电动汽车防火安全策略研究

袁伟 王文涛 王海林 肖洁

摘 要：动力电池热失控是电动汽车安全事故的致命隐患，为了减少电池热失控而引发的一系列电动汽车自燃事故，文章对电动汽车自燃和电池热失控的机理进行分析，从电池包防火能力、电池热失控预警系统、整车非金属阻燃性能几个方面，来提升电动汽车的整车防火安全能力，并对电动汽车的防火安全提出了合理化建议。

关键词：电动汽车;电池热失控;预警系统;阻燃性能;防火安全

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-04-05

Abstract： Thermal runaway of power battery is the fatal danger of electric vehicle safety accident. In order to reduce a series of spontaneous combustion accidents caused by thermal runaway of battery， the mechanism of spontaneous combustion and thermal runaway of electric vehicle is analyzed in this paper， and From the battery pack fireproofing ability， battery thermal runaway warning system， vehicle non-metallic flame retardant performance several aspects to improve the vehicle fire safety ability of electric vehicles. Finally， some reasonable suggestions on the fire safety of electric vehicles are put forward.

Keywords： Electric vehicle; Battery thermal runaway; Warning systems; Flame retardancy; Fire safety

CLC NO.： U469.7  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-04-05

前言

近年來，随着电动汽车行业飞速发展，电动汽车自燃起火事故频繁发生，严重打击了消费者对电动汽车市场的信心，在电动汽车面临要低成本、长续航、充电快等压力下，电动汽车的防火安全问题面临前所未有的多重挑战，电动汽车的安全问题再度成为行业及社会的焦点，如何提升电动汽车的防火安全性能变得迫在眉睫，动力电池作为电动汽车最为核心的储能部件，动力电池的可靠性及安全性直接影响电动车的整车安全性能。

1 电动汽车自燃事故分析

据统计，2019年下半年电动汽车汽车销量大幅下跌，消费者对电动汽车市场的恐慌主要原因为：动力电池的寿命、续航里程及电动汽车防火安全性。图1为近几年来的电动汽车自燃数据统计[1]，2019年的上半年，国内发生的电动汽车自燃事故就超过20多起，电动汽车防火安全对市场销量造成很大的影响。电动汽车的自燃事故主要原因分析有：车辆发生碰撞，电池包受到挤压变形引发的自燃事故;车辆涉深水区或长时间雨水浸泡，电池包进水发生短路发生自燃事故;车辆长时间过充电情况下，引发充电枪、充电桩及电池过载发热等情况导致自燃事故，图2中显示充电自燃在自燃事故中占比最高;动力电池及高压电器部件等负载过大、短路、干涉等引起自燃火灾事故;车辆在长期行驶在高低温恶劣的环境下，电池加速老化使用寿命减少导致发生自燃事故。区别于传统汽车，电池包发生热失控导致整车自燃火灾事故最主要原因，故对电池包热失控管控是提升电动汽车防火安全的关键。

2 电池热失控机理分析

动力电池是防火安全风险最高的部件，市场上电动汽车的动力电池主要为锂离子电池。热失控的定义[2]为电池内部出现放热连锁反应引起电池温升急剧变化达到不可控上升的现象，如电池出现冒烟、起火燃烧及爆炸现象。

电池热失控的原因主要分为：机械诱因、电化学诱因和热诱因，图3为电池热失控原因分析图。机械诱因多为车辆受到撞击、挤压及针刺等状况，电池发生了机械变形破损，电池的隔膜被穿刺破裂等，导致电池发生了内短路;电化学诱因多为车辆发生多次过充、放电电池状况，电池容易产生树枝状结晶穿破隔膜造成内短路;热诱因多为电池受热温度过高，电解液温度持续升高，隔膜熔解造成内短路。内短路是电池热失控最常见的特性，发生内短路后会引起电池正负极材料发生剧烈化学反应，单体电芯温度急剧上升，压力过大造成外壳破裂，电解液外漏产生大量的热和气体，转变为热扩散蔓延到其它电芯，引起电池整包的热失控，导致整车自燃起火爆炸事故。

3 电池包防火安全提升

电动汽车中的动力电池自燃具有燃烧速度快、热值高、差异大和扑救困难等特点，目前动力电池已经采取了很多的安全措施。可以通过电池设计结构，提高壳体材料防火性能，改善电池散热系统，提升电芯材料防火性能等方面，来提升电池包的防火能力，可以降低发生火灾的可能性。

3.1 电池包壳体防火安全提升

传统的电池包壳体材料多为钣金材料，为了提高电池包的能量密度，非结构件的上盖多选用轻量化材料，例如：SMC、玻纤增强树脂、碳纤维增强树脂和铝合金等材料，提升非金属外壳的阻燃性能变得尤为关键。高阻燃外壳可以延缓热失控发生时火势蔓延的作用，同时改善电池包的密封性能，对电池包防水性能、热失控后烟雾的泄露和燃烧扩散也有很大的影响。

铝合金材料电池包上壳体轻量化优势明显，但是会存在电池热失控发生时电解液高温瞬间灼穿的风险，导致电池包内部电解液泄露着火的风险。通过在电池包外壳内部表层喷涂一种防火胶，可以提升整包的阻燃性能，同时壳体材料还具有很好的吸能效果，使得电池包更加安全。徐保峰[3]等人在电池PACK系统中壳体表面使用了耐火阻燃涂层，在按照GB/T31467.3-2015标准外部火烧实验燃烧测试，未受保护的铝合金壳体暴露在汽油火焰下仅仅十几秒就会剧烈燃烧，而喷涂耐火阻燃涂层的壳体在火焰中燃烧120s后并没有出现任何异常，提高了电池包的外部抗火焰能力，大大的提高了整包的安全性。

模组、电芯和电池包壳体之间增加防火毡材料，具有耐高温阻燃隔热特性，防火罩材料有云母板、超细玻璃棉、高硅氧棉毡等，当电池发生热失控后，防火毡材料可以有效的隔绝热量扩散和控制火势走向，有效的延缓电池热扩散时间，达到阻隔控制电芯发生连锁反应蔓延，从而提高电池包防火安全性。增加防火毡方案也存在弊端[4]，产品增重，防火毡散热性能差，各模组之间温度不稳定，需要更好的电池散热系统来实现对电池温度管控。

3.2 电芯材料防火性能提升

提升电芯隔膜的耐高温性能，对控制电芯发生内短路尤为关键。电芯隔膜主要是PP、PE等材料，耐高温都比较差，在大电流充放电时温度瞬间升高，会导致收缩熔融，电池的正负极接触发生短路，电解液泄露引发热失控产生自燃风险。在隔膜加入耐高温无机纳米涂层[5]，如SiO2、Al2O3、CaCO3等，也有用耐高温性能的聚酰亚胺（PI）材料来作为电芯隔膜基材，可以有效的防止電池正负极在高温度下相互接触而发生内部短路风险。Wang[6]利用羟基磷灰石和聚乙烯醇基纳米复合材料薄膜，具有很好的耐热稳定性，同时有效解决了锂电池在工作中产生锂枝晶生长导致内短路的自燃风险问题，在纳米复合隔膜电池具有很广泛的应用前景。

在电池的电解液中添加阻燃剂[7]，降低电解液的易燃性，减少其电解液燃烧带来的风险和危害，但也降低了电化学性能，使得电池成本重量容量等都受到挑战。Liu[8]等在电解液中添加5%含量的（乙氧基）五氟环三磷氰（PFPN）阻燃剂，使得电解液达到不燃的效果，还具有很好电池的电化学性能的优点。

从长期来看，单纯的隔膜和可燃的液态电解液将不再存在，而由凝胶或者全固态电解质充当隔膜的角色。固态聚合物电解质这类电解质多为由聚合物和锂盐来替代液体电解液，两者通过配位聚合作用而形成固态电解质复合物，其优点为：具有不燃烧、不泄露，具有较高的能量密度，也可以克服锂枝晶现象，被认为是安全性最高的电解质体系，也是现领域研究的热点。Tanak[9]等采用新型明胶和基于聚丙烯酰胺聚合物（PAM）电解质和一种a-MnO2纳米棒/碳纳米管（CNT）阴极的固态电池，同时具有很高的安全性能以及高能量密度。

3.3 改善电池散热系统

电池包内有大量单体电芯紧密堆积，散热能力差，导致每一个电芯的温度不一致，导致个别电芯的老化速度加快，很容易发生热失控，一旦发生单个电芯热失控很容易引发整个模组、电池包的爆炸。通过合理的设计电芯和模组的结构及内部空间排布[10]，可以有效控制烟雾和火势传播路径，有效的避免大规模电池热失控发生。Chen M[11]等研究了电池模组中电芯之间的设计尺寸，对单个电芯发生热失控时周围电芯热扩散蔓延影响，以及热失控电芯温度和热量变化的影响，结果表明：模组内电芯之间的间距大于3mm时，内部空间有助于积累的热量快速消散，热失控的单个电芯就不会引发模组内相邻电芯的热失控。

电池包的串并联结构，造成单个电芯产生热量存在一定差异性[12]，需要使用电池散热系统控制电池温度，电池散热系统中采用最多的方式为风冷或液冷。目前散热材料研究热点为采用相变材料（PCM）[13]，相变材料随温度变化而改变形态，相变过程会吸收或释放大量能量，来维持温度的基本恒定，然而大多数的相变材料存在低热率的缺点，导致热量在电池系统中堆积，达不到散热效果，从而影响电池的性能和寿命，需要在材料中添加高导热性材料来增加相变材料的传热率，如金属材料、膨胀石墨、导热颗粒等，制备成性能优越的有机/无机复合相变材料。Rangappa[14]等用膨胀石墨和铜网为三维网状基体结构，加入相变材料石蜡，制备出一种有机/无机复合相变材料，结果表明：该材料具有很好的机械性能，同时液相时的导热率可达90%以上，增强了相变材料的导热率，可以更好的应用于大容量的热管理系统中。

4 热失控预警系统

2020年7月《电动汽车用动力蓄电池安全要求》会正式成为国家强制性标准，针对整车或电池包系统，提出一个关于热失控预警和检测要求：单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘用舱发生危险之前5min，需要提供一个报警信号，起到提醒乘客作用。国标用电压降、升温速率及升温最高温度来判断热失控边界条件。电动汽车热失控预警系统，以提前预警、延缓和阻隔模组之间的热扩散为主要目的，当电池包内电芯发生了热失控，乘客在车辆外部无法察觉，预警系统识别出电芯热失控发生，通过车辆双闪报警、人机交互界面文字提醒等方式来提醒乘客逃生，给予乘员逃生提供足够逃生时间。

热失控发生判定条件种类很多[15]，从外部观察为电池包泄压阀破裂，外部出现大量的浓烟，由此可以明显外部观察判定热失控发生，后续会出现起火甚至爆炸现象。从数据监测，热失控发生时，电压、电流、温度变化的数据，可能会存在一定的滞后性，也会导致一些误报情况的产生，通过气体监测及电池包压力变化来监测，通过验证具有很好的可行性。

电池包内部单个电芯热失控，电解液及正负极化学反应都会产生大量的CO2和CO等气体，通过气体监测判断热失控具有一定可行性。Fernandes Y[16]等人在热失控早期用气体监测装置监测到大量的气体，这时监测的温度并还没有急剧升高，其中监测到可燃性气体：碳酸二甲酯（DMC）、CO2、碳酸甲乙酯（EMC）等，有毒气体：CH3OCH3、CH3OCHO、C2H4、CO、氢氟酸等，这些有毒和易燃气体对人体和环境的危害性巨大。

动力电池包内布置自动灭火装置，可以有效的实现主动防火安全。当系统判定电池包有热失控风险发生时，风险还处于潜在阶段、发烟阶段及高温阶段，自动灭火装置可有效快速控制火情发生，灭火装置必须有体积小、重量轻、灭火效率高，同时满足在高温状态下不失效的特性，才能在乘用车大范围内推广应用。杨世春[17]等人公开了一种锂离子电池热失控预警系统及方法的发明专利，该系统包含四种传感器：超声波传感器、温度传感器、电压传感器及烟雾传感器，并能实现自动灭火功能，热失控预警系统简图见图4。其中超声波传感器可以实现对电池内部其他状态特征的反应，及时对热失控风险做出判断与诊断，预警快速高效，同时还有电池管理系统、报警装置、自动应急灭火装置，采用不同的控制策略，发出不同级别的预警信号。

电池包内单个电池热失控会产生各种气体，电池包内部压力增大，压力达到泄压阀的最大值会导致膨胀阀破裂，压力值过大就会导致电池包壳体破裂，整包发生自燃爆炸现象。Sascha[18]选用多组传感器数据分析比分，S1电压传感器采集模组内单体电压采集信号;S2由二氧化锡做成气体传感器，检测识别甲烷、丙烷或CO气体;S3为烟雾传感器，可以测试出烟雾及气体的含量;S4传感器检测电池内阻;S5传感器检测空气和排气的问题;S6使用压力传感器，检测电池系统的压力变化;S7测试电池和相邻电池的膨胀力。结果表明：从反应速度上来看气体传感器（S2）、压力传感器（S6）和模组压力（S7）反应速度最快，信号也比较明显。综合评估通过电池包整包压力来检测也是成为最快速、可靠性好、成本低，作为判断热失控一个优势条件。

市场已开发一种热失控压力智能监测技术，当电池压力值发生异常，通过电池管理系统（BMS）进行热失控事件的综合判断、报警和处理，车辆在行驶、充电和停车状态下，都可立即发现第一个电芯的热失控，采取相应措施来延缓乃至抑制扩散其他电芯到整包的起火，并可实现联网报警通知消防部门及车主的功能需求。综合以上需要将电池内部温度、电压监测、烟雾报警系统、压力感应等与BMS检测技术相结合，从而建立精确度更高的锂离子电池热失控预警系统。

5 整车非金属材料阻燃性能提升

整车非金属材料阻燃中高压电器件的防火安全也尤为重要，例如：充电桩、充电枪和高压线束等，这些高压附件由于高压负载的存在，电流瞬态冲击很容易引发燃烧，电流大、功率器件多，一旦发生短路后烧坏大功率电子元件，短时间内参数大量的热，会引发连锁自燃反应，因此需要对高压和高温环境下的高危非金属零部件提升材料阻燃性能。

提升内饰材料的阻燃性能、烟雾密度和烟雾毒性对乘客的生命安全也尤为关键。内饰非金属材料都易燃烧，燃烧产生气体毒性大，在相对封闭较小的驾驶室内，燃烧产生烟雾迅速令人窒息或中毒死亡。选择高阻燃、低烟、无卤素、无毒、环保材料在内饰的应用是一种很好的选择，从而给乘客提供一个健康安全的环境，给乘客生命安全提供保障。在我国校车、客车、高铁等营运车辆标准中提升了地板、织物材料等阻燃性能，并增加了垂直燃烧、氧指数和烟密度等级的技术要求，提升乘用电动汽车的内饰的防火安全将是未来发展趋势。

6 结论

电动汽车追求高续航里程的发展路线，是导致车辆起火事故频发的根本原因[19]。不断追求电池高能量密度，电芯的数量越来越多，电池包内部空间被压缩越来越小，造成电池热失控的不可控概率就越大。电池汽车产品更新速度过快，导致动力电池安全验证周期和技术能力不足，车辆发生热失控发生后的危害也越来越严重，因此需要建立一套健全的电动汽车安全强制标准和规范，消除消费者对电动汽车的易自燃不安全的顾虑，促进电动汽车的健康快速发展。

通过对电动汽车自燃事故和电池热失控机理进行分析，对电动汽车防火安全策略方面，提出一些可行性策略，電池热失控之前提出了热失控预警系统，具有提醒乘客离开车辆的功能，在电池发生热失控之后，从整车非金属材料阻燃提升、电池包防火安全提升，电池热失控发生之后有延缓热扩散火势蔓延的作用，对电动汽车防火安全提升有一定参考价值。

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