李東風(fēng)

（安徽芯核防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司 安徽省合肥市 230088）

為了響應(yīng)支撐國家“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的達(dá)成，新能源動(dòng)力鋰電池?zé)o疑迎來了重要的發(fā)展機(jī)遇。但是近些年，隨著動(dòng)力鋰電池的使用量的劇增，其安全性問題越來越凸顯，鋰電池火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)，引起了社會(huì)各界的關(guān)注。

針對(duì)新能源電動(dòng)汽車可能出現(xiàn)的動(dòng)力鋰鋰電池火災(zāi)，2015年8月1日，交通運(yùn)輸部實(shí)施行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T888-2014《公共汽車類型劃分及等級(jí)評(píng)定》第1號(hào)修改單7.2.18條：“純電動(dòng)公共汽車及混合動(dòng)力公共汽車應(yīng)裝配有動(dòng)力鋰電池箱專用自動(dòng)滅火裝置”。2016年11月15日，工信部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步做好新能源汽車推廣應(yīng)用安全監(jiān)管工作的通知》，強(qiáng)調(diào)：“自2017年1月1日起，電動(dòng)客車安全國家標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)前，所有新生產(chǎn)的新能源客車暫按《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》的要求執(zhí)行”。交通部GB7258《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》最新修訂稿規(guī)定：“車長大于等于6米的純電動(dòng)客車、插電式混合動(dòng)力客車，應(yīng)能監(jiān)測(cè)動(dòng)力鋰電池工作狀態(tài)并在發(fā)現(xiàn)異常情形時(shí)報(bào)警，且報(bào)警后5分鐘內(nèi)鋰電池箱外部不能起火爆炸”。交通部 JT/T 325-2018《營運(yùn)客車類型劃分及等級(jí)評(píng)定》8.1.28規(guī)定：純電動(dòng)客車和混合動(dòng)力客車動(dòng)力鋰電池箱內(nèi)應(yīng)配備具有報(bào)警功能的自動(dòng)滅火裝置。公安部消防產(chǎn)品合格評(píng)定中心 CCCF/XFJJ-01《電動(dòng)客車動(dòng)力鋰離子鋰電池箱火災(zāi)防控裝置通用技術(shù)要求》7.2.1.1規(guī)定：火災(zāi)防控裝置應(yīng)具備探測(cè)一氧化碳?xì)怏w濃度，鋰電池或鋰電池組表面溫度的功能，同時(shí)也可具備探測(cè)其他危險(xiǎn)源的功能。

針對(duì)國家有關(guān)部委提出的一系列安全要求，國內(nèi)外多家新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)、科研院所、研發(fā)單位開展了大量關(guān)于動(dòng)力鋰電池、關(guān)鍵電路老化等方面的火災(zāi)監(jiān)測(cè)與滅火方案、裝置的研究和制造，并正式投入商用，在很大程度上提升了新能源汽車的安全性。但總體來說內(nèi)容比較籠統(tǒng)，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)單位對(duì)鋰電池燃燒的演化規(guī)律、控火手段的研究工作還有待深入，有的研究領(lǐng)域還缺少理論支撐。如果能夠采用最新的監(jiān)測(cè)手段、全方位監(jiān)測(cè)鋰電池的生命健康狀態(tài)，對(duì)可能發(fā)生的火災(zāi)提前預(yù)警，防患于未“燃”，徹底消除消費(fèi)者的安全疑慮，必將能夠大力推進(jìn)新能源汽車的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。

唯有“安全”才是新能源動(dòng)力鋰電池順利推廣并普及的“通行證”已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，因此，本文將著重就新能源客車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)防控裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火災(zāi)防控系統(tǒng)應(yīng)采用多傳感器復(fù)合探測(cè)與火災(zāi)控制于一體的潔凈氣體消防系統(tǒng)，內(nèi)外雙布設(shè)的設(shè)計(jì)方案。艙內(nèi)統(tǒng)一按照空間體積布設(shè)通用火災(zāi)防控設(shè)備，針對(duì)易著火部位或者易發(fā)生火災(zāi)電器件重點(diǎn)布設(shè)一對(duì)一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)火災(zāi)抑制，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)高效處置?；馂?zāi)防控系統(tǒng)由火災(zāi)控制系統(tǒng)、火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)處置系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1：新能源客車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)防控裝置系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.1 探測(cè)器設(shè)計(jì)

火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)采用雙啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以火災(zāi)探測(cè)器為主，感溫機(jī)械啟動(dòng)組件為輔，正常情況下探測(cè)器達(dá)到報(bào)警級(jí)別通過手動(dòng)或自動(dòng)方式啟動(dòng)滅火器，如果工況惡劣、系統(tǒng)供電全部失效條件下感溫機(jī)械組件也能感知火災(zāi)，從而自動(dòng)觸發(fā)火災(zāi)抑制裝置?；馂?zāi)探測(cè)器與上述溫度、煙霧、特征氣體等多個(gè)參數(shù)分析，通過多傳感器融合算法發(fā)出分級(jí)預(yù)警信號(hào)。

1.1.1 動(dòng)力鋰鋰電池火災(zāi)成因

研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力鋰鋰電池發(fā)生火災(zāi)的原因主要有以下幾條：

（1）鋰電池單元充放電不平衡：充放電時(shí)可能導(dǎo)致劣化較快的單元過充或過放，從而在鋰電池單元內(nèi)部產(chǎn)生氣體，引發(fā)鋰電池單元鼓包甚至破裂，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生火災(zāi)。

（2）短路發(fā)熱：充電時(shí)鋰離子沉積在負(fù)極表面形成枝晶，刺穿隔膜；裝配過程中出現(xiàn)的集流體毛刺、隔膜皺褶及不良裝配；鋰電池的正負(fù)極耳接觸都會(huì)造成鋰電池短路。

（3）熱沖擊：較高的溫度導(dǎo)致鋰電池負(fù)極表面SEI膜發(fā)生分解，高度嵌鋰的負(fù)極材料與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，如果散熱速率過慢可能會(huì)導(dǎo)致隔膜融化，引發(fā)正極材料參與反應(yīng)，產(chǎn)生爆炸。

（4）鋰電池被貫穿：如果因事故有根足夠長的鐵釘把鋰電池的正負(fù)極連到一起，鋰電池會(huì)因短路而大功率放電，帶來溫度急劇上升，逸出可燃性氣體進(jìn)而起火、爆炸。

（5）高速碰撞：導(dǎo)致電解液泄漏，逸散出可燃性氣體，起火爆炸。

1.1.2 傳感器選型

傳感器選型主要從“煙、氣、溫”三個(gè)維度進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

（1）煙霧傳感器。

煙霧探測(cè)采用芯片級(jí)光電傳感器，有兩個(gè)LED（藍(lán)色和紅外）、一個(gè)光電二極管，以及直接集成到單個(gè)單元中的模擬前端。采用波長不同的二極管有不同的折射角，因此測(cè)量值更可靠，能夠區(qū)分不同大小的顆粒，有助于減少蒸汽和灰塵引起的誤報(bào)，解決了煙霧傳感器所存在的干擾弊端。

（2）氣體傳感器。

探測(cè)器選擇CO和VOC作為特征氣體檢測(cè)，后期根據(jù)試驗(yàn)可調(diào)整檢測(cè)特征氣體類型。

（3）溫度傳感器。

具有2個(gè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)主溫度傳感器診斷，發(fā)現(xiàn)故障自動(dòng)切換備用溫度傳感器。

1.1.3 多傳感器融合算法

探測(cè)器采用復(fù)合型、多參數(shù)復(fù)合判斷，根據(jù)上述環(huán)境火災(zāi)特性初步按照溫度、CO、燃燒特征氣體、煙霧四種傳感器組合方式，后期根據(jù)試驗(yàn)可再添加紅外/紫外等傳感器，煙霧傳感器采用紅光藍(lán)光雙波段檢測(cè)，能通過區(qū)分顆粒物半徑判斷干擾物，最終傳感器的組合方案能夠有效報(bào)警且能夠排除水汽和粉塵的干擾。

對(duì)鋰電池箱等進(jìn)行多參數(shù)采集，采用基于模糊算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，重點(diǎn)研究能夠?qū)崿F(xiàn)安全預(yù)警和有效滅火控制的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1.4 探測(cè)器集成設(shè)計(jì)

探測(cè)器支持DC9～36V寬電壓電源輸入，通過電源模塊將輸入電壓轉(zhuǎn)化為一氧化碳?xì)怏w傳感器、VOC氣體傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、主控芯片、通訊電路所需的5V和3.3V直流電壓。CO傳感器、VOC傳感器和溫度傳感器（熱敏電阻）通過模擬信號(hào)處理電路接到主控芯片ADC模塊，用A/D采樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；光電煙霧傳感器通過IIC與主控芯片通信，實(shí)現(xiàn)雙光煙霧探測(cè)；通訊電路采用隔離CAN設(shè)計(jì)，設(shè)置波特率250kbps，與滅火控制器進(jìn)行通訊；預(yù)留線性熱探測(cè)器接口，可外接線性熱探測(cè)器；通過滅火觸發(fā)電路輸出脈沖電流觸發(fā)滅火器。檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2：探測(cè)器原理框圖

探測(cè)器模塊上電后初始化定時(shí)器，設(shè)定一氧化碳?xì)怏w傳感器、采樣時(shí)序，按時(shí)序輸出加熱脈沖和檢測(cè)脈沖，通過A/D采樣讀取輸出；VOC傳感器則采用恒定加熱方式一直加熱，按照定時(shí)器周期讀取A/D采樣結(jié)果；溫度傳感器無需加熱，只需讀取采樣值再進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)即可；按照IIC通訊協(xié)議，按照時(shí)序讀寫煙霧傳感器，同時(shí)按固定時(shí)間間隔讀取煙霧傳感器的采集值。綜合分析一氧化碳濃度、VOC濃度、煙霧濃度結(jié)合溫度上升趨勢(shì)，判斷是否有火災(zāi)，通過通訊接口發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。判定發(fā)生火災(zāi)或收到滅火控制器的信號(hào)，輸出滅火觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)滅火器。探測(cè)器軟件流程如圖3所示。

圖3：探測(cè)器軟件流程圖

1.2 控火裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 滅火劑選型

目前市面上主流滅火劑主要有二氧化碳、細(xì)水霧、氣溶膠、全氟己酮等，每類滅火器有各自特點(diǎn)，主要有缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1：主流滅火劑對(duì)比

考慮車載環(huán)境使用要求，滅火劑需要清潔環(huán)保，不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生傷害，誤啟動(dòng)也不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成損害。因此，選擇全氟己酮作為電池箱滅火劑。全氟己酮有非常優(yōu)越的阻斷熱輻射傳遞的效能，能有效的阻斷強(qiáng)烈的熱輻射；同時(shí)大量的霧狀滅火劑會(huì)沖擊到燃燒表面，從而使燃燒物的帶侵濕，阻止火勢(shì)進(jìn)一步蔓延；高壓霧狀滅火劑還具有洗滌煙霧、廢氣的作用，對(duì)液體的乳化和稀釋作用?？蓪?duì)鋰電池的火災(zāi)進(jìn)行有效抑制，同時(shí)給人員有效的逃生時(shí)間（≥15min）；在此期間霧化的全氟己酮完全淹沒在著火點(diǎn)表面，防止出現(xiàn)復(fù)燃情況發(fā)生。

1.2.2 滅火劑釋放裝置

根據(jù)國內(nèi)主流的滅火方式，火災(zāi)抑制裝置主要可分為儲(chǔ)壓式、非儲(chǔ)壓兩種種形式。上述滅火裝置驅(qū)動(dòng)形式可根據(jù)自身特性針對(duì)不同使用環(huán)境、不同種類火災(zāi)，實(shí)現(xiàn)有效滅火。

（1）儲(chǔ)壓式滅火裝置。

儲(chǔ)壓式滅火設(shè)備采用氮?dú)怛?qū)動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)利用氣瓶中儲(chǔ)存的氣體提供壓力，在壓力作用下滅火介質(zhì)經(jīng)虹吸管進(jìn)入管路，通過選擇閥后經(jīng)低壓霧化實(shí)進(jìn)入電池箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)滅火。

儲(chǔ)壓式滅火裝置優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)原理簡單，應(yīng)用廣泛。

不過儲(chǔ)壓式滅火裝置體積大，質(zhì)量重，不利于狹小空間內(nèi)擺放安裝，在現(xiàn)有的空間中首先要考慮小型化、便于安裝的方式。同時(shí)工作原理是采用虹吸管吸入的方式，當(dāng)車輛動(dòng)車事故傾倒時(shí)，由于滅火劑罐中的管路暴露在滅火劑液面外，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)無法吸入滅火劑，導(dǎo)致滅火失效。采用儲(chǔ)氣瓶的管路連接方式，在靜態(tài)環(huán)境下需要定期檢查維護(hù)防止泄露情況發(fā)生，在長期車輛運(yùn)行振動(dòng)環(huán)境中，壓力氣瓶泄露的可能性更高，可靠性差。

（2）非儲(chǔ)壓氣體發(fā)生器式滅火裝置。

火災(zāi)抑制裝置氣體發(fā)生器啟動(dòng)，可產(chǎn)生大量氣體。同時(shí)在氣體發(fā)生器所在腔體內(nèi)壓力急速上升，當(dāng)壓力大于設(shè)定閾值時(shí)，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，使滅火劑存儲(chǔ)空間內(nèi)的壓力上升，將滅火劑通過耐壓軟管輸送到噴淋管，噴淋管在壓力作用下將滅火劑霧化，作用在火源表面，起到抑制火勢(shì)的功能。

結(jié)合新能源客車動(dòng)力鋰電池箱及電池艙內(nèi)部空間有限、車載運(yùn)輸震動(dòng)、維護(hù)難度較大等復(fù)雜環(huán)境，本文滅火劑釋放裝置選擇非儲(chǔ)壓氣體發(fā)生器方式。

1.2.3 管路及噴頭布設(shè)

火災(zāi)抑制裝置安裝在車輛設(shè)備艙，噴淋組件安裝在鋰電池箱內(nèi)部，中間通過管路連接。通過火災(zāi)探測(cè)裝置探測(cè)到火情后，啟動(dòng)火災(zāi)抑制裝置，沖破密封膜片，全氟己酮從噴口噴出。噴淋組件采用液體分散技術(shù)，一端與氣體發(fā)生器密封連接，用于將腔體內(nèi)介質(zhì)霧化噴出。在一定壓力作用下，滅火劑通過產(chǎn)生水霧的噴管，噴出霧狀滅火劑，可將火滅掉的同時(shí)，隔氧、降溫、吸熱快速滅火的作用。

1.2.4 控制器設(shè)計(jì)

為避免與車上現(xiàn)有火災(zāi)控制系統(tǒng)交叉，鋰電池火災(zāi)控制系統(tǒng)設(shè)定獨(dú)立控制器，鋰電池箱內(nèi)火災(zāi)探測(cè)數(shù)據(jù)分析、火災(zāi)等級(jí)判定以及是否啟動(dòng)火災(zāi)抑制裝置，均可由獨(dú)立控制器實(shí)現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)經(jīng)控制器處理后由控制器上傳至整車控制系統(tǒng)，控制器還可接受整車消防控制系統(tǒng)指令執(zhí)行數(shù)據(jù)反饋和啟動(dòng)火災(zāi)抑制裝置等動(dòng)作。

1.2.5 控火裝置集成設(shè)計(jì)

獨(dú)立式火災(zāi)控火裝置包含火災(zāi)抑制裝置、分控排閥、管路、噴頭，控火裝置組成框圖如圖4。

圖4：控火裝置組成框圖

分控排閥可根據(jù)鋰電池箱的實(shí)際數(shù)量，來選擇通道數(shù)。抑制裝置與分控排閥由主管路連接，分控排閥的各通道與蓄電池箱由支管路連接，主管路與各支管路間以及各支管路間都互不相通。當(dāng)分控排閥接收發(fā)生火情的電池箱內(nèi)探測(cè)器給予點(diǎn)火信號(hào)后，導(dǎo)通抑制裝置的主管路與發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情的蓄電池箱的支管路，從而形成通路，將滅火劑釋放至鋰電池箱。

2 試驗(yàn)及驗(yàn)證

本論文研究形成的樣機(jī)在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于多傳感器復(fù)合的火災(zāi)探測(cè)器可在電池?zé)崾Э爻跗诎l(fā)出報(bào)警信號(hào)，基于固態(tài)氣體發(fā)生器的火災(zāi)抑制裝置對(duì)電氣火、電池火災(zāi)具有良好的抑制能力，釋放10s內(nèi)就能撲滅明火，30min內(nèi)溫度下降至90℃以下且未發(fā)生復(fù)燃和熱失控現(xiàn)象。如圖5所示。

圖5：火災(zāi)探測(cè)和抑制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的新能源客車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)防控裝置對(duì)客車動(dòng)力電池箱、電池艙及儲(chǔ)能柜等狹小密閉空間，就能實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)探測(cè)及抑制，并支持通過通訊總線與其他控制系統(tǒng)或平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，提高聯(lián)動(dòng)應(yīng)急處置能力，有力保障了新能源客車動(dòng)力電池的安全應(yīng)用。該裝置已經(jīng)開展實(shí)際運(yùn)行，運(yùn)行期間穩(wěn)定可靠，具有一定實(shí)用價(jià)值。