电动汽车锂电池灭火技术

薛东泽

摘要：在电动汽车行业稳步发展的进程中，动力锂电池的火灾问题备受关注。根据相关的调查研究显示，电动汽车发生火灾的主要原因在于内部动力锂电池热失控所致，与之相关的灭火技术成为了瞩目的焦点。本文详细解读电动汽车锂电池灭火技术。

關键词：电动汽车;锂电池;灭火技术

电动汽车在实际运用的时候，动力锂电池的充放电过程属于一个循环的过程，是一种复杂的化学反应，在这一阶段，应该重视锂电池的火灾隐患。因为负极表面SEI膜的热稳定特性，若是温度达到了120—140℃时，便会产生热分解，SEI膜的分解过程中，使得负极裸露在外，与电解液相互接触之后，便产生了明显的还原反应，最终放出较多的可燃性气体，同时也会散发热量，引起严重的火灾事故。

一、电动汽车锂电池的结构

电动汽车锂电池是整车的动力源泉，也是核心技术所在，目前锂电池备受关注，应该积极的重视其基本的结构[1]。现阶段，电动汽车上运用到的电芯涉及到不同的外形，主要有圆形和方形之分，圆形电芯有18650、21700两种。锂电池依照外包材料进行区分，涉及到铝壳锂电池和钢壳锂电池等不同的种类，按照正极材料可以划分出锰酸锂和镍钴铝等。锂电池的热稳定性大小顺序如下：磷酸铁锂电池>锰酸锂电池>三元材料电池（NCM、NCA）>钴酸锂电池。目前，方形电芯在国内成为了主流。

二、电动汽车锂电池起火原因

（一）起火案例分析

电动汽车的相关起火案例证实，起火的原因多是因为动力锂电池热失控导致。经过对某一款电动汽车一年起火的时间概述，了解到在温度相对较高的5月份到8月份起火案例例数占据总数的52%以上，可见环境温度也是导致动力锂电池起火的重要原因。在该研究案例中，结合车辆运行状态统计的情况来看，充电过程中起火占比为68%，行驶过程起火占比为20%，静止和其他情况下起火占比为12%。

（二）热失控发生机制

当SEI膜分解释放出的热量，让电芯的温度迅速上升，当达到180—200℃的时候，正极便会出现分解的情况，正极分解的时候释放出大量的原子态氧，其拥有着较高的活性，会直接让电解液剧烈的分解，短时间内电芯便会积聚大量的热气，在温度较高或者是充电电压较高的时候，便会出现潜在的放热副反应，热量聚集的过程中，电芯温度和压力明显提高，最终导致热失控的问题产生，正极热分解量最大。不同的正极材料拥有着不同的电芯热稳定性，三元材料的电芯热配置呈现出较低的状态，磷酸铁锂在200—400℃的时候，基本上不会出现分解的情况，伴随着镍含量的逐步增加，高镍三元正极热分解的温度也会逐步地降低，放热量也就越来越明显，当温度达到了120℃的时候，便会出现热分解的情况。在动力锂电池散热性能未达标的情况下，化学反应实际释放出的热量会让温度逐步的升高，化学反应的速率呈指数级增大，系统能够进入到自加温的状态之下，从而出现了热时控的问题。电芯配置了专门的泄压阀，动力锂电池也会配置相应的防爆阀，在电池压力达到了6—8Pa时会泄压。

（三）锂电池起火过程

为更好地验证电动汽车锂电池的起火过程，相关的研究人员针对于特定型号的锂电池热失控过程进行了验证与分析，验证的设备涉及到电池包监控、上位机和万用表等，实验的内容涉及到电池模组和电池包的单颗电芯热失控发生的条件，热失控后扩散的进程和范围等。整个实验阶段相关的数据和现象进行了明确的记录，运用加热片对动力锂电池的单颗电芯采取了1.7h加热模式。

当加热了一个小时之后，温度达到了125℃，后续的温度始终保持着不变的状态，过程中的电芯存在着炸裂的声音，但是声音并不明显[2]。该实验结束之后电芯防爆开启，并未出现爆炸的情况，周边电芯热失控并未出现，电池包相对完好。实验的结果证实，单电芯热失控并不一定会引起整包热失控。

再加热了5分钟之后开始出现了异常的情况，这个时候的温度达到了185.6℃，在9分钟之后停止加热，因为反应不断地出现，模组温度达到了512.3℃时，产生了明火，火势迅速地蔓延，直接地影响到整个模组。在使用了加热片对动力锂电池的模组加热的过程中，电芯受热达到了210℃时，产生了剧烈的反应，发生了泄气和炸裂的问题。在1分钟之内周边电芯开始出现连锁反应，不断地产生间断炸裂的问题。

在12分钟之后，电池包内压强明显的增大，电池产生了鼓包的问题，电池包泄压时的电池包内的剧烈反应更加明显，从而出现了明火，达到20分钟左右。证明了锂电池起火体现出火势迅猛和迅速蔓延的特征，借助于实验的过程，了解到单体热失控会导致整个模组出现热失控的问题，最终影响到锂电池的实际运用。

三、电动汽车锂电池灭火技术

（一）科学选择灭火器

根据《建筑灭火器配置设计规范》（GB 50140-2005），汽车充电站归属于E类火灾场所，最大的保护距离和单具灭火器最低配置应该在A类火灾规定之上，E类火灾可以适当的运用磷酸铵盐干粉灭火器和二氧化碳灭火器等[3]。依照《电动汽车火灾事故救援规程》（T/CSAE84-2018）规定，插电式混合动力汽车和纯电动汽车锂电池具备着内部燃烧的特征，磷酸铵盐干粉灭火器在实际运用的过程中并不能达到理想化的降温效果，实际的灭火成效并不明显，建议选用二氧化碳灭火器和水基型灭火器。

（二）掌握灭火操作

锂电池起火时具有高热量和火势迅猛等多种多样的特征，应该在火灾初期考虑使用水基型灭火器，对火势加以控制;此外针对燃烧产生的大量热量，应该断电的状态之下，对电动汽车借助水进行降温和控火，防止火势的蔓延;在这运用河沙对起火电动车底部加以覆盖，控制蔓延的程度。

（三）落实安全管理

1.相应位置的设置

电动汽车的火灾危险性和灭火难度较大，因此应该将电动汽车和充电桩设置于室外。若是设置于室内和地下车库中，必须要采取集中设置的方案，同时和其他车库间做好防火隔离举措，相邻的充电柱也应该保持一定的防火间距，不应该在两米以内。

2.合理配置设施

按照相关的标准和要求，应该配置特定数量的灭火器材，同时搭配使用消防设施，依照实际的情况合理的配备室内外的消火栓系统和移动式干粉灭火器等[4]。

3.做好电源管理

充电桩配电箱的电源控制开关应该采取统一管理的方案，若是遇到紧急的情况，必须第一时间断电，避免火势进一步蔓延，相应的灭火救援也可获取可靠的保障。

4.其他管理要求

充电区域中应该适当的制定出科学的操作规程，借助于安全宣传栏的宣传作用，让相关的工作人员提升防范意识。充电期间必须安排专人监管，同时安置监控设备和微型消防站等，若是出现异常的情况，应该及时针对问题加以处置，并报火警。

四、结语

需要详细了解动力锂电池的结构，同时明确起火的主要原因，制定出科学的灭火技术，保证电动汽车的安全。

参考文献：

[1]鲍时全，李正明.一种最优自适应增益非线性观测器的锂电池SOC估算方法[J].软件导刊，2020，19（11）：60-65.

[2]吴丽君，李冠西，张朱浩伯，马皓.一种具有恒流恒压输出自切换特性的电动汽车无线电能传输系统拓扑[J].电工技术学报，2020，35（18）：3781-3790.

[3]孙文明.基于PSO-RBF神经网络的电动汽车锂电池SOC估算研究与应用[J].时代农机，2020，47（06）：75-78.

[4]范家钰，夏菁，陈南，严永俊.基于修正协方差扩展卡尔曼滤波法的电动汽车锂电池SOC在线估计（英文）[J].Journal of Southeast University（English Edition），2020，36（02）：128-137.