车辆选用4门5座三厢同型号轿车，车辆长宽高为4675mm×1770mm×1500mm。动力电池选取三元锂电池，动力电池组尺寸长宽高为820mm×500mm×130mm，成组方式为60并22串，容量132Ah，电压79.2V，电池组电量10.45kWh， 18650电芯数量1320支，电池包盒体材质为钢制喷塑。根据市场调研，现有新能源汽车动力电池一般位于车辆底部前、后桥及两侧纵梁之间，本次试验选取比较常见且难以处置的车辆底部位置为主要研究对象，将锂电池安装在车辆副驾驶座位下方的车厢底面处。试验时均为满电状态，采用电加热板加热，迫使电池组发生热反应，当电池热失控后停止加热。

1.2  试验数据采集点设置

根据试验目的，主要采集温度和气体两个方面的数据。一是使用热电偶测量采集电池舱内和车体附近环境的温度数据，热电偶分布如图3所示，其中1～9号热电偶采集电池舱内数据，10～19号热电偶采集车体附件环境的温度。二是使用FTIR烟气毒性分析系统测量火场烟气的种类和浓度数据。

1.3  火灾扑救方案

基于锂电池热失控引发的火灾会出现自生热、自生氧和产生大量可燃性气体的特点，采取淹没电池式的灭火方法，能最大限度的起到降温和灭火效果，为提高单位消防用水的灭火效能，在试验车辆周围预先设置高度为600mm的围挡，能存储灭火时的消防用水或泡沫。电池热失控后，人们开始报警，消防员从接到报警到开始救援需要一定的时间，通常在15分钟左右。在电池组发生热失控后，引燃汽车内饰，火灾猛烈燃烧后6分钟左右，此时与消防员到场展开救援时间相吻合，开始干预灭火。当使用水作为灭火剂灭火时，灭火器材采用φ40mm支线水带、QLD6/8直流喷雾水枪，单支水枪流量≥5L/s，共出2支枪，喷射水流状态为直流水枪和喷雾水枪。当使用压缩空气泡沫作为灭火剂灭火时，灭火器材采用φ40mm支线水带、压缩泡沫枪，单支枪流量≥5L/s，共出2支枪。

2  试验数据及分析

2.1  用水扑救试验结果及分析

为防止动力电池热失控后产生的大量气体造成爆炸，试验时副驾驶座后侧车窗玻璃已经摇下100mm的缝隙，用于泄压。试验开始后，电加热板加热至300℃时，电池开始发生热失控，有少量灰白色煙冒出。随后，逐渐能够听到零星的电池爆裂声，透过车窗玻璃能观察到灰白色烟气充满整个车内空间，并且有一些灰白色烟气从预留的缝隙处冒出。距第一个电芯热失控230s时，发生猛烈爆炸，将关着的车门震开，左右两侧四扇窗玻璃、车顶天窗玻璃震碎，玻璃碎片最远飞行距离超过30m。爆炸发生时伴随着火光，随即熄灭后，8s后又重新燃烧，并开始出现黑色烟雾，爆炸后25s车辆开始全面燃烧，产生大量黑烟。模拟消防车到场时间为爆炸发生后的380s，消防员出两支水枪，从车辆后侧两个方向出水灭火，黑色烟气中出现白色水雾，出水20s后明火被扑灭，随后持续冷却车辆及电池，直至水淹没轮胎后停水，全程出水用时450s。图2为用水扑救试验的几个关键时间点图像，图中时间参照点为第一颗电芯热失控时刻。

图3为电池仓内温度随时间变化曲线。如图3所示，当加热板的温度T1达到300℃时，与加热板相邻的锂电池表面温度T3迅速上升，在试验270s左右，锂电池模组开始发生热失控。在热失控初期，由于高温还未在模组内完全传播，此时只有少量白雾状烟气产生，无明火，并伴随有零星的电池爆裂声。随着热量在模组内扩散，电池组内温度快速上升，距离加热板较远的电池进入热失控状态，2号、4号和5号热电偶处温度迅速上升。发生热失控后，区域内温度在600～700℃，从试验340s一直持续到试验1100s，整个锂电池模组内最高温度为701℃。

图4为车体附件温度随时间变化的曲线。如图4所示，在爆炸发生前，车辆周边环境的温升不明显，爆炸发生后，车内出现明火并剧烈燃烧，车辆周边环境的温度陡然上升，最高温度达到992.7℃。消防员出2支水枪后，车体附近的环境温度急剧下降。

对比电池舱内温度变化和车体附件环境温度的变化曲线，明显可以看出电池舱内热量难以散去，需要长时间冷却才能降温，即消防员在实施灭火作业时环境温度就开始急骤降温，而电池舱内还是维持在高温区，随着消防水持续喷射入，产生大量水蒸汽带走热量，且水流持续冷却电池组直至全淹没，在明火扑灭315s后，电池组温度才降至75℃以下。

2.2  用泡沫扑救试验结果

在总结用水扑救试验过程中爆炸现象基础上，为防止动力电池热失控后产生的大量气体造成爆炸，试验时副驾驶座后侧车窗玻璃已经摇下300mm的缝隙，用于泄压。试验开始后，电加热板加热至450℃时，电池开始发生热失控，有少量灰白色烟冒出。热失控15s后，车厢内部有明火，但明火不大若隐若现。随后，逐渐能够听到零星的电池爆裂声，透过车窗玻璃能观察到灰白色烟气充满整个车内空间，并且有一些烟气从预留的缝隙处冒出。热失控96s后，副驾驶座后侧车窗处窜出火苗，火势逐渐扩大，随后始终在这一侧窗户处维持稳定燃烧，其他玻璃也没有破裂。模拟消防车到场时间，热失控545s后，消防员出两支泡沫枪，从车辆后侧两个方向出泡沫灭火，迅速扑灭火灾。当消防员从远处第一次喷射泡沫至车辆后窗玻璃时，玻璃自行破裂，随即有浓浓灰白色烟气涌出，但没有明火，随着持续泡沫压制，出泡沫20s火灾被扑灭。随后持续出泡沫填充车厢和围板区，出泡沫150s后填满。图5为用泡沫扑救试验的几个关键时间点图像，图中时間参照点为第一颗电芯热失控时刻。

图6为电池舱内温度随时间变化曲线。如图6所示，当加热板的温度T1达到450℃时，锂电池模组开始发生热失控。热失控发生后，3号、2号和6号热电偶处温度迅速上升，表明此处电芯均发生了热失控，电池舱内温度快速上升，距离加热板较远的电芯进入热失控状态。随后5号热电偶处也发生了热失控，区域内温度在600～700℃，从试验340s一直持续到试验1100s，整个锂电池模组内最高温度为697℃。

图7为车体附件温度随时间变化的曲线。如图7所示，在火焰冒出车窗前，车辆周边的环境的温升不明显;火焰冒出车窗后，着火侧环境温度上升明显;当后窗玻璃破损后的瞬间，温度达到560℃，随后室外温度急剧下降。当消防员喷射泡沫开始灭火时，车辆周边的温度出现瞬时高温后，立即直线降温，这表明灭火泡沫也能与水一样，使车辆周边温度快速下降。

对比两次试验的车体附近温度，本次试验可以看成是通风控制的稳定燃烧，整个试验过程中，只有一个窗户出现了持续稳定的燃烧，因此车体附近的温度在500℃以下;而用水扑救试验自爆炸后，可看成是燃料控制的燃烧，浓烟滚滚火势猛烈，车体附近的温度均超过了800℃。对比两次试验的电池舱内温度，可以判断无论车体是哪种燃烧模式，电池模组内的温度基本都在600～700℃之间，这也表明电池模组相对整个火场环境，它是一个独特的区域，电芯热失控是维持其舱内温度的主要因素。

2.3  产生烟气情况及分析

在试验中，使用FTIR烟气毒性分析系统测量火场烟气的种类和浓度数据，主要测试了烷烃类气体中的甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和乙烯（C2H4），一氧化碳（CO），急性中毒性气体氰化氢（HCN）、二氧化氮（NO2）和氯化氢（HCL）等对三类多种气体进行了采样分析，图8分别为锂电池热失控后，汽车内烷烃类气体、一氧化碳和急性中毒性气体浓度随时间变化曲线。

从图8可以看出，锂电池热失控后将产生大量可燃性气体和有毒性气体，可燃性气体主要包括烷烃类气体和一氧化碳，有毒性气体主要包括一氧化碳、氰化氢、二氧化氮、氯化氢等。大量可燃性气体产生并聚集，极易在短时间内形成爆炸性混合气体，使爆炸成为大概率事件。大量急性中毒类气体产生并聚集，极易对现场无防护人员造成速杀性致命伤害。

3  受限空间内锂电池火灾扑救需要重点注意的几个问题

3.1  关于爆炸性的问题

锂电池在受限空间内热失控是存在爆炸风险的，爆炸发生的时间与受限空间内因热失控而生成的可燃性气体浓度达到爆炸下限的时间密切相关。若受限空间体积小，同时热失控的锂电池多，且该空间通风性能差，则产生的可燃性混合气体很快就达到了爆炸下限，爆炸发生的时间距电池热失控的时间点就短。若受限空间体积大、热失控的锂电池少，或者该空间通风性能好，则产生的可燃性混合气体难以达到爆炸下限，就不可能发生爆炸。在试验1中，虽然开了100mm的后窗缝隙，但是在短时间内锂电池热失控产生的混合性可燃气体就达到了爆炸下限，电池持续的热失控必然会引爆爆炸性混合气体，因此爆炸发生了。在试验2中，后窗的开缝距离达到300mm，生成的混合可燃气体难以聚集，在空间内没有达到爆炸下限，因此只在开口处形成火焰而没有发生爆炸。

锂电池热失控产生的烟气是灰白色的，与一般可燃物、塑料以及其他化工产品燃烧时产生黑色浓烟是有明显差别的。在消防救援时，容易给消防员带来误导，以为没有冒出黑烟，现场为小型火场，燃烧就不猛烈，从而放松警惕。因此，若受限空间内存放了大量锂电池，且多个电池发生了热失控，因空间的密封性能较好，从外部难以看到明显的燃烧迹象，此时发生爆炸的风险极高。本文引言中的两个案例大概率是由于这种原因造成的。遇到此类火灾救援时，若现场没有出现火光和浓烟，表明现场没有泄压，要充分评估可能发生爆炸的可能性，尽可能的使用固定消防设施或远程利用无人机、热成像仪进行侦察，选择站位时应避开门、窗、孔洞等泄压口。若确需进攻，应选寻找好掩体，再远程破拆泄压口，火焰冒出窗口30s左右再实施灭火。

3.2  关于烟气毒性的问题

锂电池热失控产生的烟气中含有大量有毒有害气体，且烟气温度高。在用泡沫扑救试验中，测得车厢内的常见有毒气体浓度均超过成人的致死浓度数倍：氰化氢的浓度超过2300ppm（成人致死量为400mg/m3，约为480ppm）;二氧化氮的浓度超过2100ppm（空气中的二氧化氮及氮氧化合物浓度超过200ppm时，健康成年人10分钟内死亡）;一氧化碳的浓度超过50000ppm（空气中的一氧化碳浓度达到12800ppm时，健康成年人1～3分钟内死亡）。在面积稍大的受限空间，比如仓库、隧道或地下空间，虽然空间比较大，若锂电池的数量多、燃烧时间长，较大空间内有毒气体的浓度也会很高，同样能造成没有防护人员的伤亡。因此，在处置锂电池热失控火灾时，参战消防员务必要做好个人防护，尤其是呼吸系统的防护，在救援过程中坚决杜绝不佩戴空气呼吸器的行为。同时，在排烟时要防止该类烟气侵袭无防护措施的人员。

3.3  关于锂电池灭火的问题

锂电池火灾能持续的机理是：已经热失控的电芯所产生的热量，使得电解液热分解、相邻电芯继续热失控，持续不断的提供燃烧所需的热量和燃料，使得锂电池火灾能长时间的维持燃烧。即使电池舱外围的明火扑灭，然而封装良好的電池舱内部温度却没有得到有效降低，锂电池热失控还会持续。因此，要扑灭锂电池火灾，就需要持续进行冷却。在众多冷却方式中，淹没式的冷却更彻底。在灭火救援时，当前广泛使用的水或泡沫，对热失控的锂电池均能有效降温。

对于装载锂电池的新能源汽车，动力电池大多安装在汽车底部，在外部使用水枪难以有效打击火势或对电池降温，可以选择向车厢内部射水的方式从上部冷却电池，也可以使用临时围板，储水或储泡沫淹没灭火。对于其它受限空间内锂电池火灾，可以通过筑堤或设置围板的方式储水或储泡沫进行淹没灭火。

在选用淹没式灭火时，用水扑救试验灌注满用时720s，用泡沫扑救试验灌注满用时为122s，用泡沫填充的时间明显要比用水短，且在实际救援中，围挡与地面间存在一定的缝隙，难以存储大量的水，但可以存储大量的泡沫。因此，当选用淹没式灭火时，建议使用泡沫作为灭火剂。

3.4  关于转移灭火的问题

因锂电池火灾通常持续时间长，大量锂电池聚集的危险性更大，因此，当条件成熟时，应采取转移电池的方法，来控制灾情发展扩大。

对于锂电池的新能源车，当火灾发生在隧道、地下空间或建筑内时，明火扑灭后应将车辆转移至室外开放空间，再实施淹没式冷却，即使在转移过程中有个别电芯发生热失控，也不会影响大局，使用监护水枪浇灭即可。对于储存锂电池的仓库，当室内部分锂电池热失控起火后，在控火灭火的同时，要对热失控周边的锂电池进行降温，尽量创造条件转移受到火势威胁的锂电池，并分开存放。

4  结语

锂电池新能车因热失控发生火灾是受限空间内锂电池火灾的典型代表。相对空间而言，汽车内部空间可以看成是堆放动力电池区域，并且具有较好的密闭性;相对锂电池而言，新能源车动力电池热失控后的一系列特征也能较好的体现锂电池热失控的火灾特征。动力电池数量与存放空间比，相对于储能电站、电池仓库要小一些。在锂电池新能源车热失控引发的火灾中出现的特征，在受限空间内锂电池热失控引发的火灾中也会出现，因此，在处置该类型火灾过程中，要充分考虑到现场可能出现的爆炸、毒气、灭火方法、战术措施及选用的灭火剂种类等多种因素，认真开展灾情侦察，科学决策，打有准备之仗。

此外，由于笔者研究团队的能力和水平有限，只对1个汽车模组的三元锂电池热在受限空间内热失控进行了真火试验，重点关注了电池舱和车体附近的温度、产生气体种类及空间内的浓度、试验过程中烟气特征、爆炸现象、不同类型灭火剂和灭火方式的扑救效果等，开展一些试验和研究，得出的结论可能不够全面，不当之处敬请不吝赐教和批评指正。

参考文献：

[1]陈智明.消防救援初战[M].北京：应急管理出版社，2021.

[2]陈文博，颜健等.电动汽车动力锂电池火灾危险性的研究进展[J].电源技术，2021，45（02）：270-273.

[3]郭君，贺元骅等.热失控性下环境体系对锂离子电池火灾危险性的影响[J].消防科学与技术，2020，39（08）：1160-1164.

[4]宋志龙，孙均利.锂离子电动汽车火灾危险性与应急救援研究[J].工业安全与环境，2020，46（05）：16-19.

[5]姜连瑞，李梦雨.锂电池火灾扑救战术方法研究[J].消防技术与产品信息，2017（12）：33-36.

[6]代旭日，何宁.锂电池火灾特点及处置对策[J].消防科学与技术，2016，35（11）：1616-1619.

[7]National Fire Protection Association. Electric Vehicle Emergency Field Guide [K].Quincy，MA.2014.

[8]司戈，王青松.鋰离子电池火灾危险性及相关研究进展[J].消防科学与技术，2012，3l（09）：994-996.

Experimental research on fire

fighting of lithium battery in confined spaces

Chen Zhiming，Wang Xiaojun

Jiading District Fire and Rescue Brigade of Shanghai

Abstract：  It is a challenging work to combate fires caused by thermal runaway of lithium batteries. The fire scene will often be encountered in fire fighting and rescue work. In order to save lithium battery fires safely and efficiently， this paper conducts research on fire smoke and temperature caused by thermal runaway of lithium batteries， and the cooling effect of different types of extinguishing agents on fired lithium battery packs based on the series of fires caused by thermal runaway of lithium batteries in confined spaces. Explosion， poisoning， fire extinguishing， and vehicle transfer in fire and rescue work are discussed by test measurement data and test phenomena. Finally， corresponding disposal measures are given to provide theoretical and practical support for safely and professionally carrying out lithium battery fire fighting in confined spaces.

Keywords： Confined space; Lithium battery; Fire fighting; Full-scale fire test