電動汽車防火安全策略

■ 韋家輝 溫州市瑞安消防救援大隊

傳統汽車會造成嚴重的尾氣污染問題，而且能源消耗量較大，限制了我國經濟的可持續(xù)發(fā)展。近年來，電動汽車出現在人們的視野中，具有輕便的特點，符合清潔型產業(yè)的發(fā)展要求，是促進汽車行業(yè)轉型升級的關鍵。電動汽車在成本、續(xù)航和充電等方面具有明顯的優(yōu)勢，然而電動汽車會由于電池熱失控而引發(fā)火災，成為限制其推廣應用的主要原因，同時也會給使用者造成損失。為此，應該強化對電動汽車的防火安全管理，保障電動汽車的安全、穩(wěn)定運行。電動汽車原理與傳統汽車有所不同，因此在采取防火安全措施時也應該更具針對性，分析電池的使用特點，降低熱失控問題出現的概率，從而保障良好的整車性能安全。

一、電動汽車的火災事故分析

由于消費者對電動汽車的電池壽命、防火安全和續(xù)航能力等不夠信任，導致電動汽車的銷量不高，影響了汽車行業(yè)的未來發(fā)展。特別是近年來出現的多起電動汽車自燃事故，使很多消費者望而卻步，不利于汽車企業(yè)的市場拓展。電動汽車電池包會受到車輛劇烈碰撞的影響而出現自燃，進而引起整車的燃燒[1]。電池包當中有水分進入會引起短路故障，這也是導致電動汽車自燃的主要原因。此外，在充電過程中容易出現過載發(fā)熱的情況，超出承受極限后引發(fā)火災。外界環(huán)境溫度長期過高或者過低，也會導致電池老化速度加快，火災安全隱患增多。

二、電動汽車電池熱失控的機理

鋰離子電池是電動汽車的主要電池類型，當電池內部溫度出現快速上升的現象時，會導致起火和冒煙等問題，這就是電池的熱失控。電化學因素、機械因素和熱因素等，是導致電池熱失控現象發(fā)生的主要原因。如果電動汽車受到外界機械作用力而出現擠壓和撞擊等情況，則會導致電池受損，如果隔膜遭到嚴重的破壞，就會引發(fā)電池短路故障[2]。樹枝狀結晶是由于電池的長期充放電引發(fā)的，這就會對隔膜造成不同程度的破壞，這也是造成短路的主要原因。電池內部電解液溫度會隨著外界溫度的升高而升高，當超過隔膜的耐受極限后容易出現熔解的情況。電池正負極材料會由于內部短路故障而產生化學反應，單體電芯溫度增大。如果在此過程中出現電解液外漏的情況，則會對其他電芯造成引燃，進而引發(fā)火災或者爆炸事故。

三、電動汽車防火安全策略

（一）電池包殼體防火

鈑金材料在電池包殼體上的應用較多，而碳纖維、樹脂、SMC和鋁合金等輕量化材料多用于非結構件的上蓋中，因此應該以外殼阻燃性能的強化為核心，防止在火災中出現大面積的引燃狀況，以保障整車安全性。對電池包的密封性加以優(yōu)化，避免水分進入而引發(fā)的短路故障，同時阻止了燃燒的快速擴散。在發(fā)生火災時電解液的溫度驟增，會對鋁合金材料造成灼穿，為了使其整體防火性能得到增強，可以運用防火膠實施處理，充分發(fā)揮殼體材料的吸能作用，提升電池包的安全性。運用耐火阻燃涂層處理殼體表面，并進行燃燒測試，確保其外部抗火焰能力得到全面改善，以避免造成大范圍的火災事故[3]。將防火氈材料應用于電池包殼體和電芯、模組中，也有利于促進阻燃隔熱性能的提升，同時運用超細玻璃棉、云母板和高硅氧棉氈等制作防火罩，能在出現火災時起到良好的阻隔作用，避免火勢蔓延，火勢走向也能加以控制，為火災處理贏得寶貴的時間。然而，防火氈的運用也具有一定的缺點，會增加汽車整體重量，而且無法起到良好的散熱效果，對電池散熱系統的要求更高。

（二）電芯材料防火

為了減少電芯的內短路問題，從而起到有效的防火作用，還應該對電芯材料的防火性能加以優(yōu)化，確保隔膜具有耐高溫的特點。在傳統生產制造工作中，往往會使用PE材料和PP材料等制作電芯隔膜，其耐高溫作用不夠顯著，容易在使用中出現收縮熔融的情況，這是引發(fā)短路和自燃的主要原因。為此，應該運用SiO2、Al2O3和CaCO3等耐高溫的無機納米涂層進行處理，其基材也可以選擇聚酰亞胺等材料，在高溫環(huán)境下能確保電芯的良好狀態(tài)，避免出現短路故障。近年來，羥基磷灰石和聚乙烯醇基納米復合材料薄膜在實踐中得到應用，相較于其他材料而言在熱穩(wěn)定性上具有更強的優(yōu)勢，防止出現鋰枝晶而引發(fā)電池的短路。為了改善電解液的防火性能，可以運用阻燃劑進行處理，防止在火災發(fā)生后造成大范圍的燃燒，但是電解液的化學性能可能會受到一定程度的影響，電池成本也會升高[4]。為了改善電池的電化學性能，可以將五氟環(huán)三磷氰阻燃劑應用于電解液中，其含量在5%左右。在電動汽車的未來發(fā)展中，可燃性液態(tài)電解液和簡單的隔膜會逐漸被淘汰，在設計隔膜時可以采用全固態(tài)電解質和凝膠電解質等，液體電解液由鋰鹽和聚合物等物質所替代，在相互作用中形成固態(tài)電解質復合物，能防止出現泄漏和燃燒的情況。當電動汽車電池出現熱失控時，不會造成大范圍的引燃狀況，其能量密度相對較大，防止鋰枝晶問題對電池性能造成的破壞，有利于提高電動汽車的安全性。在實踐工作中，也可以運用a-MnO2納米棒/碳納米管陰極固態(tài)電池和聚丙烯酰胺聚合物電解質等，有效降低熱失控問題對汽車安全的影響。

（三）電池散熱系統優(yōu)化

由于單體電芯的存在，會對電池包的散熱性能產生影響，加劇電芯的老化，長此以往會導致熱失控問題的出現，容易對電池包和模組造成威脅。為此，應該針對模組和電芯進行合理設計，確保其空間分布結構的合理性，對火災中火勢和煙霧的傳播形成控制，防止形成大范圍的燃燒。為了避免在熱失控狀況下出現快速蔓延的情況，應該對電芯之間的距離進行合理控制，通常在3mm以上，實現對電芯溫度的合理掌控，防止造成劇烈的熱量變化，進而對相鄰的電芯起到良好的保護作用[5]。電芯熱量會受到電池包串并聯結構的影響，因此應該設計完善的電池散熱系統，實現對電池溫度的合理控制，在實踐中一般采用液冷和風冷的方式。相變材料已經應用于散熱材料的制作中，其形態(tài)會由于溫度的差異而出現較大的不同，通過熱量的吸收和釋放來對溫度加以控制，但是也存在低熱率的問題，可以運用膨脹石墨、金屬材料和導熱顆粒等對其進行優(yōu)化。

（四）熱失控預警系統優(yōu)化

熱失控預警系統在電動汽車中的運用，可以針對電池的熱失控問題及時發(fā)出警報信息，從而提醒人員及時采取控制措施，以避免釀成難以挽回的損失。在模組之間的熱擴散作用會得到及時控制，以保障整個電池系統的安全，通過雙閃報警和人機交互界面顯示等方式提醒人員逃生，為火災預防和控制贏得寶貴的時間[6]。熱失控預警系統會自動對電壓、溫度和電流等參數進行實時監(jiān)測，當出現異常參數時觸發(fā)警報，為了防止出現誤報的狀況，可以加強對電池包壓力和相關氣體的監(jiān)測，以獲得可靠的監(jiān)測結果。比如在熱失控中會產生較多的一氧化碳和二氧化碳，則可以根據不同氣體的密度來判斷熱失控問題[7]。此外，還應該通過自動滅火裝置的應用來提高防火安全，實現對初期火災的及時控制。

熱失控壓力智能監(jiān)測技術在實踐中的應用效果較好，可以實現對電池壓力的實時化監(jiān)測，如果壓力參數出現異常狀況，電池管理系統會進行判斷和報警，以便及時控制電芯故障，防止造成嚴重的事故。在汽車停止和行駛狀態(tài)下，可以對熱失控加以抑制，防止造成整個電池的引燃，同時借助于聯網報警獲取消防人員的幫助。以BMS檢測技術為核心，加強對煙霧報警裝置和內部溫度監(jiān)測系統的應用，增強保護效果。

（五）整車非金屬材料阻燃性能優(yōu)化

高壓電器件在電動汽車中的應用較多，應該以該類器件的防火為重點，促進整車非金屬材料阻燃性能的優(yōu)化，包括充電槍、充電樁和高壓線束等，防止受到高壓負載影響而出現燃燒的情況。溫度和壓力是影響整車非金屬材料阻燃性的關鍵，容易造成大范圍的連鎖自燃反應。電動汽車內飾材料會受到火勢影響而快速引燃，產生較多的有毒有害氣體，威脅人們的生命安全。為此，應該選擇低煙、無毒、環(huán)保材料保障車內的安全性。在設置織物材料和地板時也應該選擇高阻燃性能的材料，在氧指數和煙密度等方面作出明確規(guī)定，防止在電動汽車運行中存在較大的安全隱患。

四、結語

電動汽車電池的熱失控，是引發(fā)火災的主要原因，因此會對汽車的安全性產生威脅。強化對電動汽車防火安全的重視，不僅有利于行業(yè)的快速發(fā)展，而且可以切實保障駕乘人員的生命財產安全，避免造成重大事故。在實踐工作中，應該從電池包殼體防火、電芯材料防火、電池散熱系統優(yōu)化、熱失控預警系統優(yōu)化和整車非金屬材料阻燃性能優(yōu)化等方面入手，構建完善的防火安全機制，從而起到有效的預防和控制效果。