电动汽车火灾特性及灭火技术研究

2022-08-29陆时正武汉市蔡甸区消防救援大队

消防界(电子版) 2022年15期

■ 陆时正武汉市蔡甸区消防救援大队

电动汽车是以车载电源为动力，电机驱动车轮行驶的新能源汽车。推广电动汽车可有效降低城市污染，推动实现碳达峰、碳中和。据统计，2021年我国电动汽车销量达340 万辆，占据全球份额一半以上，新能源汽车销量占总体销量已达10%，创历史新高。但在电动汽车飞速发展的同时，其自燃、起火等火灾事故频发。据不完全统计，2021年我国电动汽车火灾事故达3000 余起。因此，针对此类新型火灾事故进行探讨，分析火灾特性、讨论灭火技术，对保护人民群众生命财产安全有着重要意义。

一、电动汽车电池结构

电动汽车主要由动力电池组、内部发动机、控温模块、电机驱动系统、高压线路等部分组成。动力电池组是其中最活跃、危险性最高的部位。据相关数据显示，在已销售的电动汽车中，80%的动力源为锂离子电池。

（一）电池物理结构

目前，车载动力电池采用多个电芯并联形成电池组的方法，较之以往的整体式电池结构，充放电的稳定性及安全性得到了进一步提升。为了防止在充放电的过程中电池局部温度过高导致自燃现象，电动汽车厂商在电池中采用热失控防护设计，在电芯的中间使用隔热材料进行间隔，组装形成电池组，安装于电动汽车的底部位置。

厂商主要通过电池正极使用更加安全的新型化学材料以及改进电芯的物理排布方法两种手段，来提升动力电池组的安全性能。在改进物理排布方面，目前“弹匣电池”和“刀片电池”较为出色，但上述物理排布并不足以在车辆碰撞、系统短路等情况下，保证电池充放电的稳定。需要提出新的物理排布方法，研制出更为安全的材料，来保障极端情况下电池的安全。

（二）电池化学原理

锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜四个部分组成。正极使用含锂的高能量密度材料，如：钴酸锂、磷铁酸锂等，是影响锂离子电池性能的关键。负极通常采用不参与反应的石墨等碳素材料，并不影响锂离子电池的性能。电解液一般由高纯度的有机溶剂在一定比例下配置而成，起到运输反应离子的作用。隔膜则由聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）两种物质构成，主要用于隔离正负极的反应。

现阶段，磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池是车载动力电池中技术最为成熟也是运用最多的，磷酸铁锂离子电池的能量密度比三元锂离子电池的低一些，但热稳定性却更好，更不容易发生热失控现象。

二、电动汽车火灾特性

电动汽车火灾原因可以概括为：车载电路系统或动力电池因自身发生故障或受到外力作用导致电池快速释放化学能，从而发生热失控现象，引发车内可燃物燃烧，发生火灾。下面从四个方面探讨电动车的火灾特性。

（一）火灾发生场景复杂多变

与燃油汽车相比，电动汽车在充电及行驶过程发生火灾概率较大，电动汽车火灾发生场景更为复杂多变。

电动汽车在充电过程中起火主要表现为车辆自燃，通常包含两种原因：一是电池组在充电过程中发生热失控现象，引发电池膨胀、化学能大幅度释放、电池组爆炸等，导致车辆内部可燃物着火，诱发火灾。二是车辆内部的车载电路系统发生故障，电路老化、系统短路、接触不良等造成电动汽车在充电过程中局部电路温度过高，进而引燃绝缘层或者产生电火花。

在行驶过程中，电池组处于放电状态，火灾原因主要分两种：一种是汽车由于自身故障导致自燃。汽车的电路系统和电池组在长时间的运行过程中，温度急剧升高，达到峰值。此时若热管理模块出现故障，未能及时降温，车辆便会发生自燃现象，驾驶员会感受到车内温度升高、动力下降，但由于火灾蔓延迅速，往往来不及做出补救措施，严重时会威胁到驾乘人员生命安全。另一种是车辆遭受碰撞后，电路电池系统受损引发火灾。发生交通事故时，电动汽车遭受猛烈冲击，电池在使用过程中发生破损，瞬间释放出大量的能量，电池温度急剧升高甚至爆炸。与传统燃油汽车相比，电动汽车在遭受猛烈碰撞后发生火灾的概率明显提升，且火灾发展迅速，往往未等到救援便已经烧毁。

（二）火焰蔓延迅速，燃烧温度高

当电动汽车发生火灾时，电池会在燃烧过程中释放大量的气体，火焰迅速蔓延，电池温度急剧上升。电动汽车的燃烧温度一般远大于传统燃油汽车，以常见的三元锂离子电池为例，其在燃烧过程中的火焰最高温度可达880℃，而汽油燃烧过程中的火焰温度为400℃左右。

此外，电动汽车发生火灾时，动力电池组在各种诱因下会产生不同副反应，进而释放大量的反应热。在热的作用下，电解液挥发、分解，电池内部安全保护装置被破坏，电解液着火，从产生明火到电池组完全燃烧只需要几秒钟时间。

（三）易复燃、易发生二次事故

锂离子电池起火后，即使扑灭明火，内部仍处于热失控及热失控扩展状态，内部温度依然很高。经过试验验证，若只扑灭明火而未持续降温，在几分钟内所有锂离子电池都会发生复燃现象。

电动汽车行驶过程中，在多种因素的作用下，电解液可能会发生泄漏现象，泄漏的过程中并不一定会发生热失控现象，电池仍在运行，而电池内部已经充满了电解液蒸汽。电解液为易蒸发、具有腐蚀性的酸碱性液体，电解液蒸汽对眼睛、耳鼻喉、呼吸系统有刺激性作用。当电池受到高温或者外力碰撞时，便有较高概率发生爆炸，此时驾驶员和乘客便会受到电解液蒸汽的腐蚀伤害。

此外，锂离子电池在燃烧过程中，部分材料会在高温作用下被氧化，产生甲苯、苯乙烷等有毒气体，长时间待在车内狭小密闭的环境中，驾驶员和乘客会有中毒窒息等危险，严重的甚至会威胁到救援人员和被困人员的生命安全。

（四）火灾扑救难度大

电池内部具有可燃物、氧化剂、高温等燃烧三要素。部分材料在高温的作用下会形成氧化物，即使在缺氧的环境下，电池内部的燃烧依然可以持续很长时间，因此通过窒息法很难扑灭火灾。由于锂离子电池位于车辆底部且有外壳覆盖在电芯外部，灭火剂很难作用于电池内部。

随着人们对电动汽车续航需求的增加，电池的体积也在不断地增大，在扑灭火灾之后，仍需对电池进行持续观测以防复燃，因此扑灭电动汽车火灾往往需要一个小时或者更长时间。无论是从火灾扑灭难度还是危险性来讲，电动汽车火灾的救援难度都要远超过燃油汽车起火。

三、电动汽车火灾灭火技术

在上文中已经对电动汽车火灾的特性进行了详细叙述，下面通过灭火剂的选择和消防救援技术两个方面对电动汽车灭火技术进行讨论。

（一）灭火剂的选择

由于锂离子电池具有燃烧温度高且易复燃的特性，选取灭火剂的关键在于降温冷却能力。德国机动车监督协会经过模拟实验发现，使用水进行灭火存在时间长、耗水量大等缺点，而在水中加入少量F-500 和Firesorb 灭火剂可以大大缩短扑灭时间，有效降低耗水量。美国联邦航空管理局研究表明，水基灭火剂具有良好的灭火及降温性能，并且随着用量的增加和单位时间流量的减少，降温效果明显提升。李毅等（2015）开展了多种灭火剂和细水雾对18650 型磷酸锂电池的灭火实验。张青松等（2018）分别使用细水雾和超细干粉灭火剂对机载锂离子电池展开了灭火实验。美国NTIS 使用不同类型的哈龙灭火剂进行实验。上述实验结果都表明，灭火剂的冷却效果越好，扑灭火灾的能力越强。

张丽娟等（2014）将锂离子电池生产企业发生的火灾划归为D 类火灾（金属火灾），提出应该使用D 类干粉灭火剂。任常兴等（2018）选择不同灭火气体对锂离子电池火灾的灭火效果开展了研究，结果表明七氟丙烷和氮气可以提高电池的相对安全性。黎可等（2018）选用火探管技术与Novec 1230 灭火剂进行实验，结果表明当探管位于火焰上方时，可以快速降低温度。周会会等（2017）提出使用Lith-X、铜粉灭火剂、氮气耦合气体扑救电动汽车火灾可以减少人员伤亡。