新能源客车动力锂电池火灾防控装置设计

2022-07-07李东风

电子技术与软件工程 2022年5期

李东风

（安徽芯核防务装备技术股份有限公司安徽省合肥市 230088）

为了响应支撑国家“碳达峰”和“碳中和”战略目标的达成，新能源动力锂电池无疑迎来了重要的发展机遇。但是近些年，随着动力锂电池的使用量的剧增，其安全性问题越来越凸显，锂电池火灾爆炸事故频发，引起了社会各界的关注。

针对新能源电动汽车可能出现的动力锂锂电池火灾，2015年8月1日，交通运输部实施行业标准JT/T888-2014《公共汽车类型划分及等级评定》第1号修改单7.2.18条：“纯电动公共汽车及混合动力公共汽车应装配有动力锂电池箱专用自动灭火装置”。2016年11月15日，工信部发布《关于进一步做好新能源汽车推广应用安全监管工作的通知》，强调：“自2017年1月1日起，电动客车安全国家标准出台前，所有新生产的新能源客车暂按《电动客车安全技术条件》的要求执行”。交通部GB7258《机动车运行安全技术条件》最新修订稿规定：“车长大于等于6米的纯电动客车、插电式混合动力客车，应能监测动力锂电池工作状态并在发现异常情形时报警，且报警后5分钟内锂电池箱外部不能起火爆炸”。交通部 JT/T 325-2018《营运客车类型划分及等级评定》8.1.28规定：纯电动客车和混合动力客车动力锂电池箱内应配备具有报警功能的自动灭火装置。公安部消防产品合格评定中心 CCCF/XFJJ-01《电动客车动力锂离子锂电池箱火灾防控装置通用技术要求》7.2.1.1规定：火灾防控装置应具备探测一氧化碳气体浓度，锂电池或锂电池组表面温度的功能，同时也可具备探测其他危险源的功能。

针对国家有关部委提出的一系列安全要求，国内外多家新能源汽车生产企业、科研院所、研发单位开展了大量关于动力锂电池、关键电路老化等方面的火灾监测与灭火方案、装置的研究和制造，并正式投入商用，在很大程度上提升了新能源汽车的安全性。但总体来说内容比较笼统，国内外科研机构及企业单位对锂电池燃烧的演化规律、控火手段的研究工作还有待深入，有的研究领域还缺少理论支撑。如果能够采用最新的监测手段、全方位监测锂电池的生命健康状态，对可能发生的火灾提前预警，防患于未“燃”，彻底消除消费者的安全疑虑，必将能够大力推进新能源汽车的进一步广泛应用。

唯有“安全”才是新能源动力锂电池顺利推广并普及的“通行证”已成为业内共识，因此，本文将着重就新能源客车动力锂电池火灾防控装置设计进行介绍。

1 系统设计

火灾防控系统应采用多传感器复合探测与火灾控制于一体的洁净气体消防系统，内外双布设的设计方案。舱内统一按照空间体积布设通用火灾防控设备，针对易着火部位或者易发生火灾电器件重点布设一对一点对点火灾抑制，实现火灾高效处置。火灾防控系统由火灾控制系统、火灾探测系统、火灾处置系统组成，如图1所示。

图1：新能源客车动力锂电池火灾防控装置系统拓扑图

1.1 探测器设计

火灾探测系统采用双启动系统设计，以火灾探测器为主，感温机械启动组件为辅，正常情况下探测器达到报警级别通过手动或自动方式启动灭火器，如果工况恶劣、系统供电全部失效条件下感温机械组件也能感知火灾，从而自动触发火灾抑制装置。火灾探测器与上述温度、烟雾、特征气体等多个参数分析，通过多传感器融合算法发出分级预警信号。

1.1.1 动力锂锂电池火灾成因

研究发现，动力锂锂电池发生火灾的原因主要有以下几条：

（1）锂电池单元充放电不平衡：充放电时可能导致劣化较快的单元过充或过放，从而在锂电池单元内部产生气体，引发锂电池单元鼓包甚至破裂，严重时产生火灾。

（2）短路发热：充电时锂离子沉积在负极表面形成枝晶，刺穿隔膜；装配过程中出现的集流体毛刺、隔膜皱褶及不良装配；锂电池的正负极耳接触都会造成锂电池短路。

（3）热冲击：较高的温度导致锂电池负极表面SEI膜发生分解，高度嵌锂的负极材料与电解液发生放热反应，如果散热速率过慢可能会导致隔膜融化，引发正极材料参与反应，产生爆炸。

（4）锂电池被贯穿：如果因事故有根足够长的铁钉把锂电池的正负极连到一起，锂电池会因短路而大功率放电，带来温度急剧上升，逸出可燃性气体进而起火、爆炸。

（5）高速碰撞：导致电解液泄漏，逸散出可燃性气体，起火爆炸。

1.1.2 传感器选型

传感器选型主要从“烟、气、温”三个维度进行设计考虑。

（1）烟雾传感器。

烟雾探测采用芯片级光电传感器，有两个LED（蓝色和红外）、一个光电二极管，以及直接集成到单个单元中的模拟前端。采用波长不同的二极管有不同的折射角，因此测量值更可靠，能够区分不同大小的颗粒，有助于减少蒸汽和灰尘引起的误报，解决了烟雾传感器所存在的干扰弊端。

（2）气体传感器。

探测器选择CO和VOC作为特征气体检测，后期根据试验可调整检测特征气体类型。

（3）温度传感器。

具有2个温度传感器，实时对主温度传感器诊断，发现故障自动切换备用温度传感器。

1.1.3 多传感器融合算法

探测器采用复合型、多参数复合判断，根据上述环境火灾特性初步按照温度、CO、燃烧特征气体、烟雾四种传感器组合方式，后期根据试验可再添加红外/紫外等传感器，烟雾传感器采用红光蓝光双波段检测，能通过区分颗粒物半径判断干扰物，最终传感器的组合方案能够有效报警且能够排除水汽和粉尘的干扰。

对锂电池箱等进行多参数采集，采用基于模糊算法神经网络的机器学习和人工智能技术，重点研究能够实现安全预警和有效灭火控制的关键技术。

1.1.4 探测器集成设计

探测器支持DC9～36V宽电压电源输入，通过电源模块将输入电压转化为一氧化碳气体传感器、VOC气体传感器、温度传感器、烟雾传感器、主控芯片、通讯电路所需的5V和3.3V直流电压。CO传感器、VOC传感器和温度传感器（热敏电阻）通过模拟信号处理电路接到主控芯片ADC模块，用A/D采样进行数据采集；光电烟雾传感器通过IIC与主控芯片通信，实现双光烟雾探测；通讯电路采用隔离CAN设计，设置波特率250kbps，与灭火控制器进行通讯；预留线性热探测器接口，可外接线性热探测器；通过灭火触发电路输出脉冲电流触发灭火器。检测模块硬件设计框图如图2所示。

图2：探测器原理框图

探测器模块上电后初始化定时器，设定一氧化碳气体传感器、采样时序，按时序输出加热脉冲和检测脉冲，通过A/D采样读取输出；VOC传感器则采用恒定加热方式一直加热，按照定时器周期读取A/D采样结果；温度传感器无需加热，只需读取采样值再进行内部校准即可；按照IIC通讯协议，按照时序读写烟雾传感器，同时按固定时间间隔读取烟雾传感器的采集值。综合分析一氧化碳浓度、VOC浓度、烟雾浓度结合温度上升趋势，判断是否有火灾，通过通讯接口发出火灾报警信号。判定发生火灾或收到灭火控制器的信号，输出灭火触发信号触发灭火器。探测器软件流程如图3所示。

图3：探测器软件流程图

1.2 控火装置设计

1.2.1 灭火剂选型

目前市面上主流灭火剂主要有二氧化碳、细水雾、气溶胶、全氟己酮等，每类灭火器有各自特点，主要有缺点对比如表1所示。

表1：主流灭火剂对比

考虑车载环境使用要求，灭火剂需要清洁环保，不会对人产生伤害，误启动也不会对电气设备造成损害。因此，选择全氟己酮作为电池箱灭火剂。全氟己酮有非常优越的阻断热辐射传递的效能，能有效的阻断强烈的热辐射；同时大量的雾状灭火剂会冲击到燃烧表面，从而使燃烧物的带侵湿，阻止火势进一步蔓延；高压雾状灭火剂还具有洗涤烟雾、废气的作用，对液体的乳化和稀释作用。可对锂电池的火灾进行有效抑制，同时给人员有效的逃生时间（≥15min）；在此期间雾化的全氟己酮完全淹没在着火点表面，防止出现复燃情况发生。

1.2.2 灭火剂释放装置

根据国内主流的灭火方式，火灾抑制装置主要可分为储压式、非储压两种种形式。上述灭火装置驱动形式可根据自身特性针对不同使用环境、不同种类火灾，实现有效灭火。

（1）储压式灭火装置。

储压式灭火设备采用氮气驱动，启动时利用气瓶中储存的气体提供压力，在压力作用下灭火介质经虹吸管进入管路，通过选择阀后经低压雾化实进入电池箱内实现灭火。

储压式灭火装置优点是结构原理简单，应用广泛。

不过储压式灭火装置体积大，质量重，不利于狭小空间内摆放安装，在现有的空间中首先要考虑小型化、便于安装的方式。同时工作原理是采用虹吸管吸入的方式，当车辆动车事故倾倒时，由于灭火剂罐中的管路暴露在灭火剂液面外，导致启动时无法吸入灭火剂，导致灭火失效。采用储气瓶的管路连接方式，在静态环境下需要定期检查维护防止泄露情况发生，在长期车辆运行振动环境中，压力气瓶泄露的可能性更高，可靠性差。

（2）非储压气体发生器式灭火装置。

火灾抑制装置气体发生器启动，可产生大量气体。同时在气体发生器所在腔体内压力急速上升，当压力大于设定阈值时，推动活塞运动，使灭火剂存储空间内的压力上升，将灭火剂通过耐压软管输送到喷淋管，喷淋管在压力作用下将灭火剂雾化，作用在火源表面，起到抑制火势的功能。

结合新能源客车动力锂电池箱及电池舱内部空间有限、车载运输震动、维护难度较大等复杂环境，本文灭火剂释放装置选择非储压气体发生器方式。

1.2.3 管路及喷头布设

火灾抑制装置安装在车辆设备舱，喷淋组件安装在锂电池箱内部，中间通过管路连接。通过火灾探测装置探测到火情后，启动火灾抑制装置，冲破密封膜片，全氟己酮从喷口喷出。喷淋组件采用液体分散技术，一端与气体发生器密封连接，用于将腔体内介质雾化喷出。在一定压力作用下，灭火剂通过产生水雾的喷管，喷出雾状灭火剂，可将火灭掉的同时，隔氧、降温、吸热快速灭火的作用。

1.2.4 控制器设计

为避免与车上现有火灾控制系统交叉，锂电池火灾控制系统设定独立控制器，锂电池箱内火灾探测数据分析、火灾等级判定以及是否启动火灾抑制装置，均可由独立控制器实现，所有数据经控制器处理后由控制器上传至整车控制系统，控制器还可接受整车消防控制系统指令执行数据反馈和启动火灾抑制装置等动作。

1.2.5 控火装置集成设计

独立式火灾控火装置包含火灾抑制装置、分控排阀、管路、喷头，控火装置组成框图如图4。

图4：控火装置组成框图

分控排阀可根据锂电池箱的实际数量，来选择通道数。抑制装置与分控排阀由主管路连接，分控排阀的各通道与蓄电池箱由支管路连接，主管路与各支管路间以及各支管路间都互不相通。当分控排阀接收发生火情的电池箱内探测器给予点火信号后，导通抑制装置的主管路与发生火灾险情的蓄电池箱的支管路，从而形成通路，将灭火剂释放至锂电池箱。

2 试验及验证

本论文研究形成的样机在中国科学技术大学火灾科学防控国家重点实验室对方案进行了验证，实验结果表明基于多传感器复合的火灾探测器可在电池热失控初期发出报警信号，基于固态气体发生器的火灾抑制装置对电气火、电池火灾具有良好的抑制能力，释放10s内就能扑灭明火，30min内温度下降至90℃以下且未发生复燃和热失控现象。如图5所示。