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分析|电动汽车锂电池灭火技术研究

时间:  2020-05-29 16:07  来源:  电动学堂   作者:  网络转载

随着电动汽车行业迅猛发展,动力锂电池火灾呈多发态势。研究发现,电动汽车发生火灾多是由于其内部动力锂电池热失控所致,动力锂电池起火引发的电动汽车灭火技术逐渐引起各界的重视。

1、动力锂电池结构

动力锂电池作为整车动力来源,是电动汽车发展的核心技术。目前,在电动汽车上主要应用的电芯按外形分为圆形和方形,其中,圆形电芯有18650、21700 两种。典型圆形电芯和方形电芯的结构,如图1 所示。

分析|电动汽车锂电池灭火技术研究

锂电池按外包材料可分为铝壳锂电池、钢壳锂电池、软包电池。按正极材料可分为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰(NCM)、镍钴铝(NCA)、磷酸铁锂(LFP)。其热稳定性大小顺序为磷酸铁锂电池>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动力锂电池的主流。圆形和方形锂电池技术特性对比,见表1 所示。

分析|电动汽车锂电池灭火技术研究

2.1 电动汽车起火案例分析

电动汽车起火案例分析表明,起火原因大多是由于动力锂电池热失控所致。通过对某型电动汽车一年起火时间分析,发现在温度较高的5-8 月,起火案例起数占总数的52%以上,环境温度过高是动力锂电池起火的因素之一;从该电动汽车起火案例中车辆运行状态统计还发现,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%。

2.2 动力锂电池热失控发生机制

电动汽车使用过程是动力锂电池的充放电循环过程,会发生复杂的化学反应。由于负极表面SEI 膜的热稳定特性,当温度达到120~140 ℃时会发生热分解。SEI 膜分解会使负极裸露,直接与电解液接触,发生剧烈的还原反应,并放出大量可燃性气体,同时释放出大量的热。

当SEI 膜分解释放的热使电芯温度达到180~200 ℃时候,正极开始发生分解。正极分解过程中释放原子态氧,原子态氧的活性很高,会直接导致电解液剧烈氧化分解,短时间内电芯积聚大量的热。

当温度过高或充电电压过高时,发生潜在的放热副反应,热量聚集时,电芯温度和压力急剧上升,导致热失控发生,其中正极热分解量最大。不同正极材料的电芯热稳定性不同,三元材料的电芯热分解相对较低,磷酸铁锂在200~400 ℃时基本不分解,随着镍含量的增加,高镍三元正极热分解温度越来越低,放热量越来越大,温度在120 ℃左右就开始发生热分解。

当动力锂电池散热性能不达标,化学反应释放的热量使温度升高,促使化学反应速率呈指数级增大,系统进入自加温状态,发生热失控。另外,电芯都装配有泄压阀,动力锂电池也会配备防爆阀,当电池压力达到6~8 Pa 时会泄压。在泄压过程中,电解液的闪点很低,电解液蒸气在喷出时,与防爆阀的摩擦足以导致动力锂电池燃烧。由此可见,动力锂电池起火的特点是不会发生剧烈爆炸,但具有燃烧迅速的特点。

2.3 动力锂电池起火过程

为验证电动汽车动力锂电池的起火过程,笔者与研究人员进行了某型号动力锂电池的热失控过程验证试验。试验设备包括电池包监控上位机、加热片、万用表等。动力锂电池参数,见表2 所示。试验内容包括: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;电池包进水后的放电情况及放电过程中出现的异常情况。试验过程的数据与现象,见表3 所示。

分析|电动汽车锂电池灭火技术研究

使用加热片对动力锂电池中的单颗电芯进行1.7 h 加热。加热1 h 时,温度到达125 ℃ ,后续温度一直保持不变,其间电芯有炸裂声,但声音不明显。试验结束后,该电芯防爆阀开启,没有发生爆炸和引起周边电芯热失控,电池包完好,如图2 所示。试验结果表明,单电芯热失控不一定会引起整包热失控。

分析|电动汽车锂电池灭火技术研究

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使用加热片对动力锂电池模组中间处的电芯进行加热,见表4 所示。在加热5 min 后,开始出现异常现象,此时温度为185.6 ℃,在9 min 后停止加热,由于反应不断进行,模组温度达到512.3 ℃时出现明火,火势迅速蔓延至整个模组,如图3 所示。

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使用加热片对动力锂电池中的模组进行加热,电芯在受热到210 ℃时发生剧烈反应(此过程4 min 左右),出现泄气或炸裂现象,同时1 min 内周边电芯开始发生连锁反应,发生间断炸裂。12 min 后,电池包内压强增加,电池出现鼓包现象。电池包泄压导致电池包内剧烈反应出现明火,历时20 min 左右,说明动力锂电池起火具有火势猛烈、蔓延迅速的特点,如图4 所示。

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通过试验发现,单体的热失控会引发模组的热失控从而导致整个锂电池的热失控,其起火过程如图5 所示。

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3、动力锂电池灭火技术3.1 灭火器的选择及种类配置

根据GB 50140- 2005《建筑灭火器配置设计规范》,汽车充电站属于E 类火灾场所,其最大保护距离和单具灭火器最低配置不应低于A 类火灾的规定。E 类火灾可采用磷酸铵盐干粉灭火器、碳酸氢钠干粉灭火器或二氧化碳灭火器。根据T/CSAE 84-2018《电动汽车火灾事故救援规程》规定,考虑到插电式混合动力汽车及纯电动汽车锂电池内部燃烧特点,磷酸铵盐干粉灭火器无法达到持续降温的目的,灭火效果不佳,建议选用二氧化碳灭火器和水基型灭火器。

3.2 灭火操作

动力锂电池起火具有高热量、火势猛烈、蔓延迅速、只燃烧不爆炸、火势难以扑灭的特点。笔者建议:一是火灾初期可采用水基型灭火器进行控制;二是针对燃烧产生大量的热量,在断电情况下对电动汽车用大量的水进行降温、控火,防止向毗邻区域蔓延;三是用河沙对起火电动汽车底部进行覆盖,控制火势蔓延。

3.3 安全管理注意事项

(1)设置位置。考虑到电动汽车的火灾危险性及灭火难度,电动汽车及充电桩最好设置在室外,如确需设置在室内及地下车库,应集中设置,并与其他车库之间进行有效的防火分隔,相邻两个充电桩之间应保持相应的防火间距,不宜小于2 m。

(2)配齐设施。按照要求配置相关数量的灭火器材和固定消防设施,根据实际情况配备室内外消火栓系统、移动式干粉(水基型)灭火器、河沙和相关监控设备。

(3)电源管理。充电桩配电箱的电源控制开关应统一管理,在紧急情况下能第一时间断电,防止火势蔓延扩大,同时为灭火救援提供安全保障。

(4)其他管理要求。充电区域应制定统一的操作规程和安全宣传栏,充电期间原则上不准离人,并设置监控设备和微型消防站,出现异常时第一时间发现并处置,及时报火警。
 

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