作者：彭磊1,2 倪照鵬3 于越4 孫福鵬4 夏修龍4 張鵬4 孫思博1

單位：1. 天津泰達消防科技有限公司 2. 天津海泰消防科技中心 3. 中國礦業(yè)大學安全工程學院 4. 青島特中和智慧科技有限公司

引用本文：彭磊, 倪照鵬, 于越, 等. 過充導致三元鋰電池電動汽車火災的試驗研究[J]. 儲能科學與技術, 2025, 14(4): 1484-1495.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0897

本文亮點：本文是國內(nèi)外首次采用過充方式導致三元鋰電池熱失控、繼而引燃整車的實體火災試驗研究，且采用量熱儀測量了整個燃燒過程的火災熱釋放速率，對整車溫度、車輛周圍的輻射熱流密度等關鍵參數(shù)進行了定量研究，全面掌握了因過充方式導致電動車火災的蔓延特點和火災發(fā)展規(guī)律。 本文對于合理確定三元鋰電池電動汽車的火災危險性、掌握三元鋰電池電動汽車的火災發(fā)展規(guī)律、合理確定電動汽車及車庫的防火技術措施，也為消防救援處理類似火災事故，提供了有益的試驗數(shù)據(jù)和技術支撐。

摘 要 三元鋰離子電池作為目前電動汽車的主要能源電池之一，在過充條件下觸發(fā)熱失控可能導致嚴重的火災事故。本工作采用過充的方式對三元鋰電池電動汽車開展實體火災試驗，測量了電池包內(nèi)部、汽車底盤、汽車表面、車廂內(nèi)部和四周的溫度及汽車周圍的輻射熱流強度等數(shù)據(jù)，并采用耗氧原理測量了試驗過程中的火災熱釋放速率。結果表明：在過充導致三元鋰電池發(fā)生熱失控后，從電池包釋放的可燃氣體迅速被引燃并形成噴射火焰，火焰噴射的水平距離約4 m，火焰迅速引燃汽車輪胎及底盤周圍的其他可燃物，火勢隨后導致車窗玻璃相繼破裂，引燃車廂內(nèi)飾及座椅，整車發(fā)生劇烈燃燒。試驗車輛著火后的火災增長速率(α=0.98 kW/s2)遠大于超快速火，火災熱釋放速率的峰值達到約8 MW。距車輛外邊緣0.5 m和1.0 m處的輻射熱流強度峰值分別達到60~80 kW/m2和30~35 kW/m2，可導致周圍停靠的車輛著火，引發(fā)火災向相鄰車輛迅速蔓延。

關鍵詞 電動汽車；三元鋰離子電池；過充；熱失控；火災蔓延；火災熱釋放速率

近年來，電動汽車因電池熱失控而引發(fā)的自燃事故時有發(fā)生。鋰離子電池作為電動汽車的核心動力部件，一旦發(fā)生熱失控極容易引發(fā)火災甚至爆炸事故。當前，電動汽車中最常見的鋰離子電池類型分別為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。與磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池的能量密度和電壓平臺更高，在續(xù)航能力方面具有明顯的優(yōu)勢。然而，三元鋰電池高溫性能較差，更容易發(fā)生熱失控，且熱失控時容易出現(xiàn)更劇烈的燃燒行為，在一定程度上影響了電動汽車的使用安全性。

鋰離子電池的熱失控觸發(fā)方式通常可分為機械濫用、熱濫用和電濫用。此前已有許多研究人員對鋰電池熱失控原因進行了試驗研究，其中內(nèi)部短路和過充電是導致鋰離子電池熱失控的常見原因。研究表明，由于電池在過充時外部有能量持續(xù)輸入到電池中，一旦發(fā)生熱失控，其反應比機械濫用和熱濫用條件下更為激烈，釋放出的能量及造成的危害也更大。對于三元鋰電池的過溫、內(nèi)部短路和過充的熱失控試驗表明，過充觸發(fā)的熱失控最為嚴重。可見，由過充引起鋰離子電池熱失控的危險性更大。

對電動汽車的整車火災試驗，文獻中主要采用兩種方式進行引燃：一類是通過外部火源引燃車內(nèi)飾或車輛外部的可燃材料，另一類則是通過電加熱板升溫的方式引燃鋰電池。采用外部火源引燃車體的試驗表明，不論是引燃內(nèi)飾，還是從車底引燃底盤的可燃物，電動汽車的火災發(fā)展規(guī)律、火災增長速率、火災熱釋放速率峰值等數(shù)據(jù)均與傳統(tǒng)燃油車相似；而采用電加熱板誘導鋰電池著火的試驗則表明，一旦鋰電池熱失控著火，其火災增長和蔓延速率快于傳統(tǒng)燃油車，更具危險性。例如，文獻[15]表明，電加熱導致三元鋰電池著火引發(fā)的火災增長速率(0.020 kW/s2)，高于同一型號電動車因外部火源導致的火災增長速率(0.0085 kW/s2)。國內(nèi)多個針對三元鋰電池電動汽車的整車燃燒試驗，大多采用電加熱板誘導鋰電池著火，但未對火災熱釋放速率進行測量，缺乏對因電池熱失控引發(fā)電動汽車火災發(fā)展及蔓延的定量認識。在現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻中，尚未見采用過充誘導三元鋰電池電動汽車整車火災試驗的報道。因此，對于過充導致三元鋰電池電動汽車著火的這類火災工況，缺乏基礎的試驗數(shù)據(jù)，當前對于如何開展此類火災事故的消防救援和合理進行電動汽車車庫的消防安全設計也缺乏認識和應對措施。

本研究采用過充引燃的方式對三元鋰電池電動汽車開展實體火災試驗，測量并獲取了整車燃燒的火災熱釋放速率、車內(nèi)及車輛周圍的溫度和輻射熱流強度等關鍵技術數(shù)據(jù)，為全面了解三元鋰電池電動汽車的火災危險性、掌握三元鋰電池電動汽車的火災發(fā)展規(guī)律、合理確定電動汽車及車庫的防火技術措施，提供有益的試驗數(shù)據(jù)和技術支撐，也為消防救援處理類似火災事故提供了重要的場景參考和火災案例。

1 試驗設計

1.1　試驗車輛概況

所測試車輛為三廂轎車，車身尺寸4861 mm×1820 mm×1462 mm(長×寬×高)，整備質量1760 kg。該車生產(chǎn)時間為2016年，采用三元鋰電池，共計94塊電芯串聯(lián)，單個電芯的容量為110 Ah，額定電壓為3.65 V；電池包的總電量為37.5 kWh，額定電壓為343.1 V。試驗前對當前整車的電池健康狀態(tài)(SOH)進行測試，約為初始額定容量的90%。

1.2　測量設備

測試車輛布置在大型量熱器的集煙罩下方，通過耗氧原理測量試驗過程中的火災熱釋放速率，見圖1。為模擬著火車輛對相鄰車輛的引燃情況，在右側車位放置了2個輪胎，與試驗車輛的水平間距為0.5 m。

測試車輛

（1）電池包內(nèi)部的熱電偶

試驗前卸下電池包并打開電池包外殼，可以看到其內(nèi)部由5個模組組成，其中最左側1個模組的電芯采用臥式排布、左側中間2個模組的電芯采用立式排布、右側2個模組的電芯采用平臥的排布方式。在該電池包內(nèi)布置了6個熱電偶，見圖2中的紅點位置。

電池包內(nèi)的電池模組和熱電偶分布

（2）底盤下方的熱電偶

將電池包復位后，在電池包周圍布置9個熱電偶(B1~B9)用來測量底盤下方的溫度變化，布置位置見圖3。

底盤下方的熱電偶

（3）車身內(nèi)部的熱電偶

在車身內(nèi)部布置了16個熱電偶，記錄車內(nèi)不同區(qū)域的溫度變化情況，見圖4。其中，每個座椅均布置2個熱電偶，分別位于坐墊和靠背位置[以主駕為例，C1-1位于靠背上方、C1-2位于坐墊上方，見圖4(b)；其余座椅以此類推]。在儀表盤中間位置的上方布置熱電偶C6；在前后座之間的車地板上布置3個熱電偶(C7~C9)，測量底盤與車內(nèi)之間的溫度變化；在車前艙和后備廂內(nèi)的中間位置，分別布置熱電偶C10和C11。

車身內(nèi)部的熱電偶分布

（4）車身表面的熱電偶

在車身表面布置10個熱電偶，見圖5。其中，在4個輪胎的上沿各布置1個熱電偶(編號D1-1~D1-4)，距地高度均為650 mm；在車身兩邊車窗玻璃外側的中間高度，分別布置4個熱電偶(編號D2-1~D2-4)，距地高度均為1250 mm；在前、后擋風玻璃外側的中間高度，布置熱電偶D3-1和D3-2，距地高度為1250 mm；在車頂天窗中間位置，布置熱電偶D3-3。以上熱電偶均與車身表面貼合。

車身表面的熱電偶分布

（5）車周圍的熱電偶和輻射熱流計

為測量著火車輛對相鄰車位停放車輛的影響，在車輛的周圍共布置28個熱電偶和15個輻射熱流計，見圖6。

車輛周圍的熱電偶和輻射熱流計的分布

①車輛右側的測點。在距車輛右側邊緣水平距離為500 mm的位置，布置一系列測點(編號以R開頭)，測量相鄰車位的溫度和輻射熱流強度。其中，熱電偶R1-1和熱流計R1-1H位于底盤高度(距地250 mm)，正對車輛軸距中間的位置；R2-1、R2-2均位于輪胎的上沿高度(距地650 mm)，分別正對前、后輪胎；R3-1和R3-1H、R3-2和R3-2H均位于車窗的中間高度(距地1250 mm)，分別正對前、后兩側的車窗玻璃。

②車輛左側的測點。在距車輛左側邊緣水平距離為500 mm和1000 mm的位置，分別布置兩排測點(編號分別以L和LL開頭)，測量左側相鄰車位的溫度和輻射熱流強度。

L組距車輛水平間距為500 mm，其編號規(guī)律為：熱電偶L1-1和熱流計L1-1H位于底盤高度(距地250 mm)，并正對車輛軸距中間的位置；L2-1和L2-1H、L2-2和L2-2H均位于輪胎的上沿高度(距地650 mm)，分別正對前、后輪胎；L3-1和L3-1H、L3-2和L3-2H均位于車窗的中間高度(距地1250 mm)，分別正對前、后兩側的車窗玻璃。

LL組距車輛水平間距為1000 mm，其編號規(guī)律與L組相同。

③車輛前后的測點。在車輛前端和尾端布置一系列測點(編號分別以F1和F2開頭)，距車身邊緣均為500 mm，測量前、后車位的溫度和輻射熱流強度。

車輛前方的熱電偶F1-1、F1-2和F1-3分別位于250 mm、1250 mm和1750 mm標高，輻射熱流計F1-2H位于1250 mm標高。

車輛后部的熱電偶F2-1、F2-2和F2-3分別位于250 mm、1250 mm和1750 mm標高，輻射熱流計F2-2H位于1250 mm標高。

（6）車身上方的熱電偶

在車身上方500 mm高度布置6個熱電偶，見圖6。其中熱電偶E1-1、E1-2、E1-3和E1-4分別位于車身兩側4個窗口的投影中心位置的上方；E2-1和E2-2分別位于前后擋風玻璃的投影中心位置的上方，E2-3位于車頂天窗中心位置的上方。

2 試驗過程

試驗前對電池包進行正常充電，電池的荷電狀態(tài)SOC=100%。靜置1 h后，開始過充試驗。過充功率始終保持在20 kW。

試驗過程大致可分為4個階段，整個火災的發(fā)展和蔓延過程詳見表1和圖7。

表1試驗過程中的現(xiàn)象及事件概況

試驗過程中典型現(xiàn)象及事件的照片

（1）第一階段：過充及點燃階段

過充至約1 h 6 min 48 s時，有白煙從底盤溢出，并很快形成明火。

（2）第二階段：初期蔓延階段

出現(xiàn)明火后，火焰呈明顯的噴射狀態(tài)，最遠噴射距離大于4 m。在隨后的1~4 min時間內(nèi)，相繼引燃本車的4個輪胎及右側相鄰車位的2個輪胎。說明火災已快速蔓延擴散至相鄰車位。此時整車已發(fā)生了較為劇烈的燃燒。

（3）第三階段：完全燃燒階段

在1 h 10 min 58 s時(出現(xiàn)明火后約4 min)，后排右側的玻璃破裂；在隨后的1~4 min內(nèi)，其他車窗玻璃相繼破裂，此時車輛呈現(xiàn)完全燃燒狀態(tài)。

（4）第四階段：衰減階段

車輛的燃燒速度很快，在約1 h 21 min時(出現(xiàn)明火后約14 min)，車輛的輪胎基本燃燒殆盡；在約1 h 40 min時(出現(xiàn)明火后約33 min)，火焰變得較微弱。

3 試驗結果及分析

3.1　電池電壓和電流的變化

過充過程中電池的電壓和電流變化如圖8所示，過充的功率恒定為20 kW。初始時的電池電壓約為393 V，過充的電流約為50.7 A；隨著電池電壓的不斷上升，過充電流逐漸下降。在約66.5 min時，電壓出現(xiàn)明顯下降，隨后在67 min時電池出現(xiàn)熱失控并著火。

電池的電壓和電流的變化曲線

3.2　火災熱釋放速率

火災熱釋放速率和總熱釋放量的曲線見圖9。從圖中可見，在過充開始后約67 min，電池包熱失控著火，火災熱釋放速率迅速上升；在68 min 15 s時，火災熱釋放速率達到峰值，約為8.0 MW，此時熱釋放速率的主要貢獻來自電池包的噴射火。在68 min 30 s~70 min之間，隨著噴射火焰的逐漸變小，熱釋放速率也從8.0 MW迅速下降至4.2 MW；隨后在70~71 min，隨著輪胎及內(nèi)飾等車身可燃物相繼被引燃，熱釋放速率又迅速增長至7.8 MW。在71~85 min之間，隨著車身可燃物的不斷燒損，熱釋放速率從7.8 MW逐漸下降至4.0 MW；在102 min后，熱釋放速率降至1.0 MW以下。整個試驗過程中，熱釋放總量為8600 MJ。

火災熱釋放速率和總熱釋放量

圖10僅繪制了65~90 min之間的火災熱釋放速率變化曲線，從圖中可見，在火災發(fā)展的初期，電池包形成的噴射火非常猛烈，火災增長速率α約為0.98 kW/s2，遠大于超快速火(0.1875 kW/s2)。

火災增長速率的對比

3.3　溫度數(shù)據(jù)

（1）電池包內(nèi)部的溫度

電池包內(nèi)部的熱電偶(A1~A6)溫度數(shù)據(jù)如圖11所示。在電池被引燃后(67 min)，電池包內(nèi)的溫度迅速上升，1 min內(nèi)溫度上升至約750 ℃，隨后持續(xù)上升；在82 min后，電池包內(nèi)部的最高溫度上升至約1350 ℃，隨后多個熱電偶被損壞，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。

電池包內(nèi)部的溫度

（2）底盤下方的溫度

底盤下方的測點溫度見圖12。在電池著火后(約67 min)，從電池包中溢出的可燃氣體在底盤下燃燒產(chǎn)生高溫，導致底盤下方多個測點的溫度迅速上升至峰值(約900~1000 ℃)，隨后逐漸下降。在約80 min后，底盤下方的大多數(shù)溫度(除B4外)基本降至650 ℃以下。B4的溫度則出現(xiàn)第二次上升，并在約100 min時再次上升至約900 ℃。這主要是因為B4靠近前機艙，而前機艙內(nèi)的設備在90 min后依然發(fā)生較劇烈的燃燒所致。

底盤下方的溫度

（3）車身表面的溫度

車身表面的溫度見圖13和圖14。其中，圖13為輪胎上沿的溫度，從圖中可見，在67~71 min之間，4個輪胎被電池包溢出的火焰迅速引燃。輪胎燃燒時最高溫度約900~1000 ℃，D1-4的瞬時峰值甚至達到1080 ℃。

輪胎上沿的溫度

車窗表面的溫度

圖14為各車窗表面的溫度。從圖中可見，從車窗溢出的火焰最高溫度一般在700~900 ℃。天窗處的最高溫度(D3-3)則可達到1150 ℃左右，高于從其他車窗溢出的火焰溫度。車前擋玻璃位置的溫度(D3-1)在70~94 min之間時，持續(xù)維持在800~900 ℃，這是因為車輛前方儀表盤及前艙區(qū)域的可燃物分布集中且數(shù)量較多，燃燒時間較長。

（4）車廂內(nèi)部的溫度

車廂內(nèi)部的溫度見圖15和圖16。圖15為各座椅的溫度，從圖中可見，在約72 min時，座椅上方的溫度(C1-1、C2-1、C3-1、C4-1和C5-1)均上升至400 ℃以上，說明車內(nèi)可燃物被引燃，火勢已蔓延至車廂內(nèi)部；在約88 min時，車廂內(nèi)的最高溫度達到約1190 ℃。

各座椅表面的溫度

車內(nèi)其他位置的溫度

圖16為車廂內(nèi)儀表盤上方(C6)、車內(nèi)地板表面(C7~C9)、車輛前艙(C10)和后備廂(C11)的溫度。

（5）車身周圍的溫度

車身周圍的溫度見圖17。圖17(a)和(b)分別為車輛左側距車邊緣0.5 m和1.0 m位置的溫度，最高溫度分別為500 ℃和200 ℃。圖17(c)為車輛右側距車邊緣0.5 m的溫度，由于右側車位放置有輪胎，且輪胎在68~70 min時被引燃，因此R2-1和R2-2的最高溫度分別達到約800 ℃、700 ℃。圖17(d)為車輛前、后兩端距車邊緣0.5 m的溫度，其中F1-1~F1-3位于車輛前方，受電池噴射火的影響，最高溫度達到800~850 ℃；車后方F2-1~F2-3的最高溫度約為150 ℃。

車身周圍的溫度

（6）車身上方的溫度

車身上方0.5 m處的溫度見圖18。從圖中可見，位于車頂部天窗玻璃投影上方的溫度最高(E2-3)，峰值可達到約1050 ℃；前擋、主駕側和副駕側玻璃投影上方的溫度峰值則可達700~900 ℃；尾廂玻璃投影上方的最高溫度約為200 ℃。如果該著火車輛停放在立體車庫內(nèi)，著火后的高溫很容易引燃上方車輛，導致火災在豎向上的迅速傳播。

車身上方0.5 m處的溫度

3.4　車身的溫度發(fā)展規(guī)律

通過綜合多個位置的平均溫度，圖19揭示了車身各處的火災發(fā)展規(guī)律。在67 min之前，由于過充的影響，僅電池包內(nèi)的溫度出現(xiàn)了升高(約80 ℃)；在67 min后，電池包內(nèi)部、底盤下方、輪胎上沿的溫度幾乎同時迅速上升，這是電池包內(nèi)溢出的可燃氣體著火升溫所致；在隨后的2 min內(nèi)略有下降，這說明從電池包內(nèi)溢出的火勢略有變小。在70 min后，底盤下方和輪胎上沿的溫度出現(xiàn)第二次迅速上升，這說明底盤和輪胎位置的可燃物已被引燃，同時車窗玻璃表面的溫度也出現(xiàn)迅速上升。在72 min后，車內(nèi)座椅的平均溫度迅速上升，并在約85 min時達到約1000 ℃的峰值。以上車身不同位置的溫度發(fā)展規(guī)律，與表2中的試驗現(xiàn)象相吻合。

車身不同位置的溫度發(fā)展規(guī)律

3.5　輻射熱流強度

車身周圍的輻射熱流強度值見圖20。圖20(a)和(b)分別為左側距車邊緣0.5 m和1.0 m位置的輻射熱流強度。在左側0.5 m處，除L1-1H在71 min瞬時上升至約85 kW/m2外，其他各位置的最大值為50~60 kW/m2；在左側1.0 m處，各位置的最大值為30~35 kW/m2。

車身周圍的輻射熱流強度

圖20(c)為右側距車邊緣0.5 m的輻射熱流強度值，由于車輛右側放置有輪胎且被引燃，因此在該側的最大輻射熱流強度值明顯高于左側。R1-1H的最大輻射熱流強度瞬時可接近120 kW/m2；R3-1H和R3-2H的最大輻射熱流強度值也達到60~80 kW/m2。

圖20(d)為車前、后兩端距車邊緣0.5 m的輻射熱流強度值。由于在熱失控前期，電池包形成的噴射火主要集中在車頭位置，車前方0.5 m處的最大輻射熱流強度(F1-1H)瞬時可達到約62 kW/m2，車后方0.5 m處的最大輻射熱流強度(F2-2H)約為15 kW/m2。

從以上數(shù)據(jù)可見，除去相鄰車位輪胎著火導致的增量外，距著火車輛周圍0.5 m處相鄰車位的輻射熱流強度為60~80 kW/m2，很容易引燃周圍車輛的輪胎、翼子板或擋泥板等可燃物，導致火災蔓延。即使在距著火車輛水平間距為1.0 m的位置，輻射熱流強度也可達到30~35 kW/m2，位于該位置的車輛也可能被引燃。

4 結論

本工作對過充導致三元鋰電池電動汽車著火及火災蔓延的全過程開展了試驗研究，結果表明：

（1）在過充導致三元鋰電池發(fā)生熱失控后，電動汽車的火災發(fā)展和蔓延過程表現(xiàn)為：電池包熱失控產(chǎn)生可燃氣體迅速被引燃并形成噴射火焰，火焰迅速引燃底盤周圍的可燃物、汽車輪胎，火勢隨后導致車窗玻璃相繼破裂，引燃車廂內(nèi)飾及座椅，整車發(fā)生劇烈燃燒。

（2）熱失控初期，從電池包噴射的火焰非常猛烈，其噴射距離可達約4 m，著火車輛的火災增長速率(α=0.98 kW/s2)遠大于超快速火，火災熱釋放速率的峰值約8.0 MW，隨后熱釋放速率迅速下降至4.2 MW；隨著輪胎及車輛的內(nèi)飾相繼被引燃，熱釋放速率又迅速增長至7.8 MW。

（3）距車輛外邊緣0.5 m和1.0 m處的輻射熱流強度峰值分別為60~80 kW/m2和30~35 kW/m2，該輻射強度可導致周圍停靠的車輛著火，引發(fā)火災向相鄰車輛蔓延。

（4）對于立體車庫而言，著火車身上方0.5 m處的溫度為700~1050 ℃，很容易引燃上方的車輛，導致火災在豎向上的傳播。

綜上，三元鋰電池電動汽車在過充引燃工況下具有火勢發(fā)展迅速、熱釋放速率峰值高的火災燃燒特點，建議在設置電動汽車充電設施的車庫內(nèi)加強早期監(jiān)測預警和探測報警設備(如增設安全充電監(jiān)控系統(tǒng)和具備火災圖像識別功能的火災自動報警系統(tǒng)等)，以便及時發(fā)現(xiàn)電池故障、縮短報警和響應時間，避免造成大規(guī)模的火災蔓延。

通訊作者：彭磊（1980—），男，博士，研究方向為建筑防火設計、電動汽車消防安全技術及儲能系統(tǒng)消防安全技術，E-mail： 11785912@qq.com。

第一作者：彭磊（1980—），男，博士，研究方向為建筑防火設計、電動汽車消防安全技術及儲能系統(tǒng)消防安全技術，E-mail： 11785912@qq.com。

中圖分類號：X 932； TM 912

文章編號：2095-4239（2025）04-1484-12

文獻標識碼：A

收稿日期：2024-09-24

修回日期：2024-10-14

出版日期：2025-04-28

網(wǎng)刊發(fā)布日期：2025-05-20

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轉自：儲能科學與技術