科研分享 | 大型量热仪实测：全尺寸电动汽车火灾特性揭秘——车身材料主导热释放，电池喷射加速蔓延！

随着中国经济的繁荣发展，电动汽车 (BEV) 逐渐成为人们重要的代步工具。作为新能源汽车的主要代表，电动汽车在减少碳排放、降低燃油使用量方面有着显著价值。然而，电动汽车迅猛发展的背后是需要引起人们深思的安全问题，电动汽车需要大量电池进行组装使用，因此电动汽车在使用期间相较于传统的内燃机汽车会更加危险。尤其是在封闭区域，如制造工厂，地下停车场，隧道等。因此，对汽车进行燃烧测试，初步获得一系列关键参数，包括燃烧车辆的热释放速率 (HRR)，总热释放量 (THR), 火灾增长指数，燃烧车辆附件的热通量，车辆后期的火焰蔓延情况等。确定这些参数之后，通过理论或者数值模拟预测整个空间，承重构件及洒水灭火系统的格局分布，进一步降低危火灾的影响。

韩国学者Kang等人在 Applied Energy 上发表了一篇文章，文章中使用了大型量热仪对整个汽车构件进行了燃烧测试，文章中选取了 2020 年生产的电动汽车进行实验，以下简单介绍该文章的研究情况。

实验内容

试样：文章共进行了六次测试，分别为拆解测试 (Test 1-2)，对不同电池容量的完整的BEV测试 (Test 3-4)，对不同能量来源的车进行测试 (Test 5-6)，该选取的车辆尺寸和重量相近，且基于相同的生产平台开发。

具体见表1

表1试样类型

设备：大型耗氧量热仪

实验结果

热释放速率与总热释放量

图1展示了六次测试中通过大型耗氧量热法在开放空间条件下实际测量得到的整体热释放速率 (HRR) 和总释热量 (THR) 曲线。在实验中，汽车火灾自开始直至完全燃尽持续至少 70 分钟。在火灾初期 (约1-2分钟），BEV 车身、BEV_2 和 ICEV 测试中观察到 HRR 的快速上升，这些快速增长是由点火工具(即丙烷燃烧器或庚烷盘)的激活引起的，而非试样本身的快速燃烧。在火灾发展阶段，被点燃的车辆逐渐增加热量释放，并在约 11-17 分钟内达到峰值，随后火灾进入衰减阶段，HRR 逐渐下降。在该阶段，由于BEV_2 和 BEV_3 出现一系列热失控事件，可观察到 HRR 有波动。

进一步观察所有试样的HRR和THR数据发现，对于 pHRR 和 THR 来说，BEV 火灾的更大贡献来自 BEV 车身而非 LIB 电池组。因此，尽管 LIB电池组发生剧烈热失控，车舱内的燃烧仍主导了 BEV 火灾的这两个指标。判断原因可能是车身 (尤其是客舱) 中存在的可燃材料数量多于电池组。

对于电池能量容量不同的两辆车， THR 值之间也存在差距。BEV火灾的THR 高于 ICEV 但低于 FCEV，这一趋势与其重量平行。但由于燃烧通常取决于多个方面，例如点火点的位置、火焰蔓延的顺序和通风条件，因此很难找到pHRR与重量之间的相关性。

图1. HRR 和 THR 的时间曲线

火灾增长程度

图2，图3，图4分别显示了火灾蔓延情况，燃烧时温度-时间曲线以及试样状态。观察得出以下结论：

(1) 从 LIB 电池组释放的喷射火焰导致 BEV 火灾快速增长；

(2) 尽管源自 LIB 电池组的喷射火焰加速了其他 BEV 部件的点火和燃烧，但喷射火焰并不是 HRR 和 THR 的主要贡献因素，相反，瞬间释放的大部分热量(即 pHRR)由汽车有机聚合物部件的常规燃烧产生的火焰控制；

(3) 源自 LIB 电池组的 BEV 火灾比源自其他地方的火灾发展更快，也比 ICEV和FCEV火灾发展更快；

(4) Frist 响应者在接近 BEV 事故现场时应更加谨慎，这是因为电池组外壳内部的 LIB 损坏从车辆外部无法观察到，并且热失控的激活是不可预测的，此外，一旦触发，火灾会迅速发展。

图2. 测试3和测试4中电池和电动汽车火灾蔓延情况量化分析

图3. 测试3和4中纯电动汽车的温度-时间曲线

图4. 测试 4 中重要事件中的试样状态照片

LIB 电池组温度观察

图5 显示了BEV_2和BEV_3的锂离子电池组内部和外部的时变温度变化，从传热的角度来看，源自LIB电池组下方丙烷燃烧器的外部热量应该分布到合金金属外壳、内部LIB、BEV车身框架和周围环境。如果大量热量消散到其他部分，则传递到LIB的热能数量可能会减少。直接面对外部火焰的金属外壳具有相对较高的热惯性，该质量吸收一定量的热能以升高其温度，从而延缓内部 LIB 温度的升高。在图5(a) 中观察到，在直接加热条件下，位于外壳暴露底面的热电偶的温度迅速升高，而 LIB 模块的温度升高相对较慢。众所周知，合金金属材料由于其高导热性，允许热量快速传递到内部部件。另外，还有可能这种块状固体通过吸收热量，在有限时间内部分地为内部 LIB 提供了抵御外部加热的热保护。另一方面，一旦该质量达到阈值温度，可能很难从合金外壳散热并阻止内部 LIB 的温度升高。

图5.  LIB的时间-温度曲线

对相邻物体的热危害

图6 (a) 和 6 (b) 显示了第四次和第五次测试中到达燃烧车辆周围预定四个点的总暴露热通量的时变变化。两起汽车火灾在充分发展阶段记录的各点峰值大多在 40-60 kW/m² 范围内。尽管其中一个值在 BEV 前部异常达到 110 kW/m²，但需要重复更多测试来验证这一现象。在进一步的研究中，使用热流计在这些点测量的暴露热通量，可用于通过预测汽车表面温度来评估相邻汽车点火的可能性。

图6.  BEV_3和ICEV火灾中随时间变化的热通量变化

图7(a)和7(b)显示了从 BEV_2 和 BEV_3 产生的、在 2270 mm高度测量的浮力火焰羽流的时间-温度曲线。两起火灾导致峰值温度超过 900℃，这主要包含来自汽车引擎盖和前窗上方火焰羽流的贡献。测试中HRR的峰值时刻与温度的峰值时刻相似。图中的黑色虚线表示基于 20 世纪早期测试的标称温度-时间曲线，该曲线在建筑消防工程中应用最广泛。BEV 火灾可能危及汽车上方结构构件的耐久性至少 10 分钟，在此期间气体温度超过标准火灾曲线的温度。在 BEV_3 的情况下，由于其快速增长和强烈的热量释放，预计其燃烧对结构构件的危害比 BEV_2 更大。

图7.  BEV_2和BEV_3火中火羽流的时间-温度分布

另外，平均有效燃烧热被用于评估当前 BEV 火灾危害，这种方法可以为安全措施的进一步研究。研究数据结果显示，汽车火灾中通常燃烧总重量的17.6-26%。从当前BEV火灾中记录到约 30 MJ/kg 的平均有效燃烧热，大于 ICEV 和 FCEV 火灾的值，也大于 BEV 车身单独燃烧的值。这是因为与消耗的质量（28 kg）相比，LIB 电池组产生的总热量（1.3 GJ）相对较大，因此 BEV 火灾中每单位质量释放的总热强度增加。对于单独的 LIB 电池组，估计为 45.9 MJ/kg的平均有效燃烧热，与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）相当。此外，结果表明，平均有效燃烧热的计算高度依赖于用于测量 HRR 的测试方法和相关测试环境，这使得概括质量和平均有效燃烧热之间的相关性具有挑战性。

结论

研究对 BEV 及其拆解后的锂离子电池(LIB)组和车身分别开展了一系列全尺寸火灾测试。同时，为进行对比分析，还对内燃机汽车(ICEV)和氢燃料电池电动汽车 (FCEV) 等其他类型车辆进行了测试。在实验，BEV火灾持续时间长达70分钟。其峰值热释放速率 (pHRR) 测量值范围为 6.51-7.25 MW，略低于 ICEV 的 7.66 MW，但高于 FCEV 的 5.99 MW；BEV 火灾的总释热量(THR)测量值范围为 8.45-9.03 GJ，同样介于 ICEV(8.08 GJ)和 FCEV(10.82 GJ)之间。

在BEV火灾中，热释放速率的主要贡献来自BEV车身传统材料的燃烧（pHRR：7.81 MW，THR：7.53 GJ），而非LIB电池组的燃烧（pHRR：1.54 MW，THR：1.30 GJ）。然而，LIB 电池组会剧烈喷出喷射火焰，这种火焰加速了火焰向相邻可燃部件的蔓延，进而导致整车火灾快速发展。本研究所得结论主要可为BEV火灾事故的第一响应者提供参考，其次也有助于重新审视现有或新建停车场相关结构的安全性。对于第一响应者而言，由 LIB 电池组热失控引发的BEV火灾比其他原因引发的火灾更具危险性，这是因为人们对这类火灾的火焰察觉较晚，且一旦点燃，火势发展迅速。在安全性重新评估方面，可采用约 30 MJ/kg 的平均有效燃烧热来量化BEV火灾的热强度。值得注意的是，LIB电池组的平均有效燃烧热极高（约 45.9 MJ/kg），与易燃燃料（如正戊烷，其燃烧热为 45.69 MJ/kg）相当。

参考文献

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

研究过程使用 FTT 10 MW 级耗氧量热系统对汽车进行了测试。FTT 作为阻燃设备行业的生产厂家，提供了可以测试热释放，烟气浓度，火灾蔓延情况等诸多阻燃测试设备，以下为 FTT 的几款中型，大型耗氧量热仪展示，点击图片了解详情。

10MW 大型耗氧量热仪

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