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纯电动汽车的火灾特性及热释放速率探讨

   次浏览   中铁第四勘察设计院集团有限公司   2021-10-19

文章来源:中铁第四勘察设计院集团有限公司

引言

在国家相关政策的大力扶持下,新能源汽车在过去数十年间得到了快速发展,成为未来汽车的主要发展方向。如图1所示,近5年,国内新能源汽车保有量年均增加60万辆以上,截至2019年底,全国汽车保有量达2.6亿辆,新能源汽车保有量达381万辆,占汽车总量的1.46%。

按动力类型的不同,新能源汽车可以分为插电混合动力汽车(PHEV)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池汽车(FCEV)、氢发动机汽车(HICEV)等几个类别。其中,纯电动汽车(BEV)在使用过程中能够真正实现零排放,是新能源汽车的主流车型。

截至2019年底,新能源汽车保有量达381万辆,其中纯电动汽车保有量310万辆,占新能源汽车保有量的大多数。

纯电动汽车的火灾特性及热释放速率探讨


因此,纯电动汽车的火灾安全问题需要得到足够的重视。在电动汽车火灾中,由于动力电池的热失控倾向,电动汽车火灾行为非常特殊。纯电动汽车在火灾机理、火灾规模、烟气特性等方面与传统燃油汽车显著不同。国内外研究中对纯电动汽车火灾的认识尚不充分,可供参考的试验数据较少,相关的研究亟待完善。

2012年,司戈等首次对国内外锂电池安全研究的进展情况进行了介绍,对国内外发生的锂离子电池火灾进行了分析,指出锂离子电池火灾特性亟待研究。2014年,汪书苹等利用火灾动力学软件FDS建立了电动汽车充换电站火灾数值模拟模型,研究了电动汽车充换电站的火灾危险性,结果表明充换电站内火势发展迅速,为电动车火灾数值模拟研究奠定了基础。同样在2014年,张得胜等总结了电动汽车的火灾原因,并首次提出了电动汽车火灾调查与传统燃油汽车火灾调查存在许多不同的思路。吴忠华等阐述了各种类型电动汽车的内部构造,说明了动力电池的燃烧爆炸机理、诱因及火灾特点。曹丽英等通过电池燃烧试验研究了电动汽车火灾的特点,并针对国内外电动汽车火灾案例介绍了电动汽车灭火和应急救援技术的现状,提出了我国灭火和应急救援工作的建议。2016年,陈文丰首次对极端工作环境下的锂电池展开了试验,分析了电池的火灾隐患,并针对最危险的因素对电动汽车火灾防治进行了研究,提出了改进方法和建议。

针对电动汽车火灾灭火问题,有部分学者开展了初期的研究。张磊等总结了国内外锂电池火灾灭火剂技术。邵啸峰提出了电动汽车火灾时灭火剂的选择及消防人员在电动汽车火灾扑救时的战术战法。部分学者还开展了电动汽车火灾燃烧试验。2019年,张良等首次搭建电动汽车整车燃烧试验平台并完成了几种车型的燃烧试验,通过试验发现电动汽车火灾与传统燃油汽车火灾初期燃烧过程相似,但电池热失控后会出现喷火现象。石淼岩等构建了锂离子电池电热联合仿真平台,为电动汽车的锂离子电池进行电热耦合特性理论分析提供了依据。

火灾规模是衡量火灾危险性的一个重要参数。如在隧道通风排烟系统设计中,火灾规模是计算排烟量或临界风速的重要输入参数。

从国内外文献调研中不难看出,如今针对纯电动汽车火灾机理等的研究均处于探索阶段,相关规范、设计细则等条文对火灾规模的规定几乎为空白,相关设计面临着无标准可参考的问题。本文通过资料调研结合理论分析的方法,对纯电动汽车的火灾特性及火灾规模展开初步探讨,以期为纯电动汽车火灾规模的选取提供参考。

1纯电动汽车火灾原因与火灾特性

1.1纯电动汽车火灾中的可燃物

与传统汽车相比,纯电动汽车取消了发动机,传动机构发生了改变,根据驱动方式不同,部分部件已经简化或取消。但增加了电源系统和驱动电机等新机构。与传统内燃机汽车相比,纯电动汽车由新的四大部分组成:动力电池、电力驱动控制系统、底盘、车身。可见,动力电池和电力驱动控制系统(驱动电机等)等新机构是纯电动汽车与传统内燃机汽车的主要区别。

动力电池是纯电动汽车的主要部件,其为电动汽车提供驱动动力。而在火灾发生时,动力电池也是火源的主要可燃物之一。研究表明,电动汽车火灾规模与电池和电池组的大小和容量有关。通常,电池数量越多,所容纳的能量越多,电动汽车着火时的火灾规模就越大。

1.2纯电动汽车火灾的原因

通过文献及其他资料对电动汽车火灾事故进行分析,可总结出纯电动汽车火灾的主要原因。

1)热滥用起火:热滥用主要指的是在纯电动汽车动力电池中出现了局部过热的情况。热滥用的出现可能与极端天气条件有关,也有可能与电池内部故障有关。

2)电滥用起火:电滥用起火主要指的是由于对电池电器部分的不当使用(如短路等)造成的起火,如动力电池被短路引发电滥用起火。

3)机械滥用起火:机械滥用起火指的是外力作用使电池组发生变形并引起火灾。

4)外部原因:电动汽车火灾由外部因素引发,这些外部因素可能包括纵火,或由附近燃烧车辆引燃。

1.3纯电动汽车火灾特性

纯电动车火灾特性包括:火灾不易探测、火灾复燃风险高,以及火灾有毒烟气产量大、毒性高。

1)纯电动汽车火灾不易探测。

纯电动车的电池一般位于车体内部,当火灾探测器能够探测到纯电动车的火灾时,火灾很有可能已发展到较为猛烈的阶段。

2)纯电动汽车火灾复燃风险高。

相比于传统燃油汽车,电动汽车发生火灾后的复燃几率较大,且复燃次数也较多。与普通可燃物不同,动力电池火灾中,火源来自其内部发生的化学反应,即使汽车外部火灾得到抑制,但内部电池在氧含量较低甚至无氧的环境中仍能够发生火灾。

3)纯电动汽车火灾有毒烟气产量大、毒性高。纯电动汽车火灾中,动力电池一旦发生热失控,

电池或其安全阀将破裂并释放有毒物质。随着热失控的逐渐发展,电池将产生更多的烟雾和有毒气体。一些锂电池内部的氟也可能形成氟氧化磷(POF3)。这些有毒气体包括氟化氢(HF)、氰化氢(HCN)和一氧化碳(CO)等。吸入一氧化碳会使人体出现头晕、心悸、全身乏力等症状,重度中毒会使人体痉挛、昏迷甚至死亡。

2012年.Ribière等首次对锂电池燃烧中释放的有毒气体进行了分析,为后续研究奠定了基础。Lecocq、Voigt等通过全尺寸试验获得了电动汽车火灾的有毒气体释放量,见表1。

纯电动汽车的火灾特性及热释放速率探讨


2纯电动汽车火灾规模计算公式

火灾的热释放速率(HeatReleaseRate,HRR)是描述火灾规模的重要参数之一。热释放速率是指在规定的试验条件下,单位时间内可燃物燃烧所释放的热量,常用单位为MW。热释放速率与材料的质量燃烧速率和材料的燃烧热有关,火灾的热释放速率对火灾及产烟量有很大影响。因此,热释放速率在防排烟系统及结构抗火等方面的工程设计上是一个关键参数。热释放速率(QHRR,MW)可以表示为

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式中m为燃烧速率,可以通过试验过程中的质量损失率来衡量,kg/s;ΔHe为有效燃烧热,MJ/kg;Af为燃料或火的地板/表面积,m2;m″为单位面积的燃料燃烧速率,kg/(m2·s);η取决于氧气供应的燃烧效率;ΔHc为电动汽车电池的燃烧热,其随锂电池的类型和荷电状态SOC的变化而变化。

传统内燃机汽车和电动汽车都包含大量易燃材料,包括动力系统和易燃塑料等内饰部件。对于内燃机汽车,汽油、柴油等燃料是动力系统主要可燃物。对于电动汽车,动力系统的主要可燃物是动力电池。传统内燃机汽车和电动汽车的主要区别在于它们的动力系统和燃料(燃料与电池),在内饰及其他可燃部件方面并没有太大的区别。因此,对火灾荷载的评估方法可基于电动汽车不同部分的火灾荷载,将电动汽车的热释放速率分为动力电池与其他可燃物两部分。考虑最不利情况,认为火灾中燃烧的电动汽车发生轰燃,峰值热释放速率(PeakHeat

ReleaseRate,PHRR)为所有可燃物峰值热释放速率之和。

以下分别讨论动力电池与其他部件的热释放速率。

1)动力电池的热释放速率。

Sun等总结了不同类型锂电池的峰值热释放速率(QPHRR),如图2所示,不同类型锂电池的峰值热释放速率与其电池容量EB的0.6次方呈线形关系,其适用范围约从10Wh到107Wh,即从单个锂电池到大型锂电池储电装置都可适用,其关系式为

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通过式(2)可在纯电动汽车动力电池能量容量的基础上估算出动力电池峰值热释放速率。

2)其他可燃物热释放速率。

纯电动汽车上其他常见的可燃物包括不同类型的塑料(ABS塑料、PVC塑料)及皮革、无纺布等。

不同材料之间的峰值热释放速率差异可能较大。段嘉豪等对汽车用聚合物材料的火灾燃烧特性进行了研究,不同样品的峰值热释放速率随外加热辐射强度增大而增大。其试验数据见表2。

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在热辐射强度为45kW/m2时,PVC革无纺毡的单位面积峰值热释放速率最高,可达q″=438.42kW/m2。可以利用下式估算纯电动汽车火灾时其他可燃物的峰值热释放速率。

QPHRR=ηAfq″(3)

式中q″为单位面积的峰值燃烧速率,结合表2数据,考虑最不利情况q″=438.42kW/m2,近似取q″=0.5MW/m2;η为燃烧效率,此处取值为1;A为燃烧面积,m2。

结合式(2)和(3)可估算出火灾时的峰值热释放速率(QPHRR,MW)。

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3不同车型热释放速率估算与验证

对于传统内燃机汽车火灾来说,一辆小型客车的热释放速率一般为2.5~5MW,一辆中型客车的热释放速率一般取15~20MW。对于纯电动汽车,可以由式(4)对其热释放速率进行估算。计算时认为燃烧面积约等于车身投影面积,取小型客车燃烧面积A=8.80m2,中型客车燃烧面积A=32.00m2。根据调研的小型客车和中型客车的电池容量,得出其峰值热释放速率随电池容量的变化,见图3。

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估算的纯电动小型客车峰值热释放速率为5.27~6.40MW,略高于传统内燃机汽车峰值热释放速率。而纯电动中型客车的峰值热释放速率为20.09~20.66MW,与使用内燃机的中型客车热释放速率接近。

从图3可以看到,对于中型客车,随电池容量增加,其峰值热释放速率增长不明显。对于中型客车,动力电池燃烧对整体的热释放速率贡献较小,这也解释了纯电动中型客车与内燃机中型客车热释放速率相近的原因。此外,本文未对大型车辆及货车的峰值热释放速率进行估算。由图3的估算结果可以推断,对于大型车辆及货车,动力电池对总热释放速率贡献很小,其热释放速率与传统内燃机机动车接近。

表3将由式(4)预测的峰值热释放速率与全尺寸试验中的峰值热释放速率进行了对比,其数据来自文献。由于现有文献中对车辆参数描述并不完整,无法将文献中的参数代入式(4)对比。可见,小型纯电动汽车在全尺寸试验中的峰值热释放速率为6.0~6.3MW,与式(4)的预测值5.27~6.40MW较为接近。这表明式(4)对峰值热释放速率的估算是合理的。

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式(4)为估算纯电动汽车峰值热释放速率提供了参考。但由于针对中大型车辆纯电动汽车火灾全尺寸试验的数据较少,式(4)的适用范围还有待进一步的验证。

4结论

纯电动车在火灾机理、火灾荷载、烟气特性等方面与传统燃油汽车有显著差别,将对消防安全、防灾救援等相关设计产生重大的影响。本文通过资料调研结合理论分析,对纯电动汽车的火灾特性及火灾规模展开了初步探讨,结论如下。

1)纯电动汽车的火灾原因主要有4个方面:热滥用、电滥用、机械滥用及其他外部原因。纯电动汽车火灾与车辆动力电池热失控现象紧密相关。

2)纯电动汽车火灾具有不易探测、易复燃等特性。纯电动汽车火灾中易形成氟氧化磷(POF3)、氟化氢(HF)、氰化氢(HCN)和一氧化碳(CO)等有毒气体。

3)评估纯电动汽车火灾荷载时可将纯电动汽车的热释放速率分为动力电池与其他可燃物两部分。本文公式的预测值(5.27~6.40MW)与小型纯电动汽车在全尺寸试验中的峰值热释放速率(6.0~6.3MW)较为接近,公式对峰值热释放速率的估算是合理的。


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