文章來源：中鐵第四勘察設計院集團有限公司
引言
在國家相關政策的大力扶持下，新能源汽車在過去數十年間得到了快速發展，成為未來汽車的主要發展方向。如圖1所示，近5年，國內新能源汽車保有量年均增加60萬輛以上，截至2019年底，全國汽車保有量達2.6億輛，新能源汽車保有量達381萬輛，佔汽車總量的1.46%。
按動力型別的不同，新能源汽車可以分為插電混合動力汽車(PHEV)、純電動汽車(BEV)、燃料電池汽車(FCEV)、氫發動機汽車(HICEV)等幾個類別。其中，純電動汽車(BEV)在使用過程中能夠真正實現零排放，是新能源汽車的主流車型。
截至2019年底，新能源汽車保有量達381萬輛，其中純電動汽車保有量310萬輛，佔新能源汽車保有量的大多數。
因此，純電動汽車的火災安全問題需要得到足夠的重視。在電動汽車火災中，由於動力電池的熱失控傾向，電動汽車火災行為非常特殊。純電動汽車在火災機理、火災規模、煙氣特性等方面與傳統燃油汽車顯著不同。國內外研究中對純電動汽車火災的認識尚不充分，可供參考的試驗資料較少，相關的研究亟待完善。
2012年，司戈等首次對國內外鋰電池安全研究的進展情況進行了介紹，對國內外發生的鋰離子電池火災進行了分析，指出鋰離子電池火災特性亟待研究。2014年，汪書蘋等利用火災動力學軟體FDS建立了電動汽車充換電站火災數值模擬模型，研究了電動汽車充換電站的火災危險性，結果表明充換電站內火勢發展迅速，為電動車火災數值模擬研究奠定了基礎。同樣在2014年，張得勝等總結了電動汽車的火災原因，並首次提出了電動汽車火災調查與傳統燃油汽車火災調查存在許多不同的思路。吳忠華等闡述了各種型別電動汽車的內部構造，說明了動力電池的燃燒爆炸機理、誘因及火災特點。曹麗英等透過電池燃燒試驗研究了電動汽車火災的特點，並針對國內外電動汽車火災案例介紹了電動汽車滅火和應急救援技術的現狀，提出了我國滅火和應急救援工作的建議。2016年，陳文豐首次對極端工作環境下的鋰電池展開了試驗，分析了電池的火災隱患，並針對最危險的因素對電動汽車火災防治進行了研究，提出了改進方法和建議。
針對電動汽車火災滅火問題，有部分學者開展了初期的研究。張磊等總結了國內外鋰電池火災滅火劑技術。邵嘯峰提出了電動汽車火災時滅火劑的選擇及消防人員在電動汽車火災撲救時的戰術戰法。部分學者還開展了電動汽車火災燃燒試驗。2019年，張良等首次搭建電動汽車整車燃燒試驗平臺並完成了幾種車型的燃燒試驗，透過試驗發現電動汽車火災與傳統燃油汽車火災初期燃燒過程相似，但電池熱失控後會出現噴火現象。石淼巖等構建了鋰離子電池電熱聯合模擬平臺，為電動汽車的鋰離子電池進行電熱耦合特性理論分析提供了依據。
火災規模是衡量火災危險性的一個重要引數。如在隧道通風排煙系統設計中，火災規模是計算排煙量或臨界風速的重要輸入引數。
從國內外文獻調研中不難看出，如今針對純電動汽車火災機理等的研究均處於探索階段，相關規範、設計細則等條文對火災規模的規定幾乎為空白，相關設計面臨著無標準可參考的問題。本文透過資料調研結合理論分析的方法，對純電動汽車的火災特性及火災規模展開初步探討，以期為純電動汽車火災規模的選取提供參考。
1純電動汽車火災原因與火災特性
1.1純電動汽車火災中的可燃物
與傳統汽車相比，純電動汽車取消了發動機，傳動機構發生了改變，根據驅動方式不同，部分部件已經簡化或取消。但增加了電源系統和驅動電機等新機構。與傳統內燃機汽車相比，純電動汽車由新的四大部分組成:動力電池、電力驅動控制系統、底盤、車身。可見，動力電池和電力驅動控制系統(驅動電機等)等新機構是純電動汽車與傳統內燃機汽車的主要區別。
動力電池是純電動汽車的主要部件，其為電動汽車提供驅動動力。而在火災發生時，動力電池也是火源的主要可燃物之一。研究表明，電動汽車火災規模與電池和電池組的大小和容量有關。通常，電池數量越多，所容納的能量越多，電動汽車著火時的火災規模就越大。
1.2純電動汽車火災的原因
透過文獻及其他資料對電動汽車火災事故進行分析，可總結出純電動汽車火災的主要原因。
1)熱濫用起火:熱濫用主要指的是在純電動汽車動力電池中出現了局部過熱的情況。熱濫用的出現可能與極端天氣條件有關，也有可能與電池內部故障有關。
2)電濫用起火:電濫用起火主要指的是由於對電池電器部分的不當使用(如短路等)造成的起火，如動力電池被短路引發電濫用起火。
3)機械濫用起火:機械濫用起火指的是外力作用使電池組發生變形並引起火災。
4)外部原因:電動汽車火災由外部因素引發，這些外部因素可能包括縱火，或由附近燃燒車輛引燃。
1.3純電動汽車火災特性
純電動車火災特性包括:火災不易探測、火災復燃風險高，以及火災有毒煙氣產量大、毒性高。
1)純電動汽車火災不易探測。
純電動車的電池一般位於車體內部，當火災探測器能夠探測到純電動車的火災時，火災很有可能已發展到較為猛烈的階段。
2)純電動汽車火災復燃風險高。
相比於傳統燃油汽車，電動汽車發生火災後的復燃機率較大，且復燃次數也較多。與普通可燃物不同，動力電池火災中，火源來自其內部發生的化學反應，即使汽車外部火災得到抑制，但內部電池在氧含量較低甚至無氧的環境中仍能夠發生火災。
3)純電動汽車火災有毒煙氣產量大、毒性高。純電動汽車火災中，動力電池一旦發生熱失控，
電池或其安全閥將破裂並釋放有毒物質。隨著熱失控的逐漸發展，電池將產生更多的煙霧和有毒氣體。一些鋰電池內部的氟也可能形成氟氧化磷(POF3)。這些有毒氣體包括氟化氫(HF)、氰化氫(HCN)和一氧化碳(CO)等。吸入一氧化碳會使人體出現頭暈、心悸、全身乏力等症狀，重度中毒會使人體痙攣、昏迷甚至死亡。
2012年．Ｒibière等首次對鋰電池燃燒中釋放的有毒氣體進行了分析，為後續研究奠定了基礎。Lecocq、Voigt等透過全尺寸試驗獲得了電動汽車火災的有毒氣體釋放量，見表1。
2純電動汽車火災規模計算公式
火災的熱釋放速率(HeatＲeleaseＲate，HＲＲ)是描述火災規模的重要引數之一。熱釋放速率是指在規定的試驗條件下，單位時間內可燃物燃燒所釋放的熱量，常用單位為MW。熱釋放速率與材料的質量燃燒速率和材料的燃燒熱有關，火災的熱釋放速率對火災及產煙量有很大影響。因此，熱釋放速率在防排煙系統及結構抗火等方面的工程設計上是一個關鍵引數。熱釋放速率(QHＲＲ，MW)可以表示為
式中m為燃燒速率，可以透過試驗過程中的質量損失率來衡量，kg/s;ΔHe為有效燃燒熱，MJ/kg;Af為燃料或火的地板/表面積，m2;m″為單位面積的燃料燃燒速率，kg/(m2·s);η取決於氧氣供應的燃燒效率;ΔHc為電動汽車電池的燃燒熱，其隨鋰電池的型別和荷電狀態SOC的變化而變化。
傳統內燃機汽車和電動汽車都包含大量易燃材料，包括動力系統和易燃塑膠等內飾部件。對於內燃機汽車，汽油、柴油等燃料是動力系統主要可燃物。對於電動汽車，動力系統的主要可燃物是動力電池。傳統內燃機汽車和電動汽車的主要區別在於它們的動力系統和燃料(燃料與電池)，在內飾及其他可燃部件方面並沒有太大的區別。因此，對火災荷載的評估方法可基於電動汽車不同部分的火災荷載，將電動汽車的熱釋放速率分為動力電池與其他可燃物兩部分。考慮最不利情況，認為火災中燃燒的電動汽車發生轟燃，峰值熱釋放速率(PeakHeat
ＲeleaseＲate，PHＲＲ)為所有可燃物峰值熱釋放速率之和。
以下分別討論動力電池與其他部件的熱釋放速率。
1)動力電池的熱釋放速率。
Sun等總結了不同型別鋰電池的峰值熱釋放速率(QPHＲＲ)，如圖2所示，不同型別鋰電池的峰值熱釋放速率與其電池容量EB的0.6次方呈線形關係，其適用範圍約從10Wh到107Wh，即從單個鋰電池到大型鋰電池儲電裝置都可適用，其關係式為
透過式(2)可在純電動汽車動力電池能量容量的基礎上估算出動力電池峰值熱釋放速率。
2)其他可燃物熱釋放速率。
純電動汽車上其他常見的可燃物包括不同型別的塑膠(ABS塑膠、PVC塑膠)及皮革、無紡布等。
不同材料之間的峰值熱釋放速率差異可能較大。段嘉豪等對汽車用聚合物材料的火災燃燒特性進行了研究，不同樣品的峰值熱釋放速率隨外加熱輻射強度增大而增大。其試驗資料見表2。
在熱輻射強度為45kW/m2時，PVC革無紡氈的單位面積峰值熱釋放速率最高，可達q″=438.42kW/m2。可以利用下式估算純電動汽車火災時其他可燃物的峰值熱釋放速率。
QPHＲＲ=ηAfq″(3)
式中q″為單位面積的峰值燃燒速率，結合表2資料，考慮最不利情況q″=438.42kW/m2，近似取q″=0.5MW/m2;η為燃燒效率，此處取值為1;A為燃燒面積，m2。
結合式(2)和(3)可估算出火災時的峰值熱釋放速率(QPHＲＲ，MW)。
3不同車型熱釋放速率估算與驗證
對於傳統內燃機汽車火災來說，一輛小型客車的熱釋放速率一般為2.5～5MW，一輛中型客車的熱釋放速率一般取15～20MW。對於純電動汽車，可以由式(4)對其熱釋放速率進行估算。計算時認為燃燒面積約等於車身投影面積，取小型客車燃燒面積A=8.80m2，中型客車燃燒面積A=32.00m2。根據調研的小型客車和中型客車的電池容量，得出其峰值熱釋放速率隨電池容量的變化，見圖3。
估算的純電動小型客車峰值熱釋放速率為5.27～6.40MW，略高於傳統內燃機汽車峰值熱釋放速率。而純電動中型客車的峰值熱釋放速率為20.09～20.66MW，與使用內燃機的中型客車熱釋放速率接近。
從圖3可以看到，對於中型客車，隨電池容量增加，其峰值熱釋放速率增長不明顯。對於中型客車，動力電池燃燒對整體的熱釋放速率貢獻較小，這也解釋了純電動中型客車與內燃機中型客車熱釋放速率相近的原因。此外，本文未對大型車輛及貨車的峰值熱釋放速率進行估算。由圖3的估算結果可以推斷，對於大型車輛及貨車，動力電池對總熱釋放速率貢獻很小，其熱釋放速率與傳統內燃機機動車接近。
表3將由式(4)預測的峰值熱釋放速率與全尺寸試驗中的峰值熱釋放速率進行了對比，其資料來自文獻。由於現有文獻中對車輛引數描述並不完整，無法將文獻中的引數代入式(4)對比。可見，小型純電動汽車在全尺寸試驗中的峰值熱釋放速率為6.0～6.3MW，與式(4)的預測值5.27～6.40MW較為接近。這表明式(4)對峰值熱釋放速率的估算是合理的。
式(4)為估算純電動汽車峰值熱釋放速率提供了參考。但由於針對中大型車輛純電動汽車火災全尺寸試驗的資料較少，式(4)的適用範圍還有待進一步的驗證。
4結論
純電動車在火災機理、火災荷載、煙氣特性等方面與傳統燃油汽車有顯著差別，將對消防安全、防災救援等相關設計產生重大的影響。本文透過資料調研結合理論分析，對純電動汽車的火災特性及火災規模展開了初步探討，結論如下。
1)純電動汽車的火災原因主要有4個方面:熱濫用、電濫用、機械濫用及其他外部原因。純電動汽車火災與車輛動力電池熱失控現象緊密相關。
2)純電動汽車火災具有不易探測、易復燃等特性。純電動汽車火災中易形成氟氧化磷(POF3)、氟化氫(HF)、氰化氫(HCN)和一氧化碳(CO)等有毒氣體。
3)評估純電動汽車火災荷載時可將純電動汽車的熱釋放速率分為動力電池與其他可燃物兩部分。本文公式的預測值(5.27～6.40MW)與小型純電動汽車在全尺寸試驗中的峰值熱釋放速率(6.0～6.3MW)較為接近，公式對峰值熱釋放速率的估算是合理的。
