地下車庫場景下的全尺寸電動汽車火災(zāi)特征及抑制性能試驗
作者：王杰1, 趙晨曦1, 李長征1,2, 王學(xué)輝1, 陳欽佩3, 米文忠2, 徐國4, 汪箭1
單位：1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室；2. 清華大學(xué)合肥公共安全 研究院；3. 應(yīng)急管理部天津消防研究所；4. 上海嘉定區(qū)消防 救援支隊
引用： 王杰, 趙晨曦, 李長征, 等. 地下車庫場景下的全尺寸電動汽車火災(zāi)特征及抑制性能試驗[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(11): 3379-3386.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0520
摘 要 本工作對地下車庫場景下的電動汽車熱失控火災(zāi)特性及水噴淋抑制效果進行了研究，通過對車內(nèi)不同位置以及車外頂棚溫度在水噴淋前后的變化，得出了電動汽車熱失控發(fā)展過程的不同特點。搭建了全尺寸的地下車庫電動汽車火災(zāi)試驗平臺，通過電加熱的方式觸發(fā)車內(nèi)電池包中的鋰離子電池?zé)崾Э?，測試了電動汽車熱失控發(fā)展中電池包、車身、頂棚處的溫度變化。結(jié)果表明電池包內(nèi)的電池?zé)崾Э剡^程是由近及遠的，主要傳熱方式是熱傳導(dǎo)，其最高溫度超過600 ℃。車艙內(nèi)的溫度變化相較于電池包的變化來說，存在一定的滯后性，會導(dǎo)致車內(nèi)人員安全錯覺。當(dāng)現(xiàn)場已經(jīng)充滿了大量黑煙時，頂棚處的最高溫度僅為46.1 ℃，相較于溫度傳感器，煙霧傳感器可能是地下車庫一個更好的選擇。水噴淋滅火試驗表明一般的水噴淋滅火方式滅火效果有限，主要由于水噴淋無法直接作用在電池，降溫效果有限，只能起到一定的減緩作用，并不能使其降至安全溫度。本工作研究結(jié)果有助于深入認識受限空間內(nèi)的電動汽車熱危險性，為地下車庫的消防安全設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持與參考。
關(guān)鍵詞 全尺寸；地下車庫；電動汽車；熱失控；水噴淋
《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》明確指出：發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，也是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)2023年上半年以來新能源汽車累計零售305.9萬輛，已占據(jù)汽車市場份額的32%。其中，電動汽車因其環(huán)保、經(jīng)濟、易保養(yǎng)等特點，成為新能源汽車發(fā)展的主要推動力量。
隨著電動汽車數(shù)量的增加，因鋰離子電池?zé)崾Э囟l(fā)的電動汽車火災(zāi)事故不斷發(fā)生。作為電動汽車的核心部件，鋰離子電池具有高能量密度的特點，一旦遭遇過充放電、擠壓、碰撞等外部條件影響，就有可能發(fā)生熱失控，導(dǎo)致汽車著火、爆炸等嚴重后果。為了解決這一問題，國內(nèi)外科研機構(gòu)對鋰離子電池?zé)崾Э剡^程進行了大量研究，包括單個電池，電池與電池以及模組與模組之間的熱失控傳播。然而，對于電動汽車整車燃燒現(xiàn)象的研究較為缺乏，Truchot等人在隧道場景下開展了電動汽車實驗，以調(diào)查電動汽車火災(zāi)中排放的有毒氣體的危害。結(jié)果發(fā)現(xiàn)電動汽車氟化氫的累積量較高，但沒有給出火焰?zhèn)鞑バ袨橐约皽缁痣A段對水的響應(yīng)。Li等人開展了僅含車外框架的電動汽車燃燒實驗，對鋰離子電動車火災(zāi)危險性進行了評估，發(fā)現(xiàn)在滅火階段由于電池包蓋的遮擋，水無法直接作用到電池，限制了降溫效果。朱難難等人開展了完整電動汽車的整車燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)在電動車燃燒初期底盤電池包產(chǎn)生的噴射火最遠可達2.6 m；車外熱流最大值為4.878 kW/m2；此外，研究還發(fā)現(xiàn)壓縮空氣泡沫對于電動汽車的滅火效果比細水霧更好。陳欽佩等人通過全尺寸電動汽車鋰離子電池系統(tǒng)熱失控氣體毒害及爆炸特性研究發(fā)現(xiàn)電池艙釋放氣體的爆炸極限在4.83%～73.77%，惰性氣體含量主要影響混合物的爆炸下限，氫氣主要影響混合物的爆炸上限。目前的相關(guān)研究均集中在敞開空間，由于目前大量的新能源汽車都停放在地下車庫或者類似受限空間中，這種工況下熱量集聚快、排煙困難，造成“多米諾”連環(huán)汽車火災(zāi)、有毒氣體累積，給撲救帶來極大的困難。而目前針對地下車庫場景的電動汽車研究較少。
本工作旨在通過在地下車庫場景下進行真實電動汽車熱失控與消防滅火實驗，研究電動汽車火災(zāi)演化過程，對汽車火災(zāi)發(fā)生過程中的溫度、有毒有害氣體濃度進行了分析，為今后類似火災(zāi)事故的消防救援提供重要的場景參考和數(shù)據(jù)支持，為地下車庫的消防安全設(shè)計提供有益的指導(dǎo)，以提高地下車庫的消防安全性能。
1 實驗內(nèi)容
1.1 實驗設(shè)計
本次實驗在某單位的大空間實驗場地進行，場地分為車輛熱失控區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)、消防車輛區(qū)。為了還原地下車庫的真實場景，設(shè)計并搭建了一個高為2.2 m的可移動式頂棚，該頂棚由輕鋼龍骨與石膏板組成，作為車庫頂，實驗的具體布置情況如圖1所示。
圖1 現(xiàn)場區(qū)域分布
本實驗電動汽車型號某車企生產(chǎn)的電動汽車產(chǎn)品，車身結(jié)構(gòu)為4門5座三廂車，其長、寬、高分別為4.670、1.806、1.474米。該車采用NCM523鋰離子電池，容量為50 Ah，電池包額定電壓為350 V，電池包額定輸出電流為102 A，有16個模組，電池共2并96串。實驗開始前車輛電池包荷電狀態(tài)約為98%。實驗儀器配置和測量位置如圖2～圖4所示，實驗中采用直徑為1 mm的K型熱電偶(0～1300 ℃)測量電池包內(nèi)電池(圖2)與車內(nèi)典型位置(圖3)以及車頂棚處(圖4)的溫度，以監(jiān)測車輛熱失控過程以及評估車外空間危險性，測點詳情如表1所示，但由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，一些熱電偶在試驗過程中由于短路而出現(xiàn)故障。同時，采用兩個熱流計測量車身周圍(車頭和側(cè)面)的輻射熱流，以量化車身周圍的熱輻射通量，并在兩個熱流計中間布置了一個片光源裝置，以顯示試驗中的煙氣流動情況。此外，實驗中還測試了細水霧對熱失控電動汽車的抑制效果。
圖2 電池包內(nèi)布局與測點位置
圖3 車艙內(nèi)布局與測點位置
圖4 頂棚處布局與測點位置
表1 熱電偶測點詳情
1.2 實驗過程
本實驗采用兩塊220 V、400 W的電加熱片觸發(fā)電動汽車內(nèi)部電池?zé)崾Э?，電動汽車整車熱失控過程及滅火措施的抑制效果如圖5所示。在打開加熱片電源5分鐘左右后，汽車底盤開始向外釋放出大量白色煙氣，如圖5(a)所示，此時斷開加熱片電源，現(xiàn)場持續(xù)釋放出大量煙氣并伴有異響；大約半個小時后，大量黑煙冒出，見圖5(b)，并且迅速蔓延至頂棚；此時指揮室下達滅火命令，車頂部噴淋裝置啟動，由于水的冷卻效果，車輛熱失控過程受到阻礙，黑煙漸漸散去，重新變?yōu)榘咨妶D5(c)；噴淋裝置持續(xù)作業(yè)25分鐘左右后停止，見圖5(d)，隨后消防隊員入場，使用高壓水槍對車身內(nèi)部進行降溫處理，見圖5(e)；大約15分鐘后，消防隊員停止水槍作業(yè)，隨后在汽車左后輪胎處放置千斤頂，見圖5(f)；靜置一段時間后，車身周圍又有大量白煙冒出，見圖5(g)；大約五分鐘后，車頂噴淋裝置重新啟動，現(xiàn)場白煙開始變淡，見圖5(h)；大約半小時后，確認電車熱失控程度受到控制，消防隊員開始撤離，見圖5(i)，實驗結(jié)束。為確保安全，防止再次熱失控，車頂噴淋裝置一直保持開啟狀態(tài)。
圖5 實驗過程
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 電池包內(nèi)溫度數(shù)據(jù)分析
在本研究中，為了監(jiān)測記錄模組電池溫度變化，在電池包內(nèi)部安裝了多個熱電偶，并在第1節(jié)中介紹了具體布置情況。圖6展示了加熱片所在模組7000 s內(nèi)熱電偶溫度數(shù)據(jù)變化，可分為五個階段。在第一階段(0～360 s)，加熱片持續(xù)供電，相鄰電池溫度不斷上升，最高溫度超過100 ℃，已超過電池?zé)崾Э嘏R界溫度。同時現(xiàn)場已經(jīng)有少量白煙冒出，表明電解液已經(jīng)開始蒸發(fā)，進一步證明該模組內(nèi)有電池已進入熱失控階段。在第二階段(360～2070 s)，由于加熱片斷電，TC1的溫度迅速下降，而被加熱模組的電池按照離加熱片的距離依次步入熱失控階段，模組內(nèi)的所有電池溫度迅速升高。然而，在達到某一溫度頂點后，各電池溫度又開始下降，這可能是因為各個電池的泄壓閥動作，一部分熱量隨著電解液蒸發(fā)噴濺出去流失，但電池內(nèi)還在持續(xù)發(fā)生劇烈的熱失控，不斷產(chǎn)生熱量與可燃氣并積聚，所以溫度又開始上升，此時車身周邊迅速冒出大量黑煙。在第三階段(2070～3800 s)，車頂噴水滅火裝置開始工作，各個電池溫度迅速開始下降，車身周圍的黑煙也開始變淡。然而，由于各個電池溫度仍高于熱失控臨界溫度，電池內(nèi)反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，重復(fù)階段二內(nèi)的溫度變化。在第四階段(3800～5300 s)，消防隊員進入現(xiàn)場后使用高壓水槍對車廂內(nèi)部進行噴射，各個電池溫度迅速下降。大約在4800 s左右停止作業(yè)，隨后消防隊員在車身左側(cè)放置千斤頂，使得車輛抬高讓更多空氣進入，而此時電池溫度還是高于熱失控臨界溫度，反應(yīng)繼續(xù)進行，現(xiàn)場又有大量白煙冒出。在第五階段(5300 s后)，由于電池溫度還是過高，熱失控反應(yīng)繼續(xù)進行，車頂噴淋裝置重新打開，各個電池溫度開始下降，現(xiàn)場白煙也開始變淡。
圖6 加熱片模組溫度變化
從以上過程可以得出，模組內(nèi)電池?zé)崾Э貢r熱量傳遞主要是通過熱傳導(dǎo)的方式進行，且水噴淋對電動汽車的熱失控有著很好的降溫抑制作用，可為現(xiàn)場消防救援行動時爭取寶貴時間。然而，由于無法直接作用到電池表面，電池包內(nèi)電池溫度仍然維持在臨界溫度之上，導(dǎo)致會反復(fù)多次發(fā)生熱失控現(xiàn)象。因此，為了確?，F(xiàn)場人員安全，需要維持長時間噴淋操作。值得注意的是，電池?zé)崾Э剡^程中產(chǎn)生的熱量和可燃氣體可能會引發(fā)爆炸，因此在消防救援行動中需要采取相應(yīng)的安全措施。
圖7展示了近端模組7000 s內(nèi)熱電偶溫度數(shù)據(jù)變化，可分為四個階段。在第一階段(0～2070 s)，離加熱模組較近的5678模組先開始發(fā)生熱失控，其中最近的6模組熱失控下的最高溫度達到了600 ℃以上，其發(fā)展過程與加熱模組類似。其他模組則是在2000 s左右才呈現(xiàn)出熱失控趨勢，與圖5(b)中的大量冒出黑煙的現(xiàn)象符合。這表明，臨近模組的熱失控過程與加熱模組相比，由于熱傳遞過程的滯后性，存在一定的時間差。在第二階段(2070～3800 s)，由于噴淋裝置的降溫作用，導(dǎo)致熱失控過程受到抑制。5678 s模組由于在前期已進入完全熱失控狀態(tài)，電池內(nèi)所?；瘜W(xué)反應(yīng)物質(zhì)較少，所以溫度下降較為明顯。然而，其他模組由于還存在大量放熱化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，在這段時間內(nèi)的反應(yīng)放熱與噴淋水蒸發(fā)吸熱形成了一個熱平衡過程，所以溫度并沒有太大變化。在3600～3800 s內(nèi)，由于車頂滅火措施的停止，各個模組迅速進入熱失控狀態(tài)，溫度重新上升。這表明，電動車滅火困難的原因之一是三元鋰電池的高能量密度特性，導(dǎo)致熱失控反應(yīng)難以控制。第三和第四階段的過程與加熱模組相似，不再贅述。從以上分析過程可以得出，電動車熱失控過程中，鄰近模組的熱失控存在一定的滯后性，加上三元鋰電池的高能量密度特性，使得電動車滅火困難，需要連續(xù)性噴淋降溫處理。因此，在電動車的設(shè)計和生產(chǎn)中，需要考慮如何維持電池高能量密度的同時來提高電動汽車的安全性能。
圖7 近端模組溫度變化
圖8展示了遠端模組5000 s內(nèi)熱電偶溫度數(shù)據(jù)變化。由于后期遠端模組的數(shù)據(jù)采集裝置損壞，因此只對其前5000 s數(shù)據(jù)進行分析。遠端模組熱電偶溫度變化可大致分為三個階段。在第一階段(0～2070 s)，前期兩模組溫度幾乎保持不變，但在2000 s左右，溫度開始呈現(xiàn)上升趨勢，這也與圖5(b)中大量黑煙冒出的情況相符合。值得注意的是，由于遠端模組距離加熱模組較遠，因此其熱失控反應(yīng)的發(fā)展速度較慢，存在一定的時間差。在第二階段(2070～3800 s)，由于滅火裝置的噴淋作用，熱失控反應(yīng)過程受到了一定的抑制。然而，由于一模組離被加熱模組距離相對較近，其電池溫度也比二模組高。在3600 s左右，滅火裝置停止工作，兩模組電池溫度又開始呈現(xiàn)上升趨勢，而一模組已經(jīng)進入熱失控階段。在第三階段(3800 s后)，消防隊員入場開始進行高壓水槍沖擊，兩模組溫度都開始下降。然而，在5000 s左右停止操作后，模組溫度又開始呈現(xiàn)上升趨勢，說明相關(guān)模組依然存在熱失控風(fēng)險。這表明，即使遠離熱源的模組在初步滅火操作之后也存在熱失控風(fēng)險性，需要進行持續(xù)性消防滅火操作。綜上所述，電動車熱失控過程中，遠離熱源的模組有著熱失控反應(yīng)發(fā)展速度較慢的特點。因此，在相關(guān)救援活動中，需要進行持續(xù)性消防滅火操作，以確保電動車的安全。
圖8 遠端模組溫度變化
2.2 車艙內(nèi)溫度數(shù)據(jù)分析
圖9展示了車艙內(nèi)熱電偶溫度數(shù)據(jù)變化，可分為三個階段。在第一階段(0～2070 s)，車艙內(nèi)各個位置溫度幾乎沒有變化，保持在23 ℃左右。這表明，在電動車熱失控初期，車艙內(nèi)溫度變化較為緩慢，人員難以感知。在第二階段(2070～4000 s)，由于車頂噴淋裝置開始工作，車艙內(nèi)的熱電偶由于直接接觸水流的沖擊，溫度開始劇烈波動起來，但總體還是在23 ℃左右。然而，在4000 s左右，消防隊員在使用高壓水槍時，采用了間歇操作的方式，TC0與TC7兩監(jiān)測點又布置于車艙內(nèi)底座，與車身底部的熱源距離較近，能夠更早接觸到電池?zé)崾Э厮鶄鬟f的熱量，于是溫度開始迅速上升。這表明，在電動車熱失控后期，車艙內(nèi)溫度變化速度會加快，人員需要及時采取措施。在第三階段(4000 s后)，由于消防隊員重新開始作業(yè)以及后續(xù)頂部噴淋裝置的再次啟用，這兩個監(jiān)測點的溫度又開始下降，而在此期間，車艙內(nèi)其他探測點位置的溫度僅有一些微小波動。這表明，在電動車熱失控后期，消防隊員的滅火操作可以有效地降低車艙內(nèi)溫度，但需要注意的是，車艙內(nèi)不同位置的溫度變化可能存在差異。綜上所述，電動車熱失控時，車艙內(nèi)溫度變化較為緩慢，人員難以感知。然而，在熱失控后期，車艙內(nèi)溫度變化速度會加快，人員需要及時采取措施。此外，電動車的設(shè)計和生產(chǎn)中，需要充分考慮車內(nèi)安全警報提示的設(shè)置，以提高車內(nèi)人員的安全意識。
圖9 車艙內(nèi)溫度變化
2.3 車庫頂棚溫度數(shù)據(jù)分析
圖10展示了車庫頂棚熱電偶溫度數(shù)據(jù)在7000 s內(nèi)的變化情況?？梢钥闯觯袩犭娕紨?shù)據(jù)呈現(xiàn)相似的變化趨勢，可分為三個階段。在第一階段(0～2000 s)，由于電池包內(nèi)熱失控電池數(shù)量較少，現(xiàn)場只有少量白煙蔓延至頂棚，因此頂棚溫度保持平穩(wěn)。這表明，在電動車熱失控初期，車頂溫度變化較為緩慢。在第二階段(2000～5000 s)，由于大量電池進入熱失控狀態(tài)，車身周圍大量黑煙冒出，高溫?zé)煔庋杆傧蛏下又另斉铮沟庙斉餃囟妊杆偕?，并形成頂棚射流現(xiàn)象，黑煙在整個空間內(nèi)迅速擴散，如圖5(b)所示，此時車頂?shù)淖罡邷囟蕊@示為46.1 ℃。隨后現(xiàn)場為了模擬火災(zāi)發(fā)生時煙氣傳感器的作用，指揮室迅速下達了滅火指令，車頂噴淋裝置開始工作，黑煙漸漸散去，頂棚溫度也隨之下降至初始溫度。在第三階段(5000 s后)，由于現(xiàn)場停止了降溫作業(yè)，且在車身左后側(cè)放置了千斤頂翹起車身底座，大量新鮮空氣得以進入底部的電池模組內(nèi)，底部電池由于還處于高溫狀態(tài)，繼續(xù)進行熱失控反應(yīng)，車身周圍又出現(xiàn)大量黑煙，車頂棚溫度隨之開始上升，隨后指揮室再次下達滅火命令，噴淋裝置重新開始工作，頂棚溫度再次下降。
圖10 頂棚溫度變化
由以上過程可得，車頂?shù)拇嬖跁又仉妱悠嚐崾Э厮斐傻奈：?，?dāng)電動汽車在地下車庫內(nèi)發(fā)生熱失控時，大量高溫有毒有害氣體會迅速蔓延至整個空間，造成大量的人員傷亡與經(jīng)濟損失。隨著電動汽車持有量的增加，地下車庫內(nèi)的充電樁數(shù)量也在逐年遞增，相較于加油站的多年發(fā)展與嚴格的安全標準，其還處于剛剛起步階段，還存在一些安全隱患。因此現(xiàn)代設(shè)計地下車庫時需要更加合理地布置感煙感溫探頭以及消防管路，以便在火災(zāi)事故發(fā)生前期及時檢測并提供一定的滅火措施，有效抑制電動汽車的熱失控過程，為消防隊員后續(xù)的滅火救援工作提供寶貴時間。這一措施對于保障地下車庫內(nèi)人員和財產(chǎn)的安全具有重要意義。
3 結(jié)論
本工作開展了地下車庫場景下的全尺寸電動汽車熱失控實驗，分析了電動汽車熱失控過程中電池包、車身以及頂棚處的溫度特性，得出了以下結(jié)論：
（1）電池包內(nèi)的電池?zé)崾Э剡^程是由近及遠的，主要傳熱方式是熱傳導(dǎo)，其最高溫度超過600 ℃，當(dāng)水無法直接作用在電池時，降溫效果有限，只能起到一定的減緩作用，并不能使其降至安全溫度。因此，在這種情況下需要進行持續(xù)性噴淋處理，以有效抑制電池包內(nèi)的溫度升高。
（2）在電動車熱失控初期，車艙內(nèi)溫度變化較為緩慢，相較于電池包的變化來說，存在一定的滯后性，車內(nèi)人員難以感知，會做出錯誤判斷，導(dǎo)致車內(nèi)安全錯覺。因此，各家車企在進行安全設(shè)計環(huán)節(jié)中應(yīng)當(dāng)充分考慮這一因素，做好車內(nèi)安全警報提示。
（3）車庫頂棚處的最高溫度為46.1 ℃，但此時現(xiàn)場已經(jīng)充滿了大量黑煙。因此，在地下車庫內(nèi)，煙霧傳感器相較于溫度傳感器可能是一個更好的選擇，能夠更早發(fā)現(xiàn)火情并采取措施，以保障車庫內(nèi)人員和財產(chǎn)的安全。
