电动汽车锂离子电池系统热失控气体毒害及爆炸特性研究_陈钦佩.pdf
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1、第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology电动汽车锂离子电池系统热失控气体毒害及爆炸特性研究陈钦佩1,2,王学辉3,米文忠4(1应急管理部天津消防研究所,天津 300381;2工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室,天津 300381;3中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽 合肥 230026;4清华大学合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601)摘要:本工作开展了全尺寸电动汽车锂离子电池系统热失控火灾气体成分及燃爆特性研究,搭建了全尺寸电动汽车火灾
2、试验平台,设计了一种气体采集装置,利用红外傅里叶光谱分析仪、爆炸极限测试仪对毒害气体成分特征、燃爆特性进行了测量,分析了电动汽车火灾的气体释放过程,根据热失控特征将电池舱内气体释放分为四个阶段,分析了四个阶段的气体成分特征。第一阶段释放的主要为电解液蒸气;第二阶段主要为氢气;第三阶段出现了大量的二氧化硫气体,浓度达到10906.4 ppm(1 ppm=0.0001%),并分析了二氧化硫的产生机理;第四阶段驾驶舱内燃烧初期会产生氰化氢气体,最高浓度为120.4 ppm,分析驾驶舱内各种毒害气体的主要来源。测量了不同阶段电池舱内气体的爆炸极限,电池舱释放气体的爆炸极限在4.83%73.77%。计算
3、了各阶段的爆炸危险性,表明电池舱热失控的第二阶段爆炸危险性最大。分析了电池舱释放的混合气体爆炸特征变化规律,发现惰性气体含量主要影响混合物的爆炸下限,氢气主要影响混合物的爆炸上限。关键词:电动汽车;锂离子电池;气体成分;气体爆炸危险性doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0294 中图分类号:TM 911.3 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)07-2256-07Experiential study on the toxic and explosive characteristics of thermal runaway gas generated
4、 in electric-vehicle lithium-ion battery systemsCHEN Qinpei1,2,WANG Xuehui3,MI Wenzhong4(1Tianjin Fire Research Institute of MEM,Tianjin 300381,China;2Key Laboratory of Fire Protection Technology for Industry and Public Building,Ministry of Emergency Management of China,Tianjin 300381,China;3State K
5、ey Laboratory of Fire Science,University of Science of Technology of China,Hefei 230026,Anhui,China;4Hefei Institute for Public Safety Research,Tsinghua University,Hefei 230601,Anhui,China)Abstract:In this study,the gas-composition and ignition characteristics of thermal runaway fires in full-sized
6、electric-vehicle lithium-ion battery systems are investigated.A full-sized electric-vehicle fire-test platform is built,and a gas collection device is designed.The toxic gas composition and ignition characteristics are measured using Fourier transform infrared spectroscopy and an explosion-limit tes
7、t instrument.The gas release process during an electric vehicle fire 储能锂离子电池系统关键技术专刊收稿日期:2023-04-28;修改稿日期:2023-05-12。基金项目:“十四五”国家重点研发计划项目课题“锂离子电池储能系统清洁高效经济灭火及分级应急处置技术”(2021YFB2402003),天津市自然科学基金面上项目“锂离子动力电池火灾危险性及关键防控技术研究”(22JCYBJC01690)。第一作者:陈钦佩(1989),男,工学博士,助理研究员,从事储能消防,E-mail:;通讯作者:王学辉,特任副研究员,从事储能消
8、防,E-mail:。引用本文:陈钦佩,王学辉,米文忠.电动汽车锂离子电池系统热失控气体毒害及爆炸特性研究J.储能科学与技术,2023,12(7):2256-2262.Citation:CHEN Qinpei,WANG Xuehui,MI Wenzhong.Experiential study on the toxic and explosive characteristics of thermal runaway gas generated in electric-vehicle lithium-ion battery systemsJ.Energy Storage Science and T
9、echnology,2023,12(7):2256-2262.第 7 期陈钦佩等:电动汽车锂离子电池系统热失控气体毒害及爆炸特性研究is analyzed,and the gas release in the battery compartment is divided into four stages according to the thermal runaway characteristics.The gas-composition characteristics in these four stages are analyzed.In the first stage,electroly
10、te vapor is primarily released,whereas in the second stage,hydrogen is mainly released.A large amount of sulfur dioxide gas is released in the third stage,with the concentration reaching 10906.4 ppm,and the mechanism of sulfur dioxide generation is analyzed.Hydrogen cyanide gas is produced in the ea
11、rly stages of combustion in a cockpit,with a maximum concentration of 120.4 ppm.The main sources of various toxic gases in the cockpit are analyzed.The explosion limits of the gases in the battery compartment in different stages are measured.The explosion limits of the gases released from the batter
12、y compartment range from 4.83%to 73.77%.The explosion hazards calculated for each stage indicate that the second stage of thermal runaway in the battery compartment has the highest explosion hazard.The analysis of variations in explosion characteristics of the gas mixture released from the battery c
13、ompartment suggests that the inert gas content mainly affects the lower explosion limit of the mixtures,whereas hydrogen content mainly affects the upper explosion limit of the mixture.Keywords:electric vehicle;lithium-ion battery;gas composition;gas explosion risk随着“碳达峰”“碳中和”战略目标的提出,我国电动汽车产业迅猛发展,截至
14、2022年底,全国新能源汽车保有量达1310万辆,占汽车总量的4.10%,其中纯电动汽车保有量1045万辆,占新能源汽车总量的79.78%1。同时,电动汽车安全问题也逐渐显现出来。根据应急管理部发布的数据显示,2022年第一季度电动汽车共发生火灾事故640起,比去年同期增加32%,高于交通工具火灾事故的平均增幅8.8%。电动汽车火灾事故主要是由锂离子电池热失控引发的,且锂电池的燃烧对汽车火灾燃烧进程具有显著的影响,使得新能源汽车火灾呈现出与传统燃油汽车火灾明显不同的特性2。新能源汽车在燃烧过程中会释放出大量的气体,包括锂电池产生的气体以及车身内饰等产生的气体等,具有一定的燃爆、毒害性,会对汽车
15、火灾蔓延、探测报警、消防救援等产生重要影响。虽然目前国内外学者针对电池的燃烧特性做了大量的研究,但是目前对于电动汽车全尺寸热失控火灾试验的研究还较少,且主要局限于温度场和救援战术的研究3,对于全尺寸火灾的产气特性研究甚少4。本工作开展了全尺寸电动汽车火灾试验,利用气体采集系统进行了火灾过程中气体采样,结合傅里叶红外光谱分析仪和5L球形爆炸极限测定仪,研究了整车火灾过程中的毒害气体特性和气体爆炸特性,以期能够为消防救援人员在扑救电动汽车火灾中的战术运用和作战安全方面提供基础数据和科学指导。1 实验设计1.1新能源汽车及车体材料介绍本试验对象为一款4门5座3厢某品牌电动汽车,电动汽车长宽高为4.7
16、 m1.8 m1.5 m,其电池包采用的是三元锂离子电池,单体电量为50 Ah,电池包额定电压为350 V,额定输出电流为102 A,试验前已对电池进行满电处理。车体的可燃材料及主要分布如表1所示。1.2气体采样与分析整车燃烧实验中,采用电热板加热电池包内单体电池触发热失控的方式点火,图1为本实验系统原理图。本工作自主设计了一套气体采集设备,使用真空泵、采集管路与储气囊,采集了汽车电池舱、驾驶舱气体。由于采用离线采样分析,需要进行分段抽样储存,抽样根据现场观察到的燃烧进程特征来进行,具体分析见2.1节,每个阶段均采用表1汽车可燃材料及分布Table 1Automotive combustibl
17、e materials and distribution位置电池舱驾驶舱材料种类三元锂电池木材、聚氨酯、聚氯乙烯等22572023 年第 12 卷储能科学与技术不同的储气囊进行采集储存,以确保各阶段气体相互不受影响。抽样后利用储气囊密封保存气体,利用AtmosFIR傅里叶红外气体分析仪定性定量分析不同位置、不同时间的气体成分,并采用5 L球形爆炸极限测定仪测定了气体的爆炸极限。2 结果与讨论2.1汽车火灾气体释放过程电动汽车火灾燃烧过程如图2所示。按照有毒有害气体的主要释放部位,主要分为电池舱与驾驶舱两部分。对于电池舱,按照燃烧发展进程可以将气体释放过程分为电池热失控初期、电池舱射流火出现、电
18、池舱稳定燃烧、火灾扩大蔓延发生四个阶段,四个阶段出现的时间分别为6 min、11 min、14 min、26 min,本工作收集了四个阶段的电池舱的气体进行成分分析。对于驾驶舱,初期并未发生燃烧,在电池舱火灾扩大蔓延后,第37 min出现了驾驶舱内的燃烧,实验过程中呈现稳定的燃烧状态,在后期出现了燃烧的衰减。抽样选取了37 min、60 min、74 min、79 min四个时期的采样数据进行分析。综上,电动汽车火灾燃烧过程、有毒气体释放过程以及选取的气体采样时间如表 2所示。2.2电池舱气体特征分析前人的研究表明5,锂电池电池热失控会产生如甲烷、氢气等可燃气体,而对毒害气体的关注较少。为保证
19、毒害气体的测量精度,本工作所使用的图1气体采集与分析系统原理图Fig.1Schematic diagram of gas acquisition and analysis system图2电动汽车火灾发展过程及气体采样时间序列Fig.2Electric vehicle fire development process and gas sampling time series2258第 7 期陈钦佩等:电动汽车锂离子电池系统热失控气体毒害及爆炸特性研究傅里叶红外光谱分析仪仅对常见的毒害气体进行了测定。对电池舱内不同燃烧阶段的燃烧气体进行成分分析,四个阶段的毒害气体成分及浓度值如图3所示。电池舱内
20、的气体成分主要包括氟化氢、氯化氢、二氧化硫、一氧化氮、一氧化二氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等。一氧化碳与二氧化碳浓度相对其他气体含量较高,随着燃烧的进行,电池舱内的一氧化碳浓度持续升高,二氧化碳浓度在整车火灾发生阶段出现了峰值,达到了20.4%(图4)。氟化氢的最高含量出现在第三阶段,为 137.9 ppm,氯化氢的最高含量出现在第三阶段,为2610 ppm。电池热失控初期的毒害气体浓度较少,锂电池热失控初期主要释放的气体为高温蒸发喷射出的电解液,从燃烧现象上表现为释放出大量的白烟,白烟主要是高沸点的锂电池电解液蒸发后液化形成的小液滴,此时电池包温度较低,未开始发生剧烈的燃烧反应与电
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