纯电动客车动力锂电池火灾安全系统设计

丁传记

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

纯电动客车动力锂电池火灾安全系统设计

丁传记

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

分析多种类型动力电池的安全性能及其发生安全事故的机理；系统设计了适合动力锂电池的火灾预警及自动灭火系统，并设计了电池箱的快速拆卸式结构。

纯电动客车；动力锂电池；火灾安全系统

在国家大力提倡节能环保的背景下，纯电动客车的销量直线上升，对电池安全设计也提出了更高的要求，在社会还没有完全接受新技术新产品的时候，只要发生一点安全事故就会引起公众的极大关注。本文在系统分析动力锂电池安全性的基础上，对现有的锂电池做充分的火灾安全设计，从结构上实现快拆功能，最大程度地减少电池对人身与财产造成的损失。

1　各种类型锂电池安全分析

动力锂电池具有工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点，因此，在纯电动客车中被广泛应用［1-5］。目前，各大客车生产厂采用的动力电池有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、三元材料锂电池及钛酸锂电池等各种类型锂电池。近年来，锂电池在国家产业政策激励下得到了非常迅速的发展，电池产品的部分性能也得到了稳步提升，尤其是在能量密度、放电倍率方面提升较快［6-7］。然而，锂电池的安全性能方面还有待提高。比如，所有锂电池都不耐过充电或过放电，当电池充电到4.2V以上电解液就会分解，使之产生鼓胀；当放电到2.0V以下若再放电，就会造成电池过放电，使电池出现零电压而不能恢复充放电性能［1］；同时，锂电池在-5℃以下充电会使锂离子被还原，产生锂晶枝，造成电池短路；电池在60℃以上使用时，会对电池负极的SEI膜造成损坏；过充电或者过放电都会造成锂电池不可逆转损坏，甚至会使电池产生冒烟、起火等危险［1，5］。不同种类锂电池的安全性能具体如表1所示。

表1　不同种类锂电池的安全性能

另外，所有锂电池在高温或者低温下使用都不安全；磷酸铁锂电池材料本身的导电性能不好，电池内阻会较大，在使用过程中产生热量较多；锰酸锂电池、三元材料锂电池和钛酸锂电池，由于材料本身会缓慢释放出氧气，因此在使用过程中会鼓胀，同时锰酸锂电池和三元材料锂电池在针刺情况下会起火，通常电池厂家会用陶瓷隔膜技术来避免这一情况的发生。但采用陶瓷隔膜又会增大电池内阻，也会出现电池在使用过程中产生的热量较多的现象。

针对动力锂电池现有安全方面的缺陷，市场上的纯电动客车基本上都有防止过充电或过放电保护措施［6］，也有设计了给电池加热或冷却的热管理系统。然而这些措施只能起到预防作用，当动力锂电池遇到冒烟或起火也会出现将整个车辆烧毁，甚至会出现人员伤亡等现象。因此，需要给动力锂电池增加出现冒烟或起火等险情的应急措施。

2　动力锂电池火灾预警及消防安全系统

2.1火灾预警系统

动力锂电池火灾预警系统，一般包括火灾探测器、探测控制器和预警及启动控制器等组成。火灾探测器是由温度传感器、烟雾传感器、红外光传感器等集成于一体，但是各个传感器之间相互独立，正常工作中无相互干扰。火灾探测器实时监测电池箱的火、烟雾以及温度等信号，再将这些信号传输给探测控制器，由探测控制器经过运算后转变为另一种信号传输给预警及启动控制器，由预警及启动控制器做出预警及控制动作，也可以采用人工操作是否开启灭火器。动力锂电池灭火预警系统信号传输过程逻辑判断如图1所示。

图1　动力锂电池灭火预警系统逻辑判断图

2.2火灾消防安全系统

动力锂电池灭火预警系统将火灾信号传输、处理后，开启动力锂电池灭火器，对电池进行灭火。根据介质的不同，动力锂电池灭火器可分为干粉灭火器和气体灭火器。

1）干粉灭火器。干粉灭火器是针对多数液态锂离子电池电解液为有机溶剂如PC、EC等，在燃烧时产生的关键自由基OH、H的特点，通过固体粉粒吸附活性自由基H和OH，起到终止燃烧反应链的作用，终止燃烧反应而灭火。也可以通过固体粉粒在高温下发生热分解吸收大量热量而起到冷却作用，产生的不活泼气体有效降低燃烧区内氧气浓度。干粉灭火器的灭火介质一般采用磷酸二氢铵（NH4H2PO4）。其灭火原理如图2所示。

图2　干粉磷酸二氢铵灭火原理图

从图2中可以看出磷酸二氢铵灭火主要是从两方面进行的，即通过铵盐分解吸热降温和降低燃烧区氧气浓度来实现的，也就是在燃烧物表面生成薄膜覆盖物来隔绝空气，根据试验及干粉灭火剂与电池燃烧产生自由基的比例，10 kW·h电池电量需要配置0.4 kg干粉。干粉灭火器在车辆电池舱内的装配如图3所示，磷酸二氢铵粉末装在圆筒内，圆筒的两端连接一定长度的软管，根据需要将软管布置在电池仓的不同地方。在软管壁上分布许多小孔，当灭火器启动时，磷酸二氢铵粉末会从小孔喷出，对动力锂电池进行灭火。

图3　电池舱内干粉灭火器装配图

2）气体灭火器。气体灭火器的介质是惰性气体和氮气以及二氧化碳的混合气体，利用这些气体隔绝空气对动力锂电池进行灭火。根据电池体积及大量的试验结果，10 kW·h电池电量需要配置1 kg气体灭火介质，火灾探测器通常安装在电池箱内，控制器和储气罐通常集成在1个主机盒内。每个主机盒最多有10个接口，如果纯电动客车的电池箱数不超过10个，每辆车就可以只装配1个主机盒。主机盒与电池箱通过控制线束和软管相连，软管是将储气罐内的气体输送到电池箱内，软管与电池箱通过专用喷头连接，喷头与探测器装在电池箱上。探测器实时监控电池箱内空气中的锂离子和温度情况。当电池箱内有电池起火或冒烟时，探测器就会将异常信号传输给主机盒内的控制器，控制器与仪表台上的控制开关通过通讯线束连接，控制开关上集成蜂鸣器与报警灯，控制开关在收到异常信号时会发出声光报警，同时发生报警的电池箱管路就会与主机盒中的储气罐接通从而充满灭火气体，气体从喷头喷出对电池进行灭火。主机盒、电池箱、储气罐、探测器、喷头等各自的位置如图4和图5所示。

图4　气体灭火器各部件系统的布置

图5　灭火器喷头和探测器的安装位置

3　电池箱快拆式结构

动力锂电池安装了火灾预警及消防安全系统后，能够对锂电池在出现冒烟或起火的情况下实行应急灭火处理。但是，一旦电池着火后，能够将冒烟或起火的锂电池箱体快速脱离出车体，也是一种将火灾损失降低到最小的办法。业内经常有因为某个电池箱着火而使整个车辆燃烧的报道［5］，因此，有必要将动力锂电池箱设计成可以快速拆卸的结构。

电池箱的快速拆卸式安装方式，通常包括电池箱和箱体安装托盘。安装托盘在与电池箱底部接触处设置有滚轮，在托盘左右两侧的立柱上设置有快拆式机构；在电池箱两侧设置有与托盘的快拆式机构相配套的锁扣固定孔。电池箱的快拆式结构如图6所示。从图6中可以看出，该结构包括在托盘立柱上的锁止机构推杆、解锁杆和嵌套在解锁杆上的保险扣，还包括电池箱上的用于嵌套锁止机构推杆的锁扣固定孔。在装配电池箱时需要将保险扣取下，此时解锁杆和锁止机构推杆都处于收缩状态，将电池箱沿着托盘的滚轮推进托盘内，使锁止机构推杆嵌入到锁扣固定孔内，此时解锁杆和锁止机构推杆都处于舒张状态，将保险扣嵌套到解锁杆上，防止自动解锁。当需要拆卸电池箱时，只需要将保险扣取下，按一下解锁杆就可以解锁，这时只要握住把手向外面拉电池箱，就可以将电池箱脱落车体。

图6　动力锂电池箱快拆式结构图

4　结束语

通过对纯电动客车动力锂电池加装火灾预警及灭火系统，同时将电池箱体设计成可以快速拆卸的结构，能够最大限度地减少因动力锂电池火灾带来的损失。将这种安全设计方法在批量车上应用结果表明，该方法能够第一时间检测到动力锂电池的冒烟或起火，并能够进行灭火，同时电池箱的装配和拆卸变得更加方便，带来了良好的经济和社会效益。

［1］WANG JQ.Progress on lithium-ion batteries with LiFePO4 as positivematerial for EV&otherapplications［A］.The3rd Korea-China Lithium BatteryWorkshop［C］.Chang-Won:2007.

［2］王泽平，李兵.动力锂电池充放电的保护电路研究［J］.客车技术与研究，2015，37（4）:31-33.

［3］JunichiShirakawa，Masanobu Nakayamaetal.Changes in Electronic Structure upon Li Insertion Reaction of Monclinic Li3Fe2（PO4）3［J］.J.Phys.Chem.B2006，110.

［4］李兵，丁传记，孙全胜，等.预加热对磷酸铁锂动力电池充电性能影响的研究［J］.客车技术与研究，2012，34（3）:25-27.

［5］王新兵.下一代动力电池何处寻［EB/OL］.（2013-10-17）［2016 -02-23］.http://www.d1ev.com/22798.htm l.

［6］王慰祖.新推广政策拉动新能源汽车市场有望提速［EB/OL］.（2013-09-18）［2016-02-23］.http://www.d1ev.com/21974.htm l.

［7］魏学哲，徐玮，沈丹.锂离子电池内阻辨识及其在寿命估计中的应用［J］.电源技术，2009，33（3）:217-220.

修改稿日期:2016-04-07

Design of Fire Safety System for Electric Bus Power Lithium-ion Battery

Ding Chuanji
（AnhuiAnkaiAutomobileCo.，Ltd，Hefei230051，China）

The author analyzes the safety performance of various typesof power battery，and themechanism of the safety accident.Hesystematically designs the fire alarm and the automatic fire extinguishing system which suits the power lithium-ion battery，and designs thequick disassembling typestructure for the batterybox.

pure electric bus；power lithium-ion battery；firesafety system

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2016）05-0052-03

丁传记（1979-），男，高级工程师；主要从事新能源客车动力系统设计工作。