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动力电池热失控引发电动汽车火灾的典型特征研究
2020-08-11 17:16:41· 来源：电动学堂
0引言近几年，基于前期对高低压线路短路、锂电池火灾危险性、传统汽车火灾实验研究，应急管理部天津消防研究所搭建的电动汽车整车燃烧实验平台，在国内率先开展
0引言
近几年，基于前期对高低压线路短路、锂电池火灾危险性、传统汽车火灾实验研究，应急管理部天津消防研究所搭建的电动汽车整车燃烧实验平台，在国内率先开展电动汽车整车燃烧实验，初步形成电动汽车整车燃烧实验方法。
本文通过电动汽车整车燃烧实验总结在动力电池热失控情况下，整车燃烧过程中的蔓延途径和火后痕迹特征，以及燃烧过程中温度、烟气浓度的变化，为后期开展电动汽车火灾深度调查积累数据，并提供技术支持。
1实验设计
本文以加热触发动力电池热失控的电动汽车整车燃烧实验为例进行研究，电池包内加热方式如图1所示，其中，模组内的电池单体测试电芯从1#～6#按顺序排列。
其中1#电芯实验前取出，并由加热片和非金属垫块填充取代，加热片规格长宽为145mm×85mm，供电电压220V，加热功率500W。
采用对车辆底盘左后部动力电池包内的某模组2#电芯进行加热的方式触发动力电池热失控引燃整车，电池单体为三元锂电池，电池的荷电状态（SOC）为96%。
2#电芯加热到泄压释放烟气后，停止加热。通过2#电芯故障产生的热量最终引发电池包起火燃烧，电池包热失控初期如图2所示。
2 燃烧特征
2.1 燃烧现象
开启加热开关，加热10min后电池包内有异响，并开始向外释放烟气，在持续释放大量烟气和异响约30min后，烟气颜色由白色变为黑色，火焰从底盘电池包四周向外喷出，并夹带大量的细小颗粒物。
火焰沿电池包四周空隙向前部动力机舱和后部轮胎处蔓延燃烧，呈现出车头与车尾同时燃烧的特点，4个车轮轮辋处均蹿出火焰，并燃烧至上方翼子板及附近区域，如图3～4所示。
在火灾调查过程中发现，动力电池热失控的电动汽车火灾初期通常只是底盘位置有烟气，随后有火喷出，最后引起猛烈的燃烧。
2.2温度变化
本文通过布置热电偶监测火灾发生前后车辆不同部位的温度变化，从而进一步判断火灾蔓延特征，根据实验需求在车辆不同部位共布置16路热电偶，包括乘员舱内、后尾箱内和车辆底盘部位，具体测温点位置如表1和图5所示。
将车辆上的测温点分为左中右3部分，其中，1，4，8，16测温点位于车辆的中轴线上，此4个测点为中部区域，两侧分别为左、右2个区域测温点。
实验中视频监控、温度记录、烟气记录的时间均统一校对，以实验场内电子钟的北京时间为准，15∶01∶00开启加热开关，启动加热片，实验开始。15∶10∶42听到电池包内异响，观察到电池包向外释放烟气，记为第1次热失控时间；
15∶33∶21观察到底部电池包第2次向外释放烟气，为第2次热失控时间；
电池包内动力电池第3次热失控时间为15∶39∶31，底部监控观察到电池包热失控向外冒烟，将此时间点记为0s，记录此后5min的温升变化，时间对应曲线如图6所示。
在150s左右电池包内第4次电池热失控之后，车辆底盘位置开始出现明火。
第3次热失控后车辆底盘位置温升变化曲线如图7所示，布置在车上的各个热电偶温度也开始迅速上升，最先变化的是位于底盘位置电池包底面上（测温点16）的温度点，因靠近火源，在第4次热失控后布置在底盘位置的4个测温点（13～16）温度迅速上升，测温点13与测温点14是对称布置，均位于电池包前部的防火墙区域，测温点14先于测温点13出现温升变化，也进一步验证早期火势主要是在底盘区域沿电池包上方间隙向附近传递，起火部位在左侧，早期左侧区域的火势更大。
第3次热失控后汽车左侧区域部分测点温升曲线如图8所示。由图8可知，左侧区域的温度变化基本保持一致，在第4次热失控后的燃烧时间段内温度达到最高值，车辆底盘附近的测温点最早开始变化，然后是乘员舱内的测温点，也可说明火的燃烧途径是由底盘向前后两侧及乘员舱内蔓延。
电池在第3次热失控后开始剧烈反应，有明火出现并沿左后区域的起火部位向四周蔓延，第3次热失控后乘员舱内温升曲线如图9所示。
由图9可知，乘员舱内布置的5个测温点可清晰地反映出火灾蔓延趋势，靠近左后部位的测温点6最早开始出现温度变化，并与测温点8，9在较短时间内达到500℃以上，而乘员舱内右侧区域测温点5，7始终保持在较低温度范围，测温点5为右后座椅坐垫下方，后期烧损完毕进行拆解发现右侧下方基本保持完好，左后区域则被烧穿。
对布置在车辆中间区域前中后位置的3路测温点进行比较分析，温度变化情况如图10所示。由图10可知，电池包前部充电口附近的测温点16最早升温，因起火后火势向前的蔓延速度高于向上部乘员舱内蔓延的速度，待电池包上方的封堵烧穿以后，火势沿通孔进入乘员舱，位于乘员舱内后部的测温点4早于测温点8出现变化，很快便达到800℃以上。
综上所述，测温点的温升变化符合火灾由底盘区域左后部向周围扩散的趋势，虽然大部分测温点呈对称分布，但温度变化并不一致，温升差异较大，这与左侧区域靠近火点位置有关，左后部电池热失控后火势向附近区域蔓延，导致左侧区域的测温点最早变化，温度较高，在早期电池包内热失控后火由电池包上方的间隙向周围同时蔓延，前后蔓延的速度快于向乘员舱内蔓延的速度。
起火位置位于电池包左后方，整体火势沿着由后向前，由左向右，由下向上的途径蔓延。在其他动力电池热失控燃烧实验中，整车燃烧也呈现出同样的燃烧特点，只是由于电池包的布置形式和起火点的不同存在少许差异。
电池包位于底盘的车辆均会呈现由底部电池包向前后两侧蔓延的特点。而且电池包热失控起火后燃烧迅猛，荷电状态越高反应越剧烈，本文实验电池热失控后火焰喷射距离达到3m以上，在消防救援及人员逃生时需注意保持安全距离。
2.3 烟气变化
在乘员舱驾驶位的头枕处安装烟气传感器，用来监测燃烧过程中CO浓度变化。乘员舱底板的通孔或是其他工艺孔等空隙会有烟气和火焰进入，电池包第1次向外释放烟气的时间是15∶10∶42，约20min的第2次热失控释放了大量的气体，此时乘员舱内的烟气传感器开始探测到少量的CO，以第3次热失控的时间开始计时，记录车内烟气浓度变化。乘员舱内CO浓度变化曲线如图11所示。
由图11可知，在第3次热失控前只有少量的烟气进入乘员舱，不足以对乘员造成伤害，第3次热失控以后，2min内车内的烟气浓度便达到2000ppm以上。可以通过乘员舱内布置的监控发现有大量烟气从底板位置涌入，如图12所示。此实验验证只要乘员舱内封堵良好，可尽量减少烟气侵入，从而为乘员获得更多的逃生时间。
3 痕迹特征
相对于传统的燃油车辆，电动汽车由于其特殊的构造，动力电池热失控导致的电动汽车火灾形成特有的燃烧痕迹，主要体现在整车烧损痕迹和电池包及内部单体的烧损变形痕迹。
3.1 整车燃烧痕迹特点
电动汽车的动力电池包大部分位于底盘位置，电池热失控后火焰沿底盘电池包上方的空隙向四周蔓延，在底盘附近区域形成长时间稳定燃烧，大部分烧损过后的车辆会呈现出前部动力机舱和后部车轮附近区域2个烧损严重的部位。
看似2个独立的起火部位，如果在传统燃油汽车火灾调查中可作为放火火灾认定的参考依据，由于电动汽车的主要火源及可燃物位于底盘位置，形成与传统燃油车辆火灾痕迹最大的不同点。
电动汽车火灾调查过程中需将车辆升起，观察底盘附近的烧损痕迹。电池包附近尤其是火焰蔓延通道上的烧损程度重于周围区域。
就整车而言，前后车轮、动力机舱、乘员舱内部均会呈现不同程度的烧损，但由于底部电池包烧损时间长、燃烧热值高，会形成局部高温受热的痕迹，类似于传统燃油汽车油箱附近起火燃烧的痕迹特点，如图13所示。
而电池包上方如果有通孔，火灾容易蔓延至乘员舱内，如后排座椅下方有预留孔，则一般呈现后排座椅附近烧损严重的痕迹。
3.2 电池包及内部痕迹特点
电动汽车火灾调查的第1步可根据整车燃烧痕迹来锁定起火部位，对于动力电池包内单体电池热失控引发的火灾，由整车烧损痕迹可较快锁定为电池包部位。
电池包外壳如为铁质壳体，易出现局部锈蚀变色严重，甚至铁皮焊缝开裂，局部鼓起的现象；电池包外壳如为铝合金壳体，易出现局部熔融变形，甚至局部烧蚀形成孔洞；电池包外壳如为非金属壳体，过火后外壳易烧破，部分缺失。
对于电池包内的起火点或是第1故障单体，则需要进一步拆解分析电池包并观察内部单体的痕迹变化进行确定。由于柱状电池的结构特点，火后单体破坏变形程度较大，不易于辨识，而片状电池单体结构形态保持相对完整，具有一定的痕迹特点。
电池包的烧损可根据外壳的锈蚀变色程度和缺失程度来寻找出最先起火区域，锁定出起火点附近的模组，电池包的整体烧损痕迹如图14所示。
模组间的变形与单体的变形一般呈现向早期热失控模组或单体挤压变形的痕迹，如图15所示。模组内有9节单体，从1～9号依次排列，单体6为早期故障单体，附近单体均会呈现向此单体挤压变形的痕迹。
4 结论
1）动力电池热失控后，车辆底盘位置的电池包首先有烟气生成，烟气浓度逐渐增大，颜色由白色变为黑色且浓度较高时开始有火焰喷出，在由加热触发的电动汽车火灾中，从最早的单体热失控到起火燃烧有一定的间隔时间。
火焰沿电池包上方的间隙向四周蔓延，向前后蔓延速度快于向乘员舱内的蔓延速度，火焰喷射距离根据电池类型不同而有差异，荷电状态越高反应越猛烈，一般可达到2m以上的距离。
2）电池包附近的温度在热失控起火后3min便达到600℃以上，而电池包内的温度可以达到1000℃以上，越靠近电池包热失控单体的车身部位温度越高。
3）电动汽车的电池包热失控后，烟气会通过底板处的空隙向乘员舱内部蔓延，一旦封堵被烧破，车内CO等有毒气体的浓度在短时间内便达到致命浓度。
4）动力电池热失控导致的整车烧损痕迹呈现两头重、中间轻的烧损特点，这与车辆的电池包布置位置和火焰蔓延途径有关。电池包的烧损程度根据电池包壳体的变形、变色程度和缺失程度来判断，电池模组和单体的形状变化呈现向早期故障模组或单体挤压变形的痕迹。
5）电动汽车后台数据中的某些关键信息会在热失控及火灾前后发生变化，通过事故案例可以发现，动力电池热失控前单体电压会有不同程度的下降，失控单体附近的测温点温度会在失控后一段时间内有明显上升，而其他监控信息如绝缘电阻数值、电压差等数值均会根据故障情况呈现出突变和下降特点。
在今后的整车燃烧实验中需进一步监测起火前后车辆的荷电状态、单体电压、电流、电池包内温度、绝缘电阻等参数变化，进一步总结变化规律，用于辅助判断起火点和起火原因。
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