动力用锂离子电池火灾特征与安全管理研究

隋 鑫，刘 飞，周 彪

应用研究

动力用锂离子电池火灾特征与安全管理研究

隋 鑫1，刘 飞1，周 彪2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430000；2. 中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

为了降低密闭空间中新能源电动汽车的火灾危险性，首先从新能源电动汽车火灾事故统计数据入手，分析并总结密闭空间内新能源电动汽车的火灾特点。随后通过FDS数值模拟软件，模拟计算了不同种类灭火系统（水喷淋、泡沫-水喷淋）对密闭空间新能源电动汽车火灾场景的适用性，结果表明：泡沫-水喷淋自动灭火系统可有效降低电动汽车火灾危险性。最后参考已有的标准规范和新能源电动汽车火灾方面的研究成果，对密闭空间消防系统设计提出了相应的改进建议。本研究对船舶动力用锂电池的消防安全管理具有指导意义。

公路密闭空间 新能源电动汽车 火灾危险性 消防系统

0 引言

火灾是影响公路密闭空间（隧道）正常运行的主要因素。在密闭环境中，一旦发生火灾救援难度较大，易造成严重的人员伤亡、财产损失和社会影响。根据相关文献，车辆着火是公路火灾的重要原因[1]。近年来，我国新能源电动汽车的行业规模和技术水平不断提高，其市场百分比日益增加。基于相关数据[2]：中国电动汽车保有量约占全球总量的50%，且每年仍保持40%的高速增长。随着电动汽车数量的不断增加，其在公路密闭空间车流量中的占比将会大大提高，对应的消防隐患也会日益显现。根据不完全统计[3]，2020年上半年我国共发生20起电动汽车火灾事故，新能源电动汽车的消防安全问题引起了社会大众的广泛关注。电动汽车内部装有动力电池组，其具有活性高、产热量大等特点。此外，电池组热失控时会产生苯、苯乙烯、丙烯醛、一氧化碳、氟化氢，以及烯烃、烷烃和醚等毒性化合物[4]。与传统汽车火灾相比，电动汽车火灾的危险性更大，火焰传播更快，烟气毒性更高，这对密闭空间（隧道）消防设计提出了更高的要求。

目前，关于密闭空间内新能源电动汽车火灾事故危险性的定量分析较少。同时现有密闭空间消防系统主要针对传统燃油动力汽车的火灾特点进行设计[5-7]，对新能源电动汽车火灾防治的适用性较差。本文将结合近十年新能源电动汽车火灾事故统计数据，从火灾起因和火灾发生时间两个角度，对密闭空间内新能源电动汽车的火灾危险性进行研究分析。利用火灾模拟软件（FDS）对密闭空间内新能源电动汽车火灾进行数值模拟研究，并结合已有的标准规范，提出适用于密闭空间内新能源电动汽车火灾防治要求消防系统参数设计方案，探究改进后消防系统参数对新能源电动汽车火灾特征参量的影响。针对密闭空间消防系统设计提出相应的建议，为密闭空间运营管理人员提供参考。

1 新能源电动汽车火灾特点研究

1.1 近十年来新能源电动汽车火灾事故统计分析

1）新能源电动汽车起火原因分析

通过梳理近十年内（2011年～2019年）媒体公开报道的火灾事件[8,9]，图1给出了近十年内新能源电动汽车火灾事故起数分布情况。可以看出，近十年国内共发生新能源电动汽车火灾事故190起，特别是自2016年以后，随着新能源电动汽车保有量增加，火灾发生起数总体呈现逐年升高的态势。

图1 2015年～2019年新能源电动汽车火灾事故起数变化趋势

图2为近十年内新能源电动汽车起火原因的概率分布情况，新能源电动汽车的起火原因可以划分成三类：行驶过程中起火、充电过程中起火和停置过程中起火。可以看出，行驶过程中新能源电动汽车发生火灾的概率高达39.08%，明显高于其余几项起火原因。

图2 2011年～2019年不同起火状态概率分布

2）新能源电动汽车起火时间分析

图3给出了2019年不同月份的火灾发生起数分布情况，从月份分布来看，6月份至8月份期间发生的新能源电动汽车火灾事故数量最多，占全年事故总数的60%，夏季为锂离子电动汽车火灾的高发期。夏季密闭空间车流量大，封闭的密闭空间内部环境导致散热更为缓慢，由于新能源电动汽车内部的能量电池在一定温度条件下，自身会通过电化学反应不断自发放热，密闭空间内的高温条件会进一步加速锂电池热失控现象的发生，相比其他场所，夏季密闭空间内新能源电动汽车火灾危险性更为显著。

图3 2019年全年不同月份的火灾发生起数分布情况

通过对近十年新能源电动汽车火灾事故统计数据进行分析可以得出：密闭空间内新能源电动汽车发生火灾危险性主要体现在车辆行驶过程中的发生机械碰撞，近年来，新能源电动汽车所采用的动力电池能量密度越来越大，动力电池受到外力挤压导致化学能释放，在一定的温度条件下，产生一系列放热反应，最终表现形式为汽车的动力电池热失控和热失控扩展周围车辆引起燃烧或爆炸。

1.2 密闭空间新能源电动汽车火灾特点

新能源电动汽车在内部结构、线路布局、电池安装等方面均与传统燃油汽车不同，其对应的火灾特性差别较大。主要包括以下四个方面：

1）火焰温度高，火灾蔓延快

电池热失控时会放出大量可燃气体或挥发液体，其燃烧速度极快。动力电池中活性锂与空气中的氧接触后会发生剧烈反应，造成燃烧爆炸事故。基于上海消防研究所实验的数据[4]，电池火焰的喷射距离最远可达5 m，且燃烧的同时伴有大量喷射物喷溅，其火焰温度最高可达916℃。考虑到密闭空间具有空间封闭、狭小等特点，一旦发生火灾会造成交通堵塞。新能源电动汽车一旦燃烧，极易引燃周边车辆，且其内部的锂金属会加大火势甚至引起爆炸。且其火焰温度远高于常规汽油的燃烧温度（400℃），会严重损坏密闭空间建筑结构，造成密闭空间拱顶和壁面坍塌，增大火灾救援阻力。

2）产生大量有毒有害气体

动力电池热失控后会产生苯、甲苯、苯乙烯、联苯、丙烯醛、一氧化碳、硫化碳酰、氟化氢等物质，这些物质均对人体有害，威胁被困人员和消防人员的生命健康安全。

3）触电危险

由于电动汽车的动力来源为电池，其供电系统包括100～360 V直流电和高达650 V的交流电[10]（品牌不同数值略有差异），远高于人体安全电压36 V，救援过程中易出现触电事故。

4）火焰易复燃，灭火难度大

根据美国消防研究基金会组织开展的动力电池组灭火实验数据表明[4]，电池组通常会在6～49 min内被扑灭，但在22小时后会发生复燃，其灭火时间均高于1小时。由于现阶段电动汽车消防技术起步较晚，在明火熄灭后，若电池温度仍较高，其内部将一直处于热失控状态，进而造成二次事故。

2 新能源电动汽车密闭空间内火灾消防系统设计

新能源电动汽车在城市公路密闭空间车流量中的占比逐年攀升，相比传统汽车，新能源电动汽车的火灾危险性要更大。密闭空间的消防系统主要包括密闭空间灭火设施和火灾监测及报警系统组成[11]，《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974-2014）[12]、《建筑设计防火规范》（GB50016-2014(2018年版)）[13]、《建筑灭火器配置设计规范》（GB 50140-2005）[14]等国内现行的标准规范明确指出设计建筑内的消防灭火设施时需要布置自动灭火系统、消火栓以及灭火器等设备。因此，结合前人的研究成果，提出针对新能源电动汽车火灾的消防系统设计方案，并通过FDS数值模拟进行验证。同时针对新能源电动汽车火灾特点，对其在密闭空间内的火灾监测及报警系统设置提出相应的建议。

2.1 密闭空间火灾模型构建

（1）模型参数设置

模型密闭空间长度为100 m，断面尺寸为9 m（宽）×4.5 m（高)。在密闭空间顶板下方隔一定间距布设喷淋头。密闭空间两端洞口与外界环境相通，采用自然通风方式，边界属性设置为“OPEN”。环境温度设置为20℃，密闭空间墙体为混凝土材质。沿密闭空间中心线每隔1 m设置温度测点和CO质量分数测点，两类测点位置重合且均处于密闭空间顶板下方0.25 m处；距密闭空间地板2 m高度处，沿中心线每隔1m设置能见度测点，用于测量密闭空间内的能见度变化情况。测点布置及密闭空间结构尺寸如图4所示。

参照前人的研究成果[7]，自动喷水灭火系统的动作温度设置为68℃，动作时间设定主要是依据新能源汽车的动力电池组火灾类型来确定，由于其属于t2火模型，在40 s后达到稳定发展阶段，因此为实现最大灭火降温效果，因此喷水灭火系统的动作时间设定为40 s。喷头出水流量统一设置为60（L/min）。

图4 密闭空间模型结构及测点设置

1）火源设置

采用FDS6.5对电动大巴车在密闭空间的火灾场景进行模拟计算。新能源电动汽车的动力来源为锂离子电池，因此将新能源电动汽车内部锂电池组作为火源。模拟火源的参照对象为电动大巴车，火源尺寸为10 m（长）×2.5 m（宽）。由于新能源汽车的动力电池组大多设置在车辆底盘，因此为减少火源高度对模拟结果所产生的影响，火源紧贴地面放置。参考前人的研究[15-17]，电动大巴车一般采用三元锂电池串并联的方式组成电池组，需要采用8个电池串联为1个小组，6个小组并联为整个电池模组，8个模组构成整个系统，所需要的电池数量为384个。单节锂电池的热释放速率为31.5 kW，则整个锂电池组的热释放速率可达到10000 kW。火源类型设置为t2火，0～40 s期间为火灾增长期，热释放速率逐渐增大，其后为稳定燃烧期。

2）网格尺寸

网格尺寸与火源特征直径D*有关，当网格尺寸d取1/16D*～1/4D*时有较高精度[18]。本文火源功率为10000kW，通过计算得到D*分别为2.41 m，则网格尺寸位于0.15～0.60 m。为使模拟结果与真实情况接近，更为可靠，区域网格统一选取为0.25 m（纵向X轴）×0.25 m（横向Y轴）×0.25 m（竖向Z轴）。

2.2 密闭空间自动灭火系统设计

1）自动灭火系统

图5和图6分别为无喷淋系统、布设水喷淋和布设泡沫-水喷淋系统的密闭空间内温度和沿程密闭空间CO质量分数变化情况，其中水喷淋和泡沫-水喷淋系统使用的喷头出水流量均为60（L/min）。从图6中可以看出，无水喷淋、水喷淋和泡沫-水喷淋系统条件下，火源（密闭空间中心处）最高温度分别为397℃、389℃和353℃，这表明泡沫-水喷淋系统对于锂电池火源的灭火和降温效果较为明显；此外，在远离火源的区域内，相同位置处布设泡沫-水喷淋系统的密闭空间内温度更低，可以降低高温对人体的伤害，有利于人员疏散。

图5 密闭空间内温度分布图

从图6中可以看出，三者中布设泡沫-水喷淋系统的密闭空间内CO质量分数最低，而布设水喷淋系统的CO质量分数最高，这表明使用水喷淋系统易导致CO的生成量增大，而采用泡沫-水喷淋系统则在一定程度上抑制CO有害气体的生成量。

图6 密闭空间内能见度分布图

针对公路密闭空间内所发生的不同类型火灾，国内外部分研究机构开展了实体火灾试验[19]，分别对水喷淋、泡沫-水喷淋和泡沫-水喷雾等自动灭火系统的灭火效果、降温冷却效果和施工复杂程度进行定性评价，相关试验概况和评价结果如表1所示：

表1 国内外火灾试验概况及灭火效能评价

考虑到密闭空间内车辆种类繁多，电动汽车引发的火灾往往是一种混合火灾（即Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ类火灾可能同时存在）。针对上述混合火灾特点，水喷淋系统、泡沫-水喷淋灭火系统以及泡沫-水喷雾灭火系统是现行主要使用的灭火药剂。相关研究表明[20]：当泡沫-水喷淋灭火系统工作时，前期喷放泡沫混合液能迅速控制和扑灭初期火灾，后期通过持续喷水能起到冷却降温、控制火灾的作用。对于密闭空间内发生概率较大的Ａ、Ｂ类型火灾，泡沫—水喷淋系统灭火效力更好，在迅速扑灭火灾的同时大大减少热辐射。另外，广东省标准《电动汽车充电基础设施建设技术规程》（DBJ/T15-150-2018）[21]也明确指出同时停放传统化石燃料汽车和电动汽车的地下停车场的自动灭火系统应采用泡沫-水喷淋系统。因此，通过综合比对数值模拟结果、前人试验成果以及现行标准规范，可以发现密闭空间内布设泡沫-水喷淋灭火系统的灭火降温效能相对更好，且性价比更高。

2）泡沫-水喷淋系统合理间距设计

对于新能源电动汽车火灾，喷头的间距设置将直接影响到灭火效果和工程造价。但目前尚未有关于密闭空间内喷头间距设计的标准规范，因此结合前人的研究成果，通过数值模拟探究不同喷头间距对密闭空间新能源电动汽车火灾参数的影响。

图7和图8为不同喷头间距下的密闭空间温度和能见度分布情况。可以看出，当喷头间的间距大于3.5 m时，密闭空间内同一位置处的温度越高，如图7中圆圈标注所示。对于能见度而言，喷头间距为5 m和7 m时，能见度稍高于其余几组工况，但是其动性较大，这表明密闭空间内烟气流动比较紊乱，不利于进行人员疏散。因此，综合密闭空间温度和能见度变化情况，可以发现对于泡沫-水喷淋系统，喷头间距设置成3.5 m降温效能较明显，性价比更高。

图7 密闭空间内温度分布

图8 密闭空间内能见度分布

2.3 密闭空间新能源电动汽车火灾报警设施

考虑到新能源电动汽车火灾蔓延趋势更快，在火灾自动报警系统探测器的选型上，若单纯地采用线型感温电缆自启动灭火装置，联动系统存在一定的滞后性，参照《火灾自动报警设计规范》（GB 50116-2013）[22]要求，建议采用“线型感温电缆+火焰探测器”组合，提高联动系统动作的可靠性。

在消防管理措施方面，建议增加消防砂储备。一方面消防砂可以起到覆盖窒息灭火的作用；另一方面当新能源汽车动力电池热失控后，大量高温黏稠的电解液会从安全阀处溢出，此时消防砂还可以用于电解液的吸附和阻截，遏制火场范围扩大。

基于新能源电动汽车的火灾特点，确定公路密闭空间消防系统的设计方案。由于公路密闭空间内部的车流量更大，火灾危险性明显高于其他种类的密闭空间，建议灭火设施采用自动灭火系统+消火栓系统+灭火器系统；其次建议密闭空间运营管理方设置新能源电动汽车火灾报警系统，及时监测火场情况；同时增加消防砂储备，起到控制火场规模作用，设计方案具体内容如表2所示。

表2 密闭空间新能源电动汽车火灾的消防系统设计方案

3 结语

随着新能源电动汽车车流密度的增大，新能源电动汽车在密闭空间（隧道）中的发生电力系统故障、机械撞击、自燃等各种原因造成的密闭空间火灾事故概率将会大幅度提高，密闭空间火灾危险性也将随之上升。

1）本文从新能源电动汽车火灾事故统计数据入手，分析并总结了我国密闭空间新能源电动汽车火灾特点。

2）参考已有的标准规范和新能源电动汽车火灾研究成果，利用火灾模拟软件（FDS）建立密闭空间新能源电动汽车火灾模型对消防系统的设计参数进行模拟计算，对密闭空间消防系统设计提出了相应的改进建议。

3）本研究对船用锂电池密闭空间内消防管理具有指导意义。

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Research on fire characteristics and safety management fire-fighting system design of Lithium-ion battery vehicles in the enclosure fire

SuiXin1, LiuFei1, Zhou Biao2

(1. Wuhan marine electric propulsion research institute, Wuhan 43000, China; 2. College of emergency management and safety engineering,china university of mining and technology (Beijing),Beijing 100083, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0005-06

2022-02-15

隋鑫（1987-），男，高级工程师。研究方向：锂电池安全。E-mail：svensui@hotmail.com