丁傳記

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

純電動(dòng)客車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁傳記

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

分析多種類型動(dòng)力電池的安全性能及其發(fā)生安全事故的機(jī)理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)了適合動(dòng)力鋰電池的火災(zāi)預(yù)警及自動(dòng)滅火系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了電池箱的快速拆卸式結(jié)構(gòu)。

純電動(dòng)客車；動(dòng)力鋰電池；火災(zāi)安全系統(tǒng)

在國(guó)家大力提倡節(jié)能環(huán)保的背景下，純電動(dòng)客車的銷量直線上升，對(duì)電池安全設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，在社會(huì)還沒有完全接受新技術(shù)新產(chǎn)品的時(shí)候，只要發(fā)生一點(diǎn)安全事故就會(huì)引起公眾的極大關(guān)注。本文在系統(tǒng)分析動(dòng)力鋰電池安全性的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的鋰電池做充分的火災(zāi)安全設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)快拆功能，最大程度地減少電池對(duì)人身與財(cái)產(chǎn)造成的損失。

1　各種類型鋰電池安全分析

動(dòng)力鋰電池具有工作電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在純電動(dòng)客車中被廣泛應(yīng)用［1-5］。目前，各大客車生產(chǎn)廠采用的動(dòng)力電池有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、三元材料鋰電池及鈦酸鋰電池等各種類型鋰電池。近年來(lái)，鋰電池在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策激勵(lì)下得到了非常迅速的發(fā)展，電池產(chǎn)品的部分性能也得到了穩(wěn)步提升，尤其是在能量密度、放電倍率方面提升較快［6-7］。然而，鋰電池的安全性能方面還有待提高。比如，所有鋰電池都不耐過(guò)充電或過(guò)放電，當(dāng)電池充電到4.2V以上電解液就會(huì)分解，使之產(chǎn)生鼓脹；當(dāng)放電到2.0V以下若再放電，就會(huì)造成電池過(guò)放電，使電池出現(xiàn)零電壓而不能恢復(fù)充放電性能［1］；同時(shí)，鋰電池在-5℃以下充電會(huì)使鋰離子被還原，產(chǎn)生鋰晶枝，造成電池短路；電池在60℃以上使用時(shí)，會(huì)對(duì)電池負(fù)極的SEI膜造成損壞；過(guò)充電或者過(guò)放電都會(huì)造成鋰電池不可逆轉(zhuǎn)損壞，甚至?xí)闺姵禺a(chǎn)生冒煙、起火等危險(xiǎn)［1，5］。不同種類鋰電池的安全性能具體如表1所示。

表1　不同種類鋰電池的安全性能

另外，所有鋰電池在高溫或者低溫下使用都不安全；磷酸鐵鋰電池材料本身的導(dǎo)電性能不好，電池內(nèi)阻會(huì)較大，在使用過(guò)程中產(chǎn)生熱量較多；錳酸鋰電池、三元材料鋰電池和鈦酸鋰電池，由于材料本身會(huì)緩慢釋放出氧氣，因此在使用過(guò)程中會(huì)鼓脹，同時(shí)錳酸鋰電池和三元材料鋰電池在針刺情況下會(huì)起火，通常電池廠家會(huì)用陶瓷隔膜技術(shù)來(lái)避免這一情況的發(fā)生。但采用陶瓷隔膜又會(huì)增大電池內(nèi)阻，也會(huì)出現(xiàn)電池在使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱量較多的現(xiàn)象。

針對(duì)動(dòng)力鋰電池現(xiàn)有安全方面的缺陷，市場(chǎng)上的純電動(dòng)客車基本上都有防止過(guò)充電或過(guò)放電保護(hù)措施［6］，也有設(shè)計(jì)了給電池加熱或冷卻的熱管理系統(tǒng)。然而這些措施只能起到預(yù)防作用，當(dāng)動(dòng)力鋰電池遇到冒煙或起火也會(huì)出現(xiàn)將整個(gè)車輛燒毀，甚至?xí)霈F(xiàn)人員傷亡等現(xiàn)象。因此，需要給動(dòng)力鋰電池增加出現(xiàn)冒煙或起火等險(xiǎn)情的應(yīng)急措施。

2　動(dòng)力鋰電池火災(zāi)預(yù)警及消防安全系統(tǒng)

2.1火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

動(dòng)力鋰電池火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，一般包括火災(zāi)探測(cè)器、探測(cè)控制器和預(yù)警及啟動(dòng)控制器等組成。火災(zāi)探測(cè)器是由溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外光傳感器等集成于一體，但是各個(gè)傳感器之間相互獨(dú)立，正常工作中無(wú)相互干擾?；馂?zāi)探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池箱的火、煙霧以及溫度等信號(hào)，再將這些信號(hào)傳輸給探測(cè)控制器，由探測(cè)控制器經(jīng)過(guò)運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N信號(hào)傳輸給預(yù)警及啟動(dòng)控制器，由預(yù)警及啟動(dòng)控制器做出預(yù)警及控制動(dòng)作，也可以采用人工操作是否開啟滅火器。動(dòng)力鋰電池滅火預(yù)警系統(tǒng)信號(hào)傳輸過(guò)程邏輯判斷如圖1所示。

圖1　動(dòng)力鋰電池滅火預(yù)警系統(tǒng)邏輯判斷圖

2.2火災(zāi)消防安全系統(tǒng)

動(dòng)力鋰電池滅火預(yù)警系統(tǒng)將火災(zāi)信號(hào)傳輸、處理后，開啟動(dòng)力鋰電池滅火器，對(duì)電池進(jìn)行滅火。根據(jù)介質(zhì)的不同，動(dòng)力鋰電池滅火器可分為干粉滅火器和氣體滅火器。

1）干粉滅火器。干粉滅火器是針對(duì)多數(shù)液態(tài)鋰離子電池電解液為有機(jī)溶劑如PC、EC等，在燃燒時(shí)產(chǎn)生的關(guān)鍵自由基OH、H的特點(diǎn)，通過(guò)固體粉粒吸附活性自由基H和OH，起到終止燃燒反應(yīng)鏈的作用，終止燃燒反應(yīng)而滅火。也可以通過(guò)固體粉粒在高溫下發(fā)生熱分解吸收大量熱量而起到冷卻作用，產(chǎn)生的不活潑氣體有效降低燃燒區(qū)內(nèi)氧氣濃度。干粉滅火器的滅火介質(zhì)一般采用磷酸二氫銨（NH4H2PO4）。其滅火原理如圖2所示。

圖2　干粉磷酸二氫銨滅火原理圖

從圖2中可以看出磷酸二氫銨滅火主要是從兩方面進(jìn)行的，即通過(guò)銨鹽分解吸熱降溫和降低燃燒區(qū)氧氣濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是在燃燒物表面生成薄膜覆蓋物來(lái)隔絕空氣，根據(jù)試驗(yàn)及干粉滅火劑與電池燃燒產(chǎn)生自由基的比例，10 kW·h電池電量需要配置0.4 kg干粉。干粉滅火器在車輛電池艙內(nèi)的裝配如圖3所示，磷酸二氫銨粉末裝在圓筒內(nèi)，圓筒的兩端連接一定長(zhǎng)度的軟管，根據(jù)需要將軟管布置在電池倉(cāng)的不同地方。在軟管壁上分布許多小孔，當(dāng)滅火器啟動(dòng)時(shí)，磷酸二氫銨粉末會(huì)從小孔噴出，對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)行滅火。

圖3　電池艙內(nèi)干粉滅火器裝配圖

2）氣體滅火器。氣體滅火器的介質(zhì)是惰性氣體和氮?dú)庖约岸趸嫉幕旌蠚怏w，利用這些氣體隔絕空氣對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)行滅火。根據(jù)電池體積及大量的試驗(yàn)結(jié)果，10 kW·h電池電量需要配置1 kg氣體滅火介質(zhì)，火災(zāi)探測(cè)器通常安裝在電池箱內(nèi)，控制器和儲(chǔ)氣罐通常集成在1個(gè)主機(jī)盒內(nèi)。每個(gè)主機(jī)盒最多有10個(gè)接口，如果純電動(dòng)客車的電池箱數(shù)不超過(guò)10個(gè)，每輛車就可以只裝配1個(gè)主機(jī)盒。主機(jī)盒與電池箱通過(guò)控制線束和軟管相連，軟管是將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體輸送到電池箱內(nèi)，軟管與電池箱通過(guò)專用噴頭連接，噴頭與探測(cè)器裝在電池箱上。探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)控電池箱內(nèi)空氣中的鋰離子和溫度情況。當(dāng)電池箱內(nèi)有電池起火或冒煙時(shí)，探測(cè)器就會(huì)將異常信號(hào)傳輸給主機(jī)盒內(nèi)的控制器，控制器與儀表臺(tái)上的控制開關(guān)通過(guò)通訊線束連接，控制開關(guān)上集成蜂鳴器與報(bào)警燈，控制開關(guān)在收到異常信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)發(fā)生報(bào)警的電池箱管路就會(huì)與主機(jī)盒中的儲(chǔ)氣罐接通從而充滿滅火氣體，氣體從噴頭噴出對(duì)電池進(jìn)行滅火。主機(jī)盒、電池箱、儲(chǔ)氣罐、探測(cè)器、噴頭等各自的位置如圖4和圖5所示。

圖4　氣體滅火器各部件系統(tǒng)的布置

圖5　滅火器噴頭和探測(cè)器的安裝位置

3　電池箱快拆式結(jié)構(gòu)

動(dòng)力鋰電池安裝了火災(zāi)預(yù)警及消防安全系統(tǒng)后，能夠?qū)︿囯姵卦诔霈F(xiàn)冒煙或起火的情況下實(shí)行應(yīng)急滅火處理。但是，一旦電池著火后，能夠?qū)⒚盁熁蚱鸹鸬匿囯姵叵潴w快速脫離出車體，也是一種將火災(zāi)損失降低到最小的辦法。業(yè)內(nèi)經(jīng)常有因?yàn)槟硞€(gè)電池箱著火而使整個(gè)車輛燃燒的報(bào)道［5］，因此，有必要將動(dòng)力鋰電池箱設(shè)計(jì)成可以快速拆卸的結(jié)構(gòu)。

電池箱的快速拆卸式安裝方式，通常包括電池箱和箱體安裝托盤。安裝托盤在與電池箱底部接觸處設(shè)置有滾輪，在托盤左右兩側(cè)的立柱上設(shè)置有快拆式機(jī)構(gòu)；在電池箱兩側(cè)設(shè)置有與托盤的快拆式機(jī)構(gòu)相配套的鎖扣固定孔。電池箱的快拆式結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖6中可以看出，該結(jié)構(gòu)包括在托盤立柱上的鎖止機(jī)構(gòu)推桿、解鎖桿和嵌套在解鎖桿上的保險(xiǎn)扣，還包括電池箱上的用于嵌套鎖止機(jī)構(gòu)推桿的鎖扣固定孔。在裝配電池箱時(shí)需要將保險(xiǎn)扣取下，此時(shí)解鎖桿和鎖止機(jī)構(gòu)推桿都處于收縮狀態(tài)，將電池箱沿著托盤的滾輪推進(jìn)托盤內(nèi)，使鎖止機(jī)構(gòu)推桿嵌入到鎖扣固定孔內(nèi)，此時(shí)解鎖桿和鎖止機(jī)構(gòu)推桿都處于舒張狀態(tài)，將保險(xiǎn)扣嵌套到解鎖桿上，防止自動(dòng)解鎖。當(dāng)需要拆卸電池箱時(shí)，只需要將保險(xiǎn)扣取下，按一下解鎖桿就可以解鎖，這時(shí)只要握住把手向外面拉電池箱，就可以將電池箱脫落車體。

圖6　動(dòng)力鋰電池箱快拆式結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)純電動(dòng)客車動(dòng)力鋰電池加裝火災(zāi)預(yù)警及滅火系統(tǒng)，同時(shí)將電池箱體設(shè)計(jì)成可以快速拆卸的結(jié)構(gòu)，能夠最大限度地減少因動(dòng)力鋰電池火災(zāi)帶來(lái)的損失。將這種安全設(shè)計(jì)方法在批量車上應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能夠第一時(shí)間檢測(cè)到動(dòng)力鋰電池的冒煙或起火，并能夠進(jìn)行滅火，同時(shí)電池箱的裝配和拆卸變得更加方便，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］WANG JQ.Progress on lithium-ion batteries with LiFePO4 as positivematerial for EV&otherapplications［A］.The3rd Korea-China Lithium BatteryWorkshop［C］.Chang-Won:2007.

［2］王澤平，李兵.動(dòng)力鋰電池充放電的保護(hù)電路研究［J］.客車技術(shù)與研究，2015，37（4）:31-33.

［3］JunichiShirakawa，Masanobu Nakayamaetal.Changes in Electronic Structure upon Li Insertion Reaction of Monclinic Li3Fe2（PO4）3［J］.J.Phys.Chem.B2006，110.

［4］李兵，丁傳記，孫全勝，等.預(yù)加熱對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池充電性能影響的研究［J］.客車技術(shù)與研究，2012，34（3）:25-27.

［5］王新兵.下一代動(dòng)力電池何處尋［EB/OL］.（2013-10-17）［2016 -02-23］.http://www.d1ev.com/22798.htm l.

［6］王慰祖.新推廣政策拉動(dòng)新能源汽車市場(chǎng)有望提速［EB/OL］.（2013-09-18）［2016-02-23］.http://www.d1ev.com/21974.htm l.

［7］魏學(xué)哲，徐瑋，沈丹.鋰離子電池內(nèi)阻辨識(shí)及其在壽命估計(jì)中的應(yīng)用［J］.電源技術(shù)，2009，33（3）:217-220.

修改稿日期:2016-04-07

Design of Fire Safety System for Electric Bus Power Lithium-ion Battery

Ding Chuanji
（AnhuiAnkaiAutomobileCo.，Ltd，Hefei230051，China）

The author analyzes the safety performance of various typesof power battery，and themechanism of the safety accident.Hesystematically designs the fire alarm and the automatic fire extinguishing system which suits the power lithium-ion battery，and designs thequick disassembling typestructure for the batterybox.

pure electric bus；power lithium-ion battery；firesafety system

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2016）05-0052-03

丁傳記（1979-），男，高級(jí)工程師；主要從事新能源客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。