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8 生产与安全技术

2024 NO.7 (上) 中国新技术新产品

基于火灾事故树的新能源汽车实验室管理探究

陈海哨 刘得星

(温州理工学院, 浙江 温州 325000)

摘要：新能源汽车市场蓬勃发展，各高校相继设立新能源汽车相关专业并大力建设锂电池实验室，因此火灾安全管理工作也须同步更新。首先，通过搭建锂电池过充试验台进行过充电试验，记录并分析锂电池热失控现象及发展规律。其次，结合试验结果利用事故树分析法得到引发锂电池实验室火灾事故的底事件。最后，根据事故树分析结论对高校新能源汽车实验室建设及管理工作提出建议。

关键词：新能源汽车；锂电池热失控火灾；事故树

中图分类号：F 407

文献标志码：A

我国新能源汽车产业在国家政策支持下蓬勃发展，为顺应行业发展趋势，各高校设立“新能源汽车工程”专业，并大力新建以电池、电机和电控三电系统为主的新能源汽车实验室。其中，汽车动力电池因化学活性强、储存能量高的特点使新能源汽车实验室比传统的燃油车实验室的火灾风险系数大大增加[1]。本文拟在锂电池热失控火灾试验的基础上总结试验现象，运用事故树分析法，找到制造、使用、存放、搬运过程中真正诱发电池热失控事故的直接或潜在因素，并将其运用到实验室建设和管理工作中，提高锂电池实验室的安全系数。

1 锂电池热失控火灾过程分析

1.1 试验准备

车用电池单体按照正极材料不同分为磷酸铁锂电池和三元锂电池两种。三元锂电池由于比能量高、倍率充电性能好等优势，因此可以使乘用车获得较好的续航里程和快充性能，从而得到广泛应用[2]。本文将某车用三元软包锂电池单体作为试验对象，额定容量为 12Ah，三维尺寸为 130mm×68mm×13mm（$L \times B \times H$）。

试验对 SOC 为 100% 的电池样本进行 1C 倍率 (12A) 持续恒流过充电，直至电池起火燃烧，并监测整个过程中的电池电压和表面温度的变化，观察过充电火灾行为特点[3]。其中，将电压传感器布置在电池极耳处，温度测点布置如图 1 所示。

1.2 试验过程记录及现象总结

当过充电约 1200s 时，电池开始出现鼓包现象，随着时间推移至 2000s 左右，电池鼓包现象逐渐明显，但尚未破坏外表结构，直至过充 3500s 左右，电池周围开始出现肉眼可见的烟雾现象，约 3550s 时，电池释放大量浓烟并喷射固体物质，紧接着，约 3660s 时，电池开始出现明火火焰，并在 3700s 左右剧烈燃烧，燃烧过程持续至 3850s 左右，火势开始平缓并逐渐变小，最终约 5400s 时，燃烧过程结束。电池周边有明显的黑色燃烧残留物。试验过程截取关键节点图片如图 2 所示。

1.3 锂电池热失控电压及温度特征分析

通过温度传感器及电压记录的数据，可以将整个热失控分为6个阶段[1, 4]，阶段I燃烧时长约为0s~1800s，这个阶段样本电池无明显变化；阶段VI燃烧时长约为3770s后，这

〔图〕3#4#.+-30O20267#2#2#8#9#7#5#6#6#\n

图 1 试验样本及测温点示意图

个阶段火灾基本平息，样品无明显变化。因此重点对中间 4 个阶段进行分析。

通过得到的温度、电压等数据分析可将电池热失控过程划分为以下 4 个阶段。

阶段Ⅱ：火灾酝酿（约1800s~3540s）。电池两端电压继续平稳升至4.9V左右，电池表面温度上升较快，测点最高温度达到102.2℃，过充约3540s时鼓包量达到最大，电池两端电压急速下降，各测点温度升高速率明显变快，如图2(b)、图2(c)所示。

阶段Ⅲ：火灾阴燃（约 3540s~3600s）。各测点温度和电池两端电压均快速升高，并在过充至 3600s 左右突然升到最大值 10.21V，随后又突然快速降至 4.7V，电池剧烈冒烟并火星四溅，但尚无明火出现，如图 2（d）所示。

阶段Ⅳ：火灾爆燃（约 3600s~3660s）。期间电池两侧开始出现射流火并剧烈燃烧，各测点温度急剧上升，过充至 3660s 左右，最高温度达到 877℃，电压突然骤降至 0V，现象如图 2（e）所示。

阶段 V：火灾持续（3660s~3770s）。期间明火持续燃烧，与爆燃阶段现象不同，火灾持续阶段火焰较为平稳。由于内部结构破坏电池电压依旧保持为 0V，因此各测点温度缓慢降低，期间由于喷射火焰炙烤作用，因此电池底部侧边温度测点（6#）最高温度达到 1208℃，现象如图 2（f）所示。

综合上述分析，锂电池从开始发生热失控，到最终发生

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不可逆火灾事故的表现为先胀气，内部气压升高，达到泄压阀临界后开始破坏外部结构，出现冒烟、喷射大量化学物质并最终出现明火。为展示效果，仅保留上3#、下6#、中央8#、左中7#4个传感器数据，试验过程的电池各测点温度及两端电压如图3所示。

2 电池热失控火灾事故树分析

2.1 事故树分析法

事故树分析法（Fault Tree Analysis, FTA）是安全系统工程的重要分析方法之一，在该方法中，将分析元素定义为事件，其中，将最终的结果定义为“顶上事件 T”，它是整个分析的目标对象，将导致“顶上事件”发生且可以进一步分割的事件定义为“中间事件 $M_i$（$i=1, 2, 3, \dots$），与中间事件有因果关系且不能或不需要进一步分割的事件称为“底层事件 $X_i$（$i=1, 2, 3, \dots$），通过对应的连接符号连接各事件间存在的逻辑关系。通过逻辑分析，可以进一步分析各事件的直接原因或潜在原因[5]。

2.2 锂电池火灾事故成因分析

基于火三角原理，造成火灾须具备 3 个条件：可燃物、助燃剂（氧气）和一定能量的点火源。

物品摆放不合理或实验室选址不合理可能会导致可燃物集中，最终造成严重火灾事故，因此锂电池实验室内部或周边存在易燃物是最终造成火灾事故的原因之一。

锂电池热失控释放的大量热量是引发火灾最重要的点火源，诱发锂电池热失控的滥用工况又可以细分为机械滥

用、电滥用和热滥用[3, 4]。其中机械滥用是指电池受到不恰当的机械外力挤压或穿刺导致内短路，电滥用是指不恰当的过充电和过放电以及电池外部短路导致内短路，热滥用是指锂电池接触外部热源导致局部过热从而诱发内短路。

传统火灾传感器或传感器安装位置不合理以及传感器未定期校准导致失效，可能使消防系统不能及时识别早期热失控火情，灭火系统失效或灭火剂不合适也会导致火灾。

2.3 锂电池实验室火灾事故树绘制

结合上述锂电池热失控火灾致因分析，并结合真实事故统计分析，得到新能源汽车实验室锂电池热控制火灾事故树。将锂离子电池实验室火灾作为顶层事件T，造成该火灾事故的成因包括电池发生热失控为$M_1$、周围存在易燃物$M_2$和热失控火情未及时扑灭$M_3$等8个中间事件，而造成电池热失控又包括机械滥用、电滥用或热滥用多种情况，继续分析又包括高处跌落、重物挤压变形等14个底事件，综合上述分析最终得到锂电池实验室火灾事故的事故树分析图，如图4所示。

3 新能源汽车实验室安全管理措施

针对锂离子电池实验室火灾事故分析得到的事故树底事件，在实验室建设和管理中，应从隔绝可燃物、避免电池滥用和配备合理的消防措施3个层面进行加强和特殊处理。

3.1 隔绝易燃物

锂电池热失一旦发生便会迅速蔓延，为避免火情进一步扩散，锂电池实验室应尽可能隔绝一切潜在可燃物，具体体

〔图〕(a) =1200st=2000st=3500s(d)t=3550s(b(f) t=3700s(h)t=5400st=3660s(g)t=3850s\n

图2 单体电池火灾试验过程中不同时刻试验现象

〔图〕插图

图3 过充电热失控过程温度及电压变化曲线

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〔图〕插图

图4 锂电池实验室火灾事故树

现在以下 2 个维度。1) 独立选址：锂电池实验室选址时应尽可能独立，远离含化学易燃易爆物的实验室（例如材料实验室等），以免引起连锁反应扩大险情。2) 物料分区分级放置：锂电池周边 5m 内不允许出现纸箱、棉织、木制、聚酯纤维等可燃物，锂电池试验材料要放置在专门的隔离区，并标注明显标识。

3.2 避免电池滥用

高校实验室主要群体为学生，对锂电池认知不足可能会因一些误操作造成电池滥用，因此须从以下5个方面加强管理。1) 制定详细的试验指导手册：在实践过程中，须制定详尽的试验指导书，且在试验过程中每次至少一人监督，防止因误操导致外短路或机械损伤，从而诱发热失控。2) 搬运及存放须注意：锂电池搬运过程不可以暴力扔、砸，也应避免其他尖锐物体刺穿电池外壳导致机械滥用。锂电池不可相互堆叠，避免下方电池被挤压变形，也不可放置过高以免造成高处跌落。3) 对充放电过程加强监督力度：须利用能定时断电的智能插座给锂电池充电，以保证不过充，无保护板的电池或试验用自制电池充电过程须有专人看守，有任何异常要及时切断电源。4) 寒暑假存放要求：锂电池最佳存放 SOC 为 30%~70%，长期放置可能使电池过度自放电而诱发电滥用导致热失控，3个月须充电一次，充至 70%。5) 控制热源：锂电池实验室应避免一切高温热源，例如未熄灭的烟头、空调外机、加热设备等。实验室内须配备温度调节设备以保证锂电池工作，并将其存放于 -20℃~35℃ 的环境中。

3.3 配备合理的消防措施

锂电池火灾与普通易燃物火灾不同，灭火重点问题是及时带走电池内部热量，因此须从以下方面改进实验室消防措施。1) 合理配置火灾传感器：锂电池发生热失控早期会释放大量 $CO_2$ 和 $H_2$ 气体，在发生热失控后会产生大量 HF 气体。实验室应在存放锂电池周边的适当位置配备对应气体传感器，以识别早期火灾风险，并及时提醒管理员。2) 配备

恰当的灭火系统和设备：避免锂电池热失控和阻断传播的关键是及时降低电池表面及内部温度，带走热量。现有研究表明，只有水基灭火器冷却效果最好，但常规的水基灭火器有触发短路风险，而细水雾灭火器因采用的纯水，所以水雾直径小无残留，且兼具降温灭火效果和绝缘性能。几种常见灭火器对锂电池热失控后的灭火效果对比情况见表1。须将锂电池实验室的普通自动喷水灭火系统改为细水雾灭火系统，此外还需要配备移动式高压细水雾灭火器，用来对局部小范围热失控进行人工灭火[6]。3) 定期检查校准消防系统：长期未使用的情况下，消防系统中的电子元器件和喷嘴等精密件可能会偶发性失效，因此为保证出现火情时系统能够有效工作，应设置记录卡，对消防系统进行定期检查校准。

表1 各种灭火剂对锂电池火灾效果对比

4 结论

本文通过某方形软包锂离子电池过充电试验，分析锂电池热失控规律，并利用事故树分析法得到锂电池实验室火灾事故树，最终指导某高校新能源汽车锂电池实验室建设和管理工作，得到以下3个结论。1) 锂电池过充热失控可分为6个阶段，表现为发生产气鼓包、出现冒烟、喷射大量化学物质并最终出现明火，期间温度急剧升高和电压急速下降，测点最高温度达到1208℃。2) 可将锂电池实验室火灾事故拆解为机械滥用、存在易燃物等8个中间事件和14个底事件。3) 新能源汽车锂电池实验室建设管理应从隔绝可燃物、避免电池滥用和配备合理的消防措施3方面入手，以提高火灾安全系数。

参考文献

[1] FENG X, FANG M, HEX, et al. Thermal runaway features of large format prismatic lithium ion battery using extended volume accelerating rate calorimetry [J]. Journal of Power Sources, 2014, (255): 294-301.

[2] 刘霏霏. 微热管在电动汽车电池热管理系统中应用关键技术研究 [D]. 广州：华南理工大学，2017.

[3] 陈吉清，刘蒙蒙，周云郊，等.不同滥用条件下车用锂电池安全性试验研究[J].汽车工程，2020，42(1)：66-73.

[4] 刘得星. 车载电池包集成灭火系统关键参数仿真研究 [D]. 广州：华南理工大学，2020.

[5] 胡洁，方书昊，齐涵，等. 事故树-风险矩阵评估高校实验室火灾风险[J]. 安全，2019，40(5): 24-29.

[6] 李致远，鲁锐华，余庆华，等. 动力电池热失控特征及防控技术研究分析[J]. 汽车工程，2024，46(1): 139-150.