近幾年，基于前期對高低壓線路短路、鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性、傳統(tǒng)汽車火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)急管理部天津消防研究所搭建的電動汽車整車燃燒實(shí)驗(yàn)平臺，在國內(nèi)率先開展電動汽車整車燃燒實(shí)驗(yàn)，初步形成電動汽車整車燃燒實(shí)驗(yàn)方法。

本文通過電動汽車整車燃燒實(shí)驗(yàn)總結(jié)在動力鋰離子電池?zé)崾Э厍闆r下，整車燃燒過程中的蔓延途徑和火后痕跡特點(diǎn)，以及燃燒過程中溫度、煙氣濃度的變化，為后期開展電動汽車火災(zāi)深度調(diào)查積累數(shù)據(jù)，并供應(yīng)技術(shù)支持。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以加熱觸發(fā)動力鋰離子電池?zé)崾Э氐碾妱悠囌嚾紵龑?shí)驗(yàn)為例進(jìn)行研究，電池包內(nèi)加熱方式如圖1所示，其中，模組內(nèi)的電池單體測試電芯從1#～6#按順序排列。

其中1#電芯實(shí)驗(yàn)前取出，并由加熱片和非金屬墊塊填充取代，加熱片規(guī)格長寬為145mm×85mm，供電電壓220V，加熱功率500W。

采用對車輛底盤左后部動力鋰離子電池包內(nèi)的某模組2#電芯進(jìn)行加熱的方式觸發(fā)動力鋰離子電池?zé)崾Э匾颊?，電池單體為三元鋰離子電池，電池的荷電狀態(tài)（SOC）為96%。

2#電芯加熱到泄壓釋放煙氣后，停止加熱。通過2#電芯故障出現(xiàn)的熱量最終引發(fā)電池包起火燃燒，電池包熱失控初期如圖2所示。

2燃燒特點(diǎn)

2.1燃燒現(xiàn)象

開啟加熱開關(guān)，加熱10min后電池包內(nèi)有異響，并開始向外釋放煙氣，在持續(xù)釋放大量煙氣和異響約30min后，煙氣顏色由白色變?yōu)楹谏鹧鎻牡妆P電池包四周向外噴出，并夾帶大量的細(xì)小顆粒物。

火焰沿電池包四周空隙向前部動力機(jī)艙和后部輪胎處蔓延燃燒，呈現(xiàn)出車頭與車尾同時燃燒的特點(diǎn)，4個車輪輪輞處均躥出火焰，并燃燒至上方翼子板及附近區(qū)域，如圖3～4所示。

在火災(zāi)調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，動力鋰離子電池?zé)崾Э氐碾妱悠嚮馂?zāi)初期通常只是底盤位置有煙氣，隨后有火噴出，最后引起猛烈的燃燒。

2.2溫度變化

本文通過布置熱電偶監(jiān)測火災(zāi)發(fā)生前后車輛不同部位的溫度變化，從而進(jìn)一步判斷火災(zāi)蔓延特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求在車輛不同部位共布置16路熱電偶，包括乘員艙內(nèi)、后尾箱內(nèi)和車輛底盤部位，具體測溫點(diǎn)位置如表1和圖5所示。

將車輛上的測溫點(diǎn)分為左中右3部分，其中，1，4，8，16測溫點(diǎn)位于車輛的中軸線上，此4個測點(diǎn)為中部區(qū)域，兩側(cè)分別為左、右2個區(qū)域測溫點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)中視頻監(jiān)控、溫度記錄、煙氣記錄的時間均統(tǒng)一校對，以實(shí)驗(yàn)場內(nèi)電子鐘的北京時間為準(zhǔn)，15∶01∶00開啟加熱開關(guān)，啟動加熱片，實(shí)驗(yàn)開始。15∶10∶42聽到電池包內(nèi)異響，觀察到電池包向外釋放煙氣，記為第1次熱失控時間；

15∶33∶21觀察到底部電池包第2次向外釋放煙氣，為第2次熱失控時間；

電池包內(nèi)動力鋰離子電池第3次熱失控時間為15∶39∶31，底部監(jiān)控觀察到電池包熱失控向外冒煙，將此時間點(diǎn)記為0s，記錄此后5min的溫升變化，時間對應(yīng)曲線如圖6所示。

在150s左右電池包內(nèi)第4次電池?zé)崾Э刂螅囕v底盤位置開始出現(xiàn)明火。

第3次熱失控后車輛底盤位置溫升變化曲線如圖7所示，布置在車上的各個熱電偶溫度也開始迅速上升，最先變化的是位于底盤位置電池包底面上（測溫點(diǎn)16）的溫度點(diǎn)，因靠近火源，在第4次熱失控后布置在底盤位置的4個測溫點(diǎn)（13～16）溫度迅速上升，測溫點(diǎn)13與測溫點(diǎn)14是對稱布置，均位于電池包前部的防火墻區(qū)域，測溫點(diǎn)14先于測溫點(diǎn)13出現(xiàn)溫升變化，也進(jìn)一步驗(yàn)證早期火勢重要是在底盤區(qū)域沿電池包上方間隙向附近傳遞，起火部位在左側(cè)，早期左側(cè)區(qū)域的火勢更大。

第3次熱失控后汽車左側(cè)區(qū)域部分測點(diǎn)溫升曲線如圖8所示。由圖8可知，左側(cè)區(qū)域的溫度變化基本保持一致，在第4次熱失控后的燃燒時間段內(nèi)溫度達(dá)到最高值，車輛底盤附近的測溫點(diǎn)最早開始變化，然后是乘員艙內(nèi)的測溫點(diǎn)，也可說明火的燃燒途徑是由底盤向前后兩側(cè)及乘員艙內(nèi)蔓延。

電池在第3次熱失控后開始劇烈反應(yīng)，有明火出現(xiàn)并沿左后區(qū)域的起火部位向四周蔓延，第3次熱失控后乘員艙內(nèi)溫升曲線如圖9所示。

由圖9可知，乘員艙內(nèi)布置的5個測溫點(diǎn)可清晰地反映出火災(zāi)蔓延趨勢，靠近左后部位的測溫點(diǎn)6最早開始出現(xiàn)溫度變化，并與測溫點(diǎn)8，9在較短時間內(nèi)達(dá)到500℃以上，而乘員艙內(nèi)右側(cè)區(qū)域測溫點(diǎn)5，7始終保持在較低溫度范圍，測溫點(diǎn)5為右后座椅坐墊下方，后期燒損完畢進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)右側(cè)下方基本保持完好，左后區(qū)域則被燒穿。

對布置在車輛中間區(qū)域前中后位置的3路測溫點(diǎn)進(jìn)行比較分析，溫度變化情況如圖10所示。由圖10可知，電池包前部充電口附近的測溫點(diǎn)16最早升溫，因起火后火勢向前的蔓延速度高于向上部乘員艙內(nèi)蔓延的速度，待電池包上方的封堵燒穿以后，火勢沿通孔進(jìn)入乘員艙，位于乘員艙內(nèi)后部的測溫點(diǎn)4早于測溫點(diǎn)8出現(xiàn)變化，很快便達(dá)到800℃以上。

綜上所述，測溫點(diǎn)的溫升變化符合火災(zāi)由底盤區(qū)域左后部向周圍擴(kuò)散的趨勢，雖然大部分測溫點(diǎn)呈對稱分布，但溫度變化并不一致，溫升差異較大，這與左側(cè)區(qū)域靠近火點(diǎn)位置有關(guān)，左后部電池?zé)崾Э睾蠡饎菹蚋浇鼌^(qū)域蔓延，導(dǎo)致左側(cè)區(qū)域的測溫點(diǎn)最早變化，溫度較高，在早期電池包內(nèi)熱失控后火由電池包上方的間隙向周圍同時蔓延，前后蔓延的速度快于向乘員艙內(nèi)蔓延的速度。

起火位置位于電池包左后方，整體火勢沿著由后向前，由左向右，由下向上的途徑蔓延。在其他動力鋰離子電池?zé)崾Э厝紵龑?shí)驗(yàn)中，整車燃燒也呈現(xiàn)出同樣的燃燒特點(diǎn)，只是由于電池包的布置形式和起火點(diǎn)的不同存在少許差異。

電池包位于底盤的車輛均會呈現(xiàn)由底部電池包向前后兩側(cè)蔓延的特點(diǎn)。而且電池包熱失控起火后燃燒迅猛，荷電狀態(tài)越高反應(yīng)越劇烈，本文實(shí)驗(yàn)電池?zé)崾Э睾蠡鹧鎳娚渚嚯x達(dá)到3m以上，在消防救援及人員逃生時需注意保持安全距離。

2.3煙氣變化

在乘員艙駕駛位的頭枕處安裝煙氣傳感器，用來監(jiān)測燃燒過程中CO濃度變化。乘員艙底板的通孔或是其他工藝孔等空隙會有煙氣和火焰進(jìn)入，電池包第1次向外釋放煙氣的時間是15∶10∶42，約20min的第2次熱失控釋放了大量的氣體，此時乘員艙內(nèi)的煙氣傳感器開始探測到少量的CO，以第3次熱失控的時間開始計(jì)時，記錄車內(nèi)煙氣濃度變化。乘員艙內(nèi)CO濃度變化曲線如圖11所示。

由圖11可知，在第3次熱失控前只有少量的煙氣進(jìn)入乘員艙，不足以對乘員造成傷害，第3次熱失控以后，2min內(nèi)車內(nèi)的煙氣濃度便達(dá)到2000ppm以上?？梢酝ㄟ^乘員艙內(nèi)布置的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)有大量煙氣從底板位置涌入，如圖12所示。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證只要乘員艙內(nèi)封堵良好，可盡量減少煙氣侵入，從而為乘員獲得更多的逃生時間。

3痕跡特點(diǎn)

相有關(guān)傳統(tǒng)的燃油車輛，電動汽車由于其特殊的構(gòu)造，動力鋰離子電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的電動汽車火災(zāi)形成特有的燃燒痕跡，重要體現(xiàn)在整車燒損痕跡和電池包及內(nèi)部單體的燒損變形痕跡。

3.1整車燃燒痕跡特點(diǎn)

電動汽車的動力鋰離子電池包大部分位于底盤位置，電池?zé)崾Э睾蠡鹧嫜氐妆P電池包上方的空隙向四周蔓延，在底盤附近區(qū)域形成長時間穩(wěn)定燃燒，大部分燒損過后的車輛會呈現(xiàn)出前部動力機(jī)艙和后部車輪附近區(qū)域2個燒損嚴(yán)重的部位。

看似2個獨(dú)立的起火部位，假如在傳統(tǒng)燃油汽車火災(zāi)調(diào)查中可作為放火火災(zāi)認(rèn)定的參考依據(jù)，由于電動汽車的重要火源及可燃物位于底盤位置，形成與傳統(tǒng)燃油車輛火災(zāi)痕跡最大的不同點(diǎn)。

電動汽車火災(zāi)調(diào)查過程中需將車輛升起，觀察底盤附近的燒損痕跡。電池包附近尤其是火焰蔓延通道上的燒損程度重于周圍區(qū)域。

就整車而言，前后車輪、動力機(jī)艙、乘員艙內(nèi)部均會呈現(xiàn)不同程度的燒損，但由于底部電池包燒損時間長、燃燒熱值高，會形成局部高溫受熱的痕跡，類似于傳統(tǒng)燃油汽車油箱附近起火燃燒的痕跡特點(diǎn)，如圖13所示。

而電池包上方假如有通孔，火災(zāi)容易蔓延至乘員艙內(nèi)，如后排座椅下方有預(yù)留孔，則一般呈現(xiàn)后排座椅附近燒損嚴(yán)重的痕跡。

3.2電池包及內(nèi)部痕跡特點(diǎn)

電動汽車火災(zāi)調(diào)查的第1步可根據(jù)整車燃燒痕跡來鎖定起火部位，有關(guān)動力鋰離子電池包內(nèi)單體電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)，由整車燒損痕跡可較快鎖定為電池包部位。

電池包外殼如為鐵質(zhì)殼體，易出現(xiàn)局部銹蝕變色嚴(yán)重，甚至鐵皮焊縫開裂，局部鼓起的現(xiàn)象；電池包外殼如為鋁合金殼體，易出現(xiàn)局部熔融變形，甚至局部燒蝕形成孔洞；電池包外殼如為非金屬殼體，過火后外殼易燒破，部分缺失。

有關(guān)電池包內(nèi)的起火點(diǎn)或是第1故障單體，則要進(jìn)一步拆解分析電池包并觀察內(nèi)部單體的痕跡變化進(jìn)行確定。由于柱狀電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，火后單體破壞變形程度較大，不易于辨識，而片狀電池單體結(jié)構(gòu)形態(tài)保持相對完整，具有一定的痕跡特點(diǎn)。

電池包的燒損可根據(jù)外殼的銹蝕變色程度和缺失程度來尋找出最先起火區(qū)域，鎖定出起火點(diǎn)附近的模組，電池包的整體燒損痕跡如圖14所示。

模組間的變形與單體的變形一般呈現(xiàn)向早期熱失控模組或單體擠壓變形的痕跡，如圖15所示。模組內(nèi)有9節(jié)單體，從1～9號依次排列，單體6為早期故障單體，附近單體均會呈現(xiàn)向此單體擠壓變形的痕跡。

4結(jié)論

1）動力鋰離子電池?zé)崾Э睾?，車輛底盤位置的電池包首先有煙氣生成，煙氣濃度逐漸增大，顏色由白色變?yōu)楹谏覞舛容^高時開始有火焰噴出，在由加熱觸發(fā)的電動汽車火災(zāi)中，從最早的單體熱失控到起火燃燒有一定的間隔時間。

火焰沿電池包上方的間隙向四周蔓延，向前后蔓延速度快于向乘員艙內(nèi)的蔓延速度，火焰噴射距離根據(jù)電池類型不同而有差異，荷電狀態(tài)越高反應(yīng)越猛烈，一般可達(dá)到2m以上的距離。

2）電池包附近的溫度在熱失控起火后3min便達(dá)到600℃以上，而電池包內(nèi)的溫度可以達(dá)到1000℃以上，越靠近電池包熱失控單體的車身部位溫度越高。

3）電動汽車的電池包熱失控后，煙氣會通過底板處的空隙向乘員艙內(nèi)部蔓延，一旦封堵被燒破，車內(nèi)CO等有毒氣體的濃度在短時間內(nèi)便達(dá)到致命濃度。

4）動力鋰離子電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的整車燒損痕跡呈現(xiàn)兩頭重、中間輕的燒損特點(diǎn)，這與車輛的電池包布置位置和火焰蔓延途徑有關(guān)。電池包的燒損程度根據(jù)電池包殼體的變形、變色程度和缺失程度來判斷，電池模組和單體的形狀變化呈現(xiàn)向早期故障模組或單體擠壓變形的痕跡。

5）電動汽車后臺數(shù)據(jù)中的某些關(guān)鍵信息會在熱失控及火災(zāi)前后發(fā)生變化，通過事故案例可以發(fā)現(xiàn)，動力鋰離子電池?zé)崾Э厍皢误w電壓會有不同程度的下降，失控單體附近的測溫點(diǎn)溫度會在失控后一段時間內(nèi)有明顯上升，而其他監(jiān)控信息如絕緣電阻數(shù)值、電壓差等數(shù)值均會根據(jù)故障情況呈現(xiàn)出突變和下降特點(diǎn)。

在今后的整車燃燒實(shí)驗(yàn)中需進(jìn)一步監(jiān)測起火前后車輛的荷電狀態(tài)、單體電壓、電流、電池包內(nèi)溫度、絕緣電阻等參數(shù)變化，進(jìn)一步總結(jié)變化規(guī)律，用于輔助判斷起火點(diǎn)和起火原因。（來源：電動學(xué)堂）