本文亮點：1.綜合考慮了如座椅、門板內(nèi)飾、輪胎等多種車內(nèi)可燃物對純電動SUV 汽車整車燃燒特性的影響。2.通過溫度切片/感溫/感煙探測器隨時間的變化情況，對整車火災(zāi)燃燒階段進(jìn)行了劃分，并探究煙霧擴(kuò)散速度及關(guān)鍵時間節(jié)點。
摘 要 以三元鋰電池單體為點火源，綜合考慮座椅、門板內(nèi)飾、輪胎等車內(nèi)可燃物對熱傳遞的影響，搭建某純電動SUV汽車整車模型并進(jìn)行整車火災(zāi)燃燒數(shù)值模擬，探究由于動力電池?zé)崾Э匾l(fā)的純電動SUV整車火災(zāi)燃燒特性、燃燒進(jìn)程火焰?zhèn)鞑ゼ榜{駛艙煙霧分析。結(jié)果表明，在沒有滅火措施的情況下，由電池組引發(fā)的整車燃燒可劃分為電池包內(nèi)熱擴(kuò)散、車廂內(nèi)可燃物燃燒及整車全面燃燒三個階段，在仿真約35 s后，底盤出現(xiàn)肉眼可見的火焰并逐漸蔓延至整車，且其熱傳播從底盤向前蔓延的速度大于向后蔓延的速度，起火過程伴隨大量煙霧產(chǎn)生。整車溫度呈現(xiàn)為汽車底部和兩頭溫度高中間溫度較低的情況，汽車電池包位置溫度最高，前動力艙次之，后動力艙相對溫度最低，燃燒過程產(chǎn)生的峰值熱釋放速率為5100 kW，最高溫度超過800 ℃。對駕駛員位置進(jìn)行煙氣濃度探測，發(fā)現(xiàn)煙氣在火災(zāi)發(fā)生后第15 s進(jìn)入并在10 s內(nèi)完全覆蓋乘員艙，威脅人員生命安全。本研究探究了純電動SUV汽車燃燒火災(zāi)特性及關(guān)鍵時間節(jié)點，有助于深入認(rèn)識三元鋰電池及純電動汽車熱危害性，為人員逃生及消防提供參考。
關(guān)鍵詞 純電動SUV；三元鋰電池；燃燒特性；火勢蔓延；煙氣
隨著鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展，電動汽車顯著改變了汽車工業(yè)。然而，電動汽車的火災(zāi)越來越頻繁。汽車電池包的熱失控是導(dǎo)致火災(zāi)事故的重要原因，當(dāng)發(fā)生過熱、過充放電、刺破、擠壓、碰撞等情況，就可能導(dǎo)致電池包的熱失控。該類型火災(zāi)燃燒速度快、持續(xù)時間長、溫度高并釋放大量有毒有害煙霧，造成了極大的人員傷害和財產(chǎn)損失。
為探究電動汽車整車燃燒火災(zāi)特性，學(xué)者們開展了大量研究。Cui等以動力電池組為起火源，研究了插電式混合動力轎車和SUV底盤的火焰蔓延規(guī)律。同時，對兩個平行放置的電動汽車的火災(zāi)演化過程和特性進(jìn)行探究，確定了噴射火的長度和持續(xù)時間的最大值，提出了量化火災(zāi)演化速率的實用方法。王杰等搭建了全尺寸地下車庫電動汽車火災(zāi)試驗平臺，探究電動汽車熱失控發(fā)展過程的不同特點。Hynynen等對傳統(tǒng)燃油轎車及電動轎車燃燒時的熱釋放速率及釋放的有毒氣體進(jìn)行了對比。朱難難等開展全尺寸電動轎車整車燃燒試驗，探究電池包產(chǎn)生的噴射火及溫度與輻射熱流曲線變化規(guī)律。由于整車火災(zāi)實驗構(gòu)造困難、成本較高且危險性較大，火災(zāi)模擬軟件被應(yīng)用于車輛火災(zāi)的研究中，為大尺寸火災(zāi)數(shù)值模擬探索了新的途徑。Brzezinska等使用FDS軟件對停車場場景中電動汽車火災(zāi)期間的煙霧擴(kuò)散和溫度分布進(jìn)行預(yù)測。Dorsz等使用CFD模擬對電動汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)乘用車的火災(zāi)特性進(jìn)行比較，并估算了地下車庫或公路隧道等封閉結(jié)構(gòu)對人員和財產(chǎn)安全的影響。此外，一些電動汽車的火災(zāi)風(fēng)險已經(jīng)通過進(jìn)行電池模組或電池系統(tǒng)等熱失控及煙氣研究進(jìn)行了外推。
基于以上研究，火災(zāi)數(shù)值模擬對汽車火災(zāi)模擬是有效和科學(xué)的。熱釋放速率峰值和總熱釋放量受火災(zāi)場景和車型的影響顯著，目前大多數(shù)整車研究都是基于轎車，對SUV電動汽車研究較少，同時研究集中在電池模組/電池包的燃燒特性分析上，忽視了其他車內(nèi)可燃物對熱傳遞的影響。因此，本工作選取某SUV純電動汽車進(jìn)行整車火災(zāi)數(shù)值模擬及火災(zāi)事故的理論復(fù)現(xiàn)，通過分析仿真結(jié)果，探究整車火災(zāi)的燃燒特性，為整車火災(zāi)數(shù)值模擬和乘車人員安全提供參考。
1 火災(zāi)數(shù)值模擬
1.1 火災(zāi)數(shù)值模擬
本工作基于大渦模擬方法，將研究的空間劃分成若干個假設(shè)物理參數(shù)相同的控制單元。公式(1)~(5)為描述火災(zāi)過程流動、傳熱和燃燒化學(xué)等現(xiàn)象的偏微分方程組，與實際火災(zāi)問題的邊界條件和初始條件相結(jié)合，進(jìn)而借助CFD方法求解所得的就是特定火災(zāi)問題的特解。
1.2 定義邊界條件
本工作模擬中，定義初始環(huán)境溫度為20 ℃作為第三類邊界條件。屬性為OPEN，熱量能在模型內(nèi)部與環(huán)境空氣之間進(jìn)行傳遞以適應(yīng)電動汽車實際火災(zāi)情況。
1.3 網(wǎng)格劃分
采用數(shù)值方法求解控制方程時，需將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散，然后求解得到離散方程組。要想在空間域上離散控制方程，必須使用網(wǎng)格。特征火焰直徑D*采用下式計算：
1.4 燃燒模型
燃燒模型一般分為混合控制燃燒模型和有限燃燒控制模型?；旌戏?jǐn)?shù)模型需要指定一個單一等效燃燒物(由C、H、O、N元素構(gòu)成)與氧氣發(fā)生氣相反應(yīng)生成CO2、H2O、CO和煙塵，但此方法需要明確可燃物等效燃燒物的各原子數(shù)量比，并給定各個產(chǎn)物的產(chǎn)出率。而有限燃燒控制模型是通過直接定義等效燃燒物的單位面積熱釋放速率和熱參數(shù)，系統(tǒng)直接根據(jù)具體物體表面的幾何信息得出相應(yīng)的燃燒模型，適用于電池包與整車火災(zāi)模擬這種反應(yīng)過程復(fù)雜的燃燒模擬。
2 整車火災(zāi)模型的建立
2.1 火災(zāi)案例選取
2.1.1 案例選取依據(jù)
導(dǎo)致動力電池發(fā)生火災(zāi)并引發(fā)熱失控的原因包括機(jī)械濫用(如由針刺或擠壓引起的分離器變形和斷裂)、電濫用(如隔膜可被樹枝晶刺穿)、熱濫用(極端高溫導(dǎo)致具有大量ISC的分離器收縮和坍塌)及外部因素。內(nèi)部短路是所有濫用條件中最常見的特征，幾乎所有的濫用條件都伴隨著內(nèi)部短路現(xiàn)象的出現(xiàn)。
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BMS)良好的條件下，熱濫用情況發(fā)生較少，而汽車在發(fā)生碰撞時，可能造成車輛動力系統(tǒng)不同程度的三種濫用并引發(fā)熱失控。因此，本工作選取由碰撞導(dǎo)致動力電池內(nèi)部短路引發(fā)的純電動SUV整車火災(zāi)案例作為研究。
2.1.2 火災(zāi)案例
某純電動SUV汽車在維修點進(jìn)行前擋風(fēng)玻璃更換和前保險杠維修，靜置時發(fā)生自燃。該車在送修前發(fā)生了底盤托底，動力電池包左后部外殼與冷卻板大面積變形，進(jìn)而導(dǎo)致變形部位的冷卻板失效。但由于此次撞擊沒有刺穿電池包底板，冷卻液泄漏和電池絕緣降低的情況未被檢測出，電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過長時間的變形擠壓造成電池短路，最終引發(fā)火情。起火時首先產(chǎn)生一段時間的白色煙氣，隨后煙氣顏色變成黑色，火焰由底盤向周圍噴出并引燃駕駛室內(nèi)可燃物，最終車輛前部燒毀嚴(yán)重，而車輛后部尤其是后輪，其損毀程度遠(yuǎn)不及前輪。
2.2 仿真模型參數(shù)及搭建
2.2.1 整車模型
為了盡可能貼近實車情況，在模型方面參考SUV白車身CAD，如圖1所示，簡化相關(guān)部件以適應(yīng)仿真軟件的需要，簡化模型如圖2所示。整車車身尺寸為5022 mm×1962 mm×1756 mm，由于實際火災(zāi)伴隨多種可燃物燃燒，為了可能貼近實際，車內(nèi)可燃物由多種材料定義，主要可燃物為動力電池、座椅、門板內(nèi)飾、輪胎等，整車模型所搭載的電池包為方形硬殼三元鋰電池，外形尺寸為149 mm×40 mm×98 mm。電池包由32塊電池模組，192塊電芯經(jīng)過串并聯(lián)而成。
鋰離子電池單體由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔離膜、集流體、外殼等構(gòu)成，不同材料成分和燃燒特性復(fù)雜，因此電池部分僅選取其主要成分——電解質(zhì)作為電池燃燒的等效替代燃燒物。各材料參數(shù)如表1所示。
2.2.2 網(wǎng)格劃分
建立六組密度不同的網(wǎng)格以兼顧仿真精確程度和運算消耗時間。在Mesh1中，考慮到包括電池在內(nèi)的大部分可燃物的燃燒發(fā)生在車身中部，燃燒過程復(fù)雜，網(wǎng)格精度設(shè)定為通過公式(6)計算得到的最小網(wǎng)格尺寸，為0.05 m；在Mesh2與Mesh3中，這兩部分空間主要覆蓋車身的前、后動力艙，其中設(shè)定的可燃物較為單一，燃燒工況相對簡單，且這兩部分區(qū)域著重考察溫度擴(kuò)散和煙氣擴(kuò)散的情況，出于簡化計算的考慮，將其精度減半為0.1 m；Mesh4、Mesh5及Mesh6只覆蓋車身上方的空氣空間，僅考察整車失火時的煙氣蔓延的情況，網(wǎng)格內(nèi)無可燃物設(shè)置，因此網(wǎng)格劃分密度最低，劃分精度只為Mesh1的四分之一，為0.2 m。
2.2.3 點火源與整車模型建立
一塊單位面積熱釋放速率為1535.82 kW/m2的單體電池點燃了SUV汽車電池包并將火災(zāi)蔓延至整車。對電池單體進(jìn)行數(shù)值模擬，其熱釋放速率與實驗所得數(shù)據(jù)對比如圖3所示，結(jié)果表明，所采用的鋰離子電池單體模型是有效的，可用于下一步整車火災(zāi)模擬。
通過以上各項參數(shù)可以重建該車輛的模型。整車模型搭建過程如圖4所示，其中紅色塊電池模組為火源位置。包含網(wǎng)格劃分的整車模型如圖5所示。
2.3 輸出參數(shù)觀測設(shè)備
溫度觀測設(shè)備能準(zhǔn)確清晰地體現(xiàn)出整車火災(zāi)中各部位的溫度分布。為掌握整車火災(zāi)數(shù)值模擬的情況，實驗過程中共安裝了5個熱電偶裝置以及控制車窗破碎的2個熱感裝置，其具體位置如表2所示。分別在車廂及前動力艙和車廂及后動力艙中間設(shè)置2D切片，利用Smokeview直觀展現(xiàn)車內(nèi)火災(zāi)的動態(tài)分布；設(shè)置一個X=0的YZ的平面溫度切片，用以比較車內(nèi)不同位置的溫度差異和不同時間段的火災(zāi)蔓延情況。
3 結(jié)果與分析
3.1 整車燃燒進(jìn)程分析
火災(zāi)的熱釋放速率是描述火災(zāi)規(guī)模的重要參數(shù)之一。SUV整車燃燒仿真產(chǎn)生的熱釋放速率曲線如圖6所示，其峰值熱釋放速率為5100 kW，屬于電動汽車熱釋放速率峰值范圍4200~6900 kW。
數(shù)值模擬生成的不同階段整車火焰、煙氣與實際情況對比如圖7所示，由于前兩個階段煙氣差別不大，因此為更直觀地觀測火焰蔓延情況，前兩個階段隱藏?zé)煔庑Ч?，只展示火焰效果。對比發(fā)現(xiàn)，本研究采用的模型和方法能較為真實地反映實際火災(zāi)燃燒情況，且火焰蔓延方向大概為車前部—車中部—車后部。
結(jié)合圖6和圖7變化可以分析出，此次仿真結(jié)果呈現(xiàn)出三個階段：
第一階段(HRR 0～60 s)電池包內(nèi)熱擴(kuò)散。當(dāng)單個電芯發(fā)生熱失控后，聚集的熱量會迅速使周圍電池包發(fā)生熱失控，電池包局部起火加劇，火焰從裂紋中冒出。約10 s后，電池包內(nèi)部起火加劇，電池包產(chǎn)生明火。由于受到電池包的結(jié)構(gòu)限制，此時的熱量不能有效地向上傳播，燃燒伴隨的大量煙氣經(jīng)過車內(nèi)動力艙從車輪處向外排出，隨著電池包內(nèi)的溫度進(jìn)一步升高，加速了整個電池包熱失控的傳播并緩慢向上蔓延，第35 s時，汽車前部有火苗躥出。
第二階段(HRR 60～120 s)車廂內(nèi)可燃物燃燒。當(dāng)電池包熱失控傳播到外圍電池進(jìn)一步引發(fā)了熱失控時，其火焰與熱量將會把車廂地板、車門內(nèi)覆蓋件等可燃物點燃，從而引發(fā)車廂內(nèi)可燃物的燃燒，觀察發(fā)現(xiàn)，相比于車廂底部，火焰通過車頂?shù)膫鞑ニ俣雀?。煙氣積聚在整車模型頂部，并緩慢覆蓋整車，阻礙了火災(zāi)的觀測，但車輛后動力艙的火焰十分顯著。在70 s時，由于持續(xù)高溫烘烤，玻璃溫度升高，汽車車窗被高溫震碎，煙霧冒出窗外，同時大量外界空氣進(jìn)入車廂參與并加劇車內(nèi)可燃物的燃燒。
第三階段(HRR 120～150 s)整車全面燃燒。隨著車廂內(nèi)的可燃物被點著，火災(zāi)進(jìn)一步向動力艙蔓延。由于此次仿真中未對動力艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，所以動力艙空間內(nèi)的含氧量充足，動力艙內(nèi)燃燒更加充分且劇烈。
3.2 整車燃燒進(jìn)程火焰?zhèn)鞑シ治?/strong>
圖8所示為不同時間段火焰及煙氣的狀態(tài)，用于精準(zhǔn)分析火災(zāi)的蔓延趨勢。電芯著火后，由于熱失控現(xiàn)象，在5 s內(nèi)產(chǎn)生明火，小范圍的電池燃燒經(jīng)過30 s左右轉(zhuǎn)化為電池包的大范圍燃燒并伴隨大量的黑煙冒出。經(jīng)過火焰的向上傳播，第90 s，火焰從前左右側(cè)車輪、引擎蓋的縫隙及破碎的車窗中冒出，汽車前部幾乎被火焰覆蓋?？諝膺M(jìn)一步加速了燃燒過程，之后火焰向后方蔓延直至整車燃燒。由此可見，由于起火電池位于動力電池包左上部位(底盤前部)，電池包起火后的熱傳播向前蔓延的速度大于向后蔓延的速度，此結(jié)論也在溫度切片中得到了體現(xiàn)，火災(zāi)不同階段車輛前部、中部及后部溫度切片如圖9所示。由于電池模組為點火源，周圍溫度最高，前兩個階段汽車后部的溫度還不足400 ℃，隨著燃燒的加劇后部溫度才逐漸升高，而汽車前部分的溫度在一開始就到達(dá)了400 ℃左右，明顯高于汽車后部的溫度，但汽車后部在火災(zāi)后期溫度切片所顯示的色塊對應(yīng)溫度顯著升高?？偟膩碚f，整車燒損存在底部重、兩頭重、中間輕的情況，這與實際案例情況相符(滅火后汽車前部損毀程度略大于后部)。
圖10所示為4個經(jīng)典位置的溫度變化情況，這些溫度的分布規(guī)律與SUV整車火災(zāi)實驗的溫度分布吻合，對這些溫度變化進(jìn)行如下分析。
（1）電池溫度變化。在0～40 s內(nèi)，點火后溫度迅速升高，電池包的內(nèi)部開始出現(xiàn)熱失控傳播，但此時溫度趨勢是不連續(xù)且發(fā)生波動的，這是由于裂縫中出現(xiàn)了火焰。此時電芯組處于陰燃狀態(tài)，燃燒溫度在400～500℃范圍。隨后在40～50 s之間，所測電芯組進(jìn)一步轉(zhuǎn)為爆燃狀態(tài)，溫度圖像急劇上升，燃燒溫度迅速達(dá)到900℃。然后，在50～70 s之間，測溫點所檢測的電芯組以及其附近的電芯組逐漸平息，溫度開始下降。最后，在70～150 s內(nèi)，持續(xù)的高溫使得車窗玻璃破裂，外界氣體涌入車內(nèi)，車內(nèi)可燃物開始燃燒，所測點的溫度略微上升，并最終穩(wěn)定在700～800 ℃。
（2）車廂溫度變化。0～70 s之間，由于底盤電池?zé)崾Э氐臏囟葌鲗?dǎo)，車內(nèi)溫度逐漸上升。接著，在70～110 s之間，隨著車窗玻璃的破裂和外界氣體進(jìn)入車廂，車內(nèi)可燃物開始燃燒，此階段也成為回燃階段，所測溫度急劇上升，最終達(dá)到約800 ℃。然后，在110～120 s內(nèi)，前排測點附近的可燃物被燃燒殆盡，溫度下降至300 ℃左右，同時車內(nèi)火焰開始蔓延到后排。最后，在120～150 s之間，后排可燃物陸續(xù)燃燒，車內(nèi)溫度再次上升。
（3）動力艙溫度變化。由于熱失控觸發(fā)位置靠近車身前部，整體車輛火災(zāi)蔓延呈現(xiàn)由前至后的趨勢。對于前部動力艙，0～80 s之間，受底盤電池?zé)崾Э氐挠绊?，火焰從電池包上方的間隙蔓延，動力艙內(nèi)的溫度趨勢與電池包前部燃燒烈度趨勢一致。在此期間，高溫使得動力艙內(nèi)的電氣設(shè)備和管線被引燃，溫度甚至達(dá)到650 ℃。然后，在80～150 s內(nèi)，隨著電池包前部電芯組的燃燒逐漸平息，火焰和熱量減少，動力艙內(nèi)的溫度逐漸下降。對于后部動力艙，0～150 s內(nèi)，檢測點溫度持續(xù)上升；在130 s后，后部動力艙的溫度超過前部，上升速率進(jìn)一步加快。對比前后動力艙溫度與車廂溫度，0～65 s內(nèi)，動力艙溫度一直高于車廂內(nèi)溫度，火焰向動力艙蔓延速度快于向車廂蔓延速度。
3.3 駕駛艙煙霧分析
圖11所示為駕駛員位置的感煙探測器檢測到的煙氣濃度變化曲線，根據(jù)圖像，大約在火災(zāi)發(fā)生后的15 s，煙氣開始進(jìn)入乘員艙，短短5 s內(nèi)，煙氣濃度就達(dá)到了60%，整個乘員艙在25 s左右就被煙氣完全覆蓋。
結(jié)合前文分析，隨著電池?zé)崾Э爻潭鹊臄U(kuò)大，大量煙氣會通過車身的空隙、底板工藝孔或通孔進(jìn)入乘員艙。當(dāng)火災(zāi)達(dá)到40 s時，車窗玻璃尚未破裂，此時乘員艙仍處于封閉狀態(tài)。這對于車內(nèi)乘員的逃生非常不利。盡管在70 s時，車窗玻璃爆裂，但由于更多氧氣進(jìn)入車廂，車內(nèi)可燃物的燃燒加劇，導(dǎo)致車廂內(nèi)煙氣濃度繼續(xù)上升?；馂?zāi)剛發(fā)生時，由于地板總成結(jié)構(gòu)的原因，煙氣不會立即蔓延至車艙，一旦當(dāng)煙氣通過縫隙進(jìn)入車艙蔓延，其擴(kuò)散可以在短時間內(nèi)達(dá)到危險濃度。這些分析結(jié)果強(qiáng)調(diào)了電池?zé)崾Э貢r的安全隱患?；馂?zāi)蔓延導(dǎo)致煙氣在相對短的時間內(nèi)進(jìn)入乘員艙，不僅妨礙了乘員的視線和呼吸，還可能造成逃生困難。因此，要避免此類事件發(fā)生，乘車人員應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生的第一時間棄車。
4 結(jié) 論
本工作基于現(xiàn)有試驗結(jié)果及實際SUV電動汽車火災(zāi)案例和數(shù)據(jù)開展數(shù)值模擬研究，構(gòu)建了電池及整車火災(zāi)模型，對整車燃燒進(jìn)程、火焰?zhèn)鞑?、熱釋放速率、車?nèi)不同位置溫度變化以及駕駛員位置煙霧進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明：
（1）由電池包引發(fā)的整車火災(zāi)蔓延呈現(xiàn)明顯的階段分化，分為電池包內(nèi)熱擴(kuò)散、車廂內(nèi)可燃物燃燒及整車全面燃燒三個階段。70 s之前，火焰依賴電池包的熱失控及車內(nèi)可燃物進(jìn)行燃燒與熱傳遞，70 s之后，由于持續(xù)高溫烘烤，汽車車窗被高溫震碎，大量外界空氣進(jìn)入車廂參與并加劇車內(nèi)可燃物的燃燒。
（2）在本工作模擬中，火焰蔓延方向是電池包底盤—前動力艙—后動力艙—整車，電池、車廂、前動力艙及后動力艙在燃燒中達(dá)到的最高溫度分別為900 ℃、830 ℃、650 ℃及400 ℃。
（3）電池燃燒伴隨的煙氣會在短時間內(nèi)通過車身空隙進(jìn)入車廂，乘員艙內(nèi)煙霧濃度迅速升高，在40 s內(nèi)覆蓋率達(dá)到100%，危害乘員生命安全。
綜上所述，此次仿真有效反映了由動力電池?zé)崾Э匾l(fā)的SUV整車火災(zāi)真實情況，有助于深入認(rèn)識電動汽車熱危險性，為人員逃生及消防提供參考。
