一種動力電池的快速滅火系統設計

【摘 ? 要】 ? 作為新能源汽車的動力來源，動力電池的安全性直接決定了新能源汽車的推廣和應用，動力電池著火問題是新能源汽車安全性能的關鍵難題。設計了一種動力電池箱專用快速滅火系統，以實現對動力電池箱的及時、有效滅火，為車輛人員的逃生爭取時間。

【關鍵詞】 ? 電動汽車; 動力電池箱; 快速滅火系統

Design of a Fast Fire Extinguishing System for Power Battery

Zhan Hua

（Fujian Chuanzheng Communication College， fuzhou 350007， China）

[Abstract] As the power source of new energy vehicles， its safety directly determines the promotion and application of new energy vehicles. However， the problem of power battery fire has always been a key problem for the safety performance of new energy vehicles. In this paper， a special quick fire extinguishing system for power battery box is designed to realize timely and effective fire extinguishing for power battery box and prolong the escape time for vehicle personnel.

[Keywords] electric vehicles; power battery box; a fast fire extinguishing system

〔中圖分類號〕 ?U27 ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

0 ? ? 引言

近年來，隨著新能源汽車行業的發展，電動汽車的市場逐漸擴大，但新能源汽車動力電池熱失控造成的起火問題已是汽車行業發展的痛點，嚴重威脅人民的生命、財產安全，且成為了制約新能源汽車發展的瓶頸，阻礙了新能源汽車的大規模應用和推廣。2020年國務院辦公廳發布的《新能源汽車產業發展規劃2021-2035年）》，已明確將電池技術列為新能源汽車核心技術攻關工程。

由于動力電池模組通常是由多個電池模塊緊密排列，所以一旦電池模組中的某一個電池模塊發生火情，火勢就會在短時間內迅速蔓延至其他電池模塊，導致電池包著火、車輛起火，最終造成嚴重的事故。

為了解決上述技術問題，本文設計一種動力電池的快速滅火系統，能夠在任何一個單體動力電池發生起火之后迅速將其撲滅，有效阻止火勢蔓延，為車輛人員的逃生爭取時間。

1 ? ? 鋰電池火災特性

在電動汽車開發方面，鋰離子動力電池已經成為主流，在國內眾多汽車研制和生產企業開發的電動汽車80%以上車型都采用鋰離子電池，而且這個比例有逐步擴大的趨勢，其主要使用的動力電池是磷酸鐵鋰和三元鋰電池（鎳鈷錳酸鋰）。

當鋰電池組由于外界溫度、電極短路、電池老化、充電異常、機械碰撞、甚至自身制造缺陷等原因[1-2]，電池內部發生劇烈的不可逆氧化還原反應，釋放小分子氣體，產生大量熱，由于不能將產生的熱量有效散到電池外部，會引起電池內部溫度、壓力急劇升高。而溫度的上升又會極大地加速反應進行，產生更大量的熱和氣體，此時電池進入無法控制的自加速狀態，即俗稱的熱失控，宏觀表現為噴射狀火焰特征，即“溫升—鼓脹—破裂—煙氣—主 / 被動著火”[3] 。

文獻[4]中，對經過預處理，100%荷電狀態（SOC）的鋰電池，以 1C 倍率持續恒流過充直至熱失控起火。其過充電火災過程分為氣鼓包、火災醞釀、火災陰燃、火災爆燃、持續燃燒、火災平息六個階段[4]。通過試驗得出，電池瀕臨熱失控到電池完全熱失控約有 60s 的反應時間，故此時間間隔有利于熱失控火災的早期監控[5]。

2 ? ? 電池快速滅火系統組成結構設計

由于鋰電池存在熱失控的安全缺陷，故在電動汽車動力電池設計時都有相應的電池管理系統（BMS），實時監控電池實際狀態，在發生過溫、過充、電壓電流突變等異常現象時能采取必要措施。但目前的BMS技術仍存在技術瓶頸，因此為彌補主動安全的不足，就很有必要引入被動安全系統，在局部電池發生熱失控的初期，能及時撲滅可能存在的明火，并快速帶走熱失控聚集的熱量，防止火災進一步蔓延。

基于以上對鋰電池火災特性分析，本文設計一種快速滅火裝置的動力電池系統，主要包括滅火模塊、監控報警模塊及控制單元。滅火模塊存貯和釋放滅火劑，及時有效撲滅早期局部電池熱失控火災，同時能使電池箱內持續降溫，帶走聚集的多余熱量，防止火災復燃;監控報警模塊，將電池箱體內的快速滅火系統監測信息與動力電池管理系統上各傳感器采集的電池溫度、電壓等監測信息都上傳到主控制器，進行兩路數據對比，以此可以更加精準地分析、監控電池的熱失控狀態，第一時間探測到鋰離子動力電池異常，以避免早期火災的發生[6] ;控制單元則是接收火災探測信號，與其設置的閾值比對，判斷是否發生局部熱失控，進而采取相應措施。

本文設計的電池快速滅火裝置架構如圖1所示，電池箱體3的內部設置有若干個電池單體4，在排列好的電池單體4上部設置有第一滅火容器1，每個電池單體的兩側還設置有第二滅火容器2，并通過固定架5將第二滅火容器和各電池單體的外側排列固定。其中第一滅火容器1的內部填充有滅火氣體（氮氣或二氧化碳氣體），第二滅火容器2的內部填充有滅火干粉，兩滅火容器均由絕緣高分子材料制作而成。

電池箱上蓋10的底部設置有阻燃層9，煙感模塊7設置在阻燃層9的底部;電池箱上蓋10的頂部設置有報警模塊8，其與煙感模塊7電性連接;電池箱體3的外側壁上設置有防爆閥6。

3 ? ? 電池快速滅火系統工作原理

一旦發生意外，某一個單體動力電池4發生熱失控之后，在火勢作用下將動力電池4兩側的兩個第二滅火容器2燃燒，使得第二滅火容器2內部的滅火干粉釋放，滅火干粉釋放后能夠起到快速減弱和消滅動力電池起火的作用，有效阻止火情蔓延，熱分解的滅火干粉可以產生熔融層或者碳層，使鋰離子電芯防爆閥6隔絕外部氧氣進入電池箱體，使燃燒減慢或停止;進一步地，如果火勢向上蔓延，第一滅火容器燃燒后在瞬間快速釋放大量的氮氣或二氧化碳氣體，稀釋電池箱體內部的氧氣濃度，使得動力電池全面封閉，阻止其進一步燃燒，將危險控制在電池箱體內部，此時設置在電池箱上蓋10底部的煙感模塊7檢測到燃燒產生的煙霧后立即觸發報警模塊8進行報警，提醒車輛人員迅速撤離，由于電池箱上蓋底部設置的阻燃層能夠進一步起到阻隔燃燒的作用，為車輛人員爭取了寶貴的逃生時間。

4 ? ? 結語

隨著電動汽車領域大容量鋰離子電池的應用[7-8]，動力電池火災事故明顯增多，亟待開展有關鋰離子電池的監控滅火裝置的研究及應用[9]，本文的動力電池快速滅火系統能有效、及時地阻止電池著火，減少安全事故發生，且無需改變原動力電池結構，具有較廣泛的適應性和市場推廣潛力。

參考文獻：

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[2] ?唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京：機械工業出版社， 2016.

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[4] ?劉得星. 車載電池包集成滅火系統關鍵參數仿真研究[D].廣州： 華南理工大學.

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[6] ?楊建鋒，鄧新華，武春曉，等. 車用動力電池的滅火系統改進設計[J]. 客車技術與研究， 2020， 42（6）：49-50+60.

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[8] ?王震坡，黎小慧，孫逢春.產業融合背景下的新能源汽車技術發展趨勢[J].北京理工大學學報，2020，40（ 1） ： 1-10.

[9] ?裴崇利， 張禮憲， 劉培培，等. 動力電池箱專用自動滅火系統設計方案[J]. 客車技術與研究， 2019， 41（3）：23-24+30.

[收稿日期] ? 2021-03-06

[基金項目] ? 2018年福建省教育廳中青年教師科研項目（科技）“電動汽車動力電池故障診斷預警系統研究”（JZ180360）

[作者簡介] ? 詹華（1982-），女，碩士，福建船政交通職業學院汽車學院副教授， 研究方向：電動汽車、智能網聯汽車控制技術。