隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，電動(dòng)汽車 (BEV) 逐漸成為人們重要的代步工具。作為新能源汽車的主要代表，電動(dòng)汽車在減少碳排放、降低燃油使用量方面有著顯著價(jià)值。然而，電動(dòng)汽車迅猛發(fā)展的背后是需要引起人們深思的安全問(wèn)題，電動(dòng)汽車需要大量電池進(jìn)行組裝使用，因此電動(dòng)汽車在使用期間相較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車會(huì)更加危險(xiǎn)。尤其是在封閉區(qū)域，如制造工廠，地下停車場(chǎng)，隧道等。因此，對(duì)汽車進(jìn)行燃燒測(cè)試，初步獲得一系列關(guān)鍵參數(shù)，包括燃燒車輛的熱釋放速率 (HRR)，總熱釋放量 (THR), 火災(zāi)增長(zhǎng)指數(shù)，燃燒車輛附件的熱通量，車輛后期的火焰蔓延情況等。確定這些參數(shù)之后，通過(guò)理論或者數(shù)值模擬預(yù)測(cè)整個(gè)空間，承重構(gòu)件及灑水滅火系統(tǒng)的格局分布，進(jìn)一步降低危火災(zāi)的影響。

韓國(guó)學(xué)者Kang等人在 Applied Energy 上發(fā)表了一篇文章，文章中使用了大型量熱儀對(duì)整個(gè)汽車構(gòu)件進(jìn)行了燃燒測(cè)試，文章中選取了 2020 年生產(chǎn)的電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以下簡(jiǎn)單介紹該文章的研究情況。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

試樣：文章共進(jìn)行了六次測(cè)試，分別為拆解測(cè)試 (Test 1-2)，對(duì)不同電池容量的完整的BEV測(cè)試 (Test 3-4)，對(duì)不同能量來(lái)源的車進(jìn)行測(cè)試 (Test 5-6)，該選取的車輛尺寸和重量相近，且基于相同的生產(chǎn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。

具體見(jiàn)表1

表1試樣類型

設(shè)備：大型耗氧量熱儀

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

熱釋放速率與總熱釋放量

圖1展示了六次測(cè)試中通過(guò)大型耗氧量熱法在開(kāi)放空間條件下實(shí)際測(cè)量得到的整體熱釋放速率 (HRR) 和總釋熱量 (THR) 曲線。在實(shí)驗(yàn)中，汽車火災(zāi)自開(kāi)始直至完全燃盡持續(xù)至少 70 分鐘。在火災(zāi)初期 (約1-2分鐘），BEV 車身、BEV_2 和 ICEV 測(cè)試中觀察到 HRR 的快速上升，這些快速增長(zhǎng)是由點(diǎn)火工具(即丙烷燃燒器或庚烷盤(pán))的激活引起的，而非試樣本身的快速燃燒。在火災(zāi)發(fā)展階段，被點(diǎn)燃的車輛逐漸增加熱量釋放，并在約 11-17 分鐘內(nèi)達(dá)到峰值，隨后火災(zāi)進(jìn)入衰減階段，HRR 逐漸下降。在該階段，由于BEV_2 和 BEV_3 出現(xiàn)一系列熱失控事件，可觀察到 HRR 有波動(dòng)。

進(jìn)一步觀察所有試樣的HRR和THR數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 pHRR 和 THR 來(lái)說(shuō)，BEV 火災(zāi)的更大貢獻(xiàn)來(lái)自 BEV 車身而非 LIB 電池組。因此，盡管 LIB電池組發(fā)生劇烈熱失控，車艙內(nèi)的燃燒仍主導(dǎo)了 BEV 火災(zāi)的這兩個(gè)指標(biāo)。判斷原因可能是車身 (尤其是客艙) 中存在的可燃材料數(shù)量多于電池組。

對(duì)于電池能量容量不同的兩輛車， THR 值之間也存在差距。BEV火災(zāi)的THR 高于 ICEV 但低于 FCEV，這一趨勢(shì)與其重量平行。但由于燃燒通常取決于多個(gè)方面，例如點(diǎn)火點(diǎn)的位置、火焰蔓延的順序和通風(fēng)條件，因此很難找到pHRR與重量之間的相關(guān)性。

圖1. HRR 和 THR 的時(shí)間曲線

火災(zāi)增長(zhǎng)程度

圖2，圖3，圖4分別顯示了火災(zāi)蔓延情況，燃燒時(shí)溫度-時(shí)間曲線以及試樣狀態(tài)。觀察得出以下結(jié)論：

(1) 從 LIB 電池組釋放的噴射火焰導(dǎo)致 BEV 火災(zāi)快速增長(zhǎng)；

(2) 盡管源自 LIB 電池組的噴射火焰加速了其他 BEV 部件的點(diǎn)火和燃燒，但噴射火焰并不是 HRR 和 THR 的主要貢獻(xiàn)因素，相反，瞬間釋放的大部分熱量(即 pHRR)由汽車有機(jī)聚合物部件的常規(guī)燃燒產(chǎn)生的火焰控制；

(3) 源自 LIB 電池組的 BEV 火災(zāi)比源自其他地方的火災(zāi)發(fā)展更快，也比 ICEV和FCEV火災(zāi)發(fā)展更快；

(4) Frist 響應(yīng)者在接近 BEV 事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)應(yīng)更加謹(jǐn)慎，這是因?yàn)殡姵亟M外殼內(nèi)部的 LIB 損壞從車輛外部無(wú)法觀察到，并且熱失控的激活是不可預(yù)測(cè)的，此外，一旦觸發(fā)，火災(zāi)會(huì)迅速發(fā)展。

圖2. 測(cè)試3和測(cè)試4中電池和電動(dòng)汽車火災(zāi)蔓延情況量化分析

圖3. 測(cè)試3和4中純電動(dòng)汽車的溫度-時(shí)間曲線

圖4. 測(cè)試 4 中重要事件中的試樣狀態(tài)照片

LIB 電池組溫度觀察

圖5 顯示了BEV_2和BEV_3的鋰離子電池組內(nèi)部和外部的時(shí)變溫度變化，從傳熱的角度來(lái)看，源自LIB電池組下方丙烷燃燒器的外部熱量應(yīng)該分布到合金金屬外殼、內(nèi)部LIB、BEV車身框架和周圍環(huán)境。如果大量熱量消散到其他部分，則傳遞到LIB的熱能數(shù)量可能會(huì)減少。直接面對(duì)外部火焰的金屬外殼具有相對(duì)較高的熱慣性，該質(zhì)量吸收一定量的熱能以升高其溫度，從而延緩內(nèi)部 LIB 溫度的升高。在圖5(a) 中觀察到，在直接加熱條件下，位于外殼暴露底面的熱電偶的溫度迅速升高，而 LIB 模塊的溫度升高相對(duì)較慢。眾所周知，合金金屬材料由于其高導(dǎo)熱性，允許熱量快速傳遞到內(nèi)部部件。另外，還有可能這種塊狀固體通過(guò)吸收熱量，在有限時(shí)間內(nèi)部分地為內(nèi)部 LIB 提供了抵御外部加熱的熱保護(hù)。另一方面，一旦該質(zhì)量達(dá)到閾值溫度，可能很難從合金外殼散熱并阻止內(nèi)部 LIB 的溫度升高。

圖5.  LIB的時(shí)間-溫度曲線

對(duì)相鄰物體的熱危害

圖6 (a) 和 6 (b) 顯示了第四次和第五次測(cè)試中到達(dá)燃燒車輛周圍預(yù)定四個(gè)點(diǎn)的總暴露熱通量的時(shí)變變化。兩起汽車火災(zāi)在充分發(fā)展階段記錄的各點(diǎn)峰值大多在 40-60 kW/m2 范圍內(nèi)。盡管其中一個(gè)值在 BEV 前部異常達(dá)到 110 kW/m2，但需要重復(fù)更多測(cè)試來(lái)驗(yàn)證這一現(xiàn)象。在進(jìn)一步的研究中，使用熱流計(jì)在這些點(diǎn)測(cè)量的暴露熱通量，可用于通過(guò)預(yù)測(cè)汽車表面溫度來(lái)評(píng)估相鄰汽車點(diǎn)火的可能性。

圖6.  BEV_3和ICEV火災(zāi)中隨時(shí)間變化的熱通量變化

圖7(a)和7(b)顯示了從 BEV_2 和 BEV_3 產(chǎn)生的、在 2270 mm高度測(cè)量的浮力火焰羽流的時(shí)間-溫度曲線。兩起火災(zāi)導(dǎo)致峰值溫度超過(guò) 900℃，這主要包含來(lái)自汽車引擎蓋和前窗上方火焰羽流的貢獻(xiàn)。測(cè)試中HRR的峰值時(shí)刻與溫度的峰值時(shí)刻相似。圖中的黑色虛線表示基于 20 世紀(jì)早期測(cè)試的標(biāo)稱溫度-時(shí)間曲線，該曲線在建筑消防工程中應(yīng)用最廣泛。BEV 火災(zāi)可能危及汽車上方結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性至少 10 分鐘，在此期間氣體溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線的溫度。在 BEV_3 的情況下，由于其快速增長(zhǎng)和強(qiáng)烈的熱量釋放，預(yù)計(jì)其燃燒對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的危害比 BEV_2 更大。

圖7.  BEV_2和BEV_3火中火羽流的時(shí)間-溫度分布

另外，平均有效燃燒熱被用于評(píng)估當(dāng)前 BEV 火災(zāi)危害，這種方法可以為安全措施的進(jìn)一步研究。研究數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，汽車火災(zāi)中通常燃燒總重量的17.6-26%。從當(dāng)前BEV火災(zāi)中記錄到約 30 MJ/kg 的平均有效燃燒熱，大于 ICEV 和 FCEV 火災(zāi)的值，也大于 BEV 車身單獨(dú)燃燒的值。這是因?yàn)榕c消耗的質(zhì)量（28 kg）相比，LIB 電池組產(chǎn)生的總熱量（1.3 GJ）相對(duì)較大，因此 BEV 火災(zāi)中每單位質(zhì)量釋放的總熱強(qiáng)度增加。對(duì)于單獨(dú)的 LIB 電池組，估計(jì)為 45.9 MJ/kg的平均有效燃燒熱，與易燃燃料和高度可燃聚合物如正戊烷（45.69 MJ/kg）和聚丙烯（42.66 MJ/kg）相當(dāng)。此外，結(jié)果表明，平均有效燃燒熱的計(jì)算高度依賴于用于測(cè)量 HRR 的測(cè)試方法和相關(guān)測(cè)試環(huán)境，這使得概括質(zhì)量和平均有效燃燒熱之間的相關(guān)性具有挑戰(zhàn)性。

結(jié)論

研究對(duì) BEV 及其拆解后的鋰離子電池(LIB)組和車身分別開(kāi)展了一系列全尺寸火災(zāi)測(cè)試。同時(shí)，為進(jìn)行對(duì)比分析，還對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車(ICEV)和氫燃料電池電動(dòng)汽車 (FCEV) 等其他類型車輛進(jìn)行了測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)，BEV火災(zāi)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)70分鐘。其峰值熱釋放速率 (pHRR) 測(cè)量值范圍為 6.51-7.25 MW，略低于 ICEV 的 7.66 MW，但高于 FCEV 的 5.99 MW；BEV 火災(zāi)的總釋熱量(THR)測(cè)量值范圍為 8.45-9.03 GJ，同樣介于 ICEV(8.08 GJ)和 FCEV(10.82 GJ)之間。

在BEV火災(zāi)中，熱釋放速率的主要貢獻(xiàn)來(lái)自BEV車身傳統(tǒng)材料的燃燒（pHRR：7.81 MW，THR：7.53 GJ），而非LIB電池組的燃燒（pHRR：1.54 MW，THR：1.30 GJ）。然而，LIB 電池組會(huì)劇烈噴出噴射火焰，這種火焰加速了火焰向相鄰可燃部件的蔓延，進(jìn)而導(dǎo)致整車火災(zāi)快速發(fā)展。本研究所得結(jié)論主要可為BEV火災(zāi)事故的第一響應(yīng)者提供參考，其次也有助于重新審視現(xiàn)有或新建停車場(chǎng)相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于第一響應(yīng)者而言，由 LIB 電池組熱失控引發(fā)的BEV火災(zāi)比其他原因引發(fā)的火災(zāi)更具危險(xiǎn)性，這是因?yàn)槿藗儗?duì)這類火災(zāi)的火焰察覺(jué)較晚，且一旦點(diǎn)燃，火勢(shì)發(fā)展迅速。在安全性重新評(píng)估方面，可采用約 30 MJ/kg 的平均有效燃燒熱來(lái)量化BEV火災(zāi)的熱強(qiáng)度。值得注意的是，LIB電池組的平均有效燃燒熱極高（約 45.9 MJ/kg），與易燃燃料（如正戊烷，其燃燒熱為 45.69 MJ/kg）相當(dāng)。

參考文獻(xiàn)

Sungwook Kang, Minjae Kwon, Joung Yoon Choi.，F(xiàn)ull-scale fire testing of battery electric vehicles[J], Applied Energy, 2023, 332, 120497,

研究過(guò)程使用 FTT 10 MW 級(jí)耗氧量熱系統(tǒng)對(duì)汽車進(jìn)行了測(cè)試。FTT 作為阻燃設(shè)備行業(yè)的生產(chǎn)廠家，提供了可以測(cè)試熱釋放，煙氣濃度，火災(zāi)蔓延情況等諸多阻燃測(cè)試設(shè)備，以下為 FTT 的幾款中型，大型耗氧量熱儀展示，點(diǎn)擊圖片了解詳情。

10MW 大型耗氧量熱儀

SBI單體燃燒測(cè)試儀

房間墻角測(cè)試儀

EN 50399成束電纜熱釋放

UL 9540A電池測(cè)試系統(tǒng)