《储能科学与技术》文章|彭磊 等：过充导致三元锂电池电动汽车火灾的试验研究

作者：彭磊1,2 倪照鹏3 于越4 孙福鹏4 夏修龙4 张鹏4 孙思博1

单位：1. 天津泰达消防科技有限公司 2. 天津海泰消防科技中心 3. 中国矿业大学安全工程学院 4. 青岛特中和智慧科技有限公司

引用本文：彭磊, 倪照鹏, 于越, 等. 过充导致三元锂电池电动汽车火灾的试验研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(4): 1484-1495.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0897

本文亮点：本文是国内外首次采用过充方式导致三元锂电池热失控、继而引燃整车的实体火灾试验研究，且采用量热仪测量了整个燃烧过程的火灾热释放速率，对整车温度、车辆周围的辐射热流密度等关键参数进行了定量研究，全面掌握了因过充方式导致电动车火灾的蔓延特点和火灾发展规律。 本文对于合理确定三元锂电池电动汽车的火灾危险性、掌握三元锂电池电动汽车的火灾发展规律、合理确定电动汽车及车库的防火技术措施，也为消防救援处理类似火灾事故，提供了有益的试验数据和技术支撑。

摘 要 三元锂离子电池作为目前电动汽车的主要能源电池之一，在过充条件下触发热失控可能导致严重的火灾事故。本工作采用过充的方式对三元锂电池电动汽车开展实体火灾试验，测量了电池包内部、汽车底盘、汽车表面、车厢内部和四周的温度及汽车周围的辐射热流强度等数据，并采用耗氧原理测量了试验过程中的火灾热释放速率。结果表明：在过充导致三元锂电池发生热失控后，从电池包释放的可燃气体迅速被引燃并形成喷射火焰，火焰喷射的水平距离约4 m，火焰迅速引燃汽车轮胎及底盘周围的其他可燃物，火势随后导致车窗玻璃相继破裂，引燃车厢内饰及座椅，整车发生剧烈燃烧。试验车辆着火后的火灾增长速率(α=0.98 kW/s2)远大于超快速火，火灾热释放速率的峰值达到约8 MW。距车辆外边缘0.5 m和1.0 m处的辐射热流强度峰值分别达到60~80 kW/m2和30~35 kW/m2，可导致周围停靠的车辆着火，引发火灾向相邻车辆迅速蔓延。

关键词 电动汽车；三元锂离子电池；过充；热失控；火灾蔓延；火灾热释放速率

近年来，电动汽车因电池热失控而引发的自燃事故时有发生。锂离子电池作为电动汽车的核心动力部件，一旦发生热失控极容易引发火灾甚至爆炸事故。当前，电动汽车中最常见的锂离子电池类型分别为磷酸铁锂电池和三元锂电池。与磷酸铁锂电池相比，三元锂电池的能量密度和电压平台更高，在续航能力方面具有明显的优势。然而，三元锂电池高温性能较差，更容易发生热失控，且热失控时容易出现更剧烈的燃烧行为，在一定程度上影响了电动汽车的使用安全性。

锂离子电池的热失控触发方式通常可分为机械滥用、热滥用和电滥用。此前已有许多研究人员对锂电池热失控原因进行了试验研究，其中内部短路和过充电是导致锂离子电池热失控的常见原因。研究表明，由于电池在过充时外部有能量持续输入到电池中，一旦发生热失控，其反应比机械滥用和热滥用条件下更为激烈，释放出的能量及造成的危害也更大。对于三元锂电池的过温、内部短路和过充的热失控试验表明，过充触发的热失控最为严重。可见，由过充引起锂离子电池热失控的危险性更大。

对电动汽车的整车火灾试验，文献中主要采用两种方式进行引燃：一类是通过外部火源引燃车内饰或车辆外部的可燃材料，另一类则是通过电加热板升温的方式引燃锂电池。采用外部火源引燃车体的试验表明，不论是引燃内饰，还是从车底引燃底盘的可燃物，电动汽车的火灾发展规律、火灾增长速率、火灾热释放速率峰值等数据均与传统燃油车相似；而采用电加热板诱导锂电池着火的试验则表明，一旦锂电池热失控着火，其火灾增长和蔓延速率快于传统燃油车，更具危险性。例如，文献[15]表明，电加热导致三元锂电池着火引发的火灾增长速率(0.020 kW/s2)，高于同一型号电动车因外部火源导致的火灾增长速率(0.0085 kW/s2)。国内多个针对三元锂电池电动汽车的整车燃烧试验，大多采用电加热板诱导锂电池着火，但未对火灾热释放速率进行测量，缺乏对因电池热失控引发电动汽车火灾发展及蔓延的定量认识。在现有的国内外文献中，尚未见采用过充诱导三元锂电池电动汽车整车火灾试验的报道。因此，对于过充导致三元锂电池电动汽车着火的这类火灾工况，缺乏基础的试验数据，当前对于如何开展此类火灾事故的消防救援和合理进行电动汽车车库的消防安全设计也缺乏认识和应对措施。

本研究采用过充引燃的方式对三元锂电池电动汽车开展实体火灾试验，测量并获取了整车燃烧的火灾热释放速率、车内及车辆周围的温度和辐射热流强度等关键技术数据，为全面了解三元锂电池电动汽车的火灾危险性、掌握三元锂电池电动汽车的火灾发展规律、合理确定电动汽车及车库的防火技术措施，提供有益的试验数据和技术支撑，也为消防救援处理类似火灾事故提供了重要的场景参考和火灾案例。

1 试验设计

1.1　试验车辆概况

所测试车辆为三厢轿车，车身尺寸4861 mm×1820 mm×1462 mm(长×宽×高)，整备质量1760 kg。该车生产时间为2016年，采用三元锂电池，共计94块电芯串联，单个电芯的容量为110 Ah，额定电压为3.65 V；电池包的总电量为37.5 kWh，额定电压为343.1 V。试验前对当前整车的电池健康状态(SOH)进行测试，约为初始额定容量的90%。

1.2　测量设备

测试车辆布置在大型量热器的集烟罩下方，通过耗氧原理测量试验过程中的火灾热释放速率，见图1。为模拟着火车辆对相邻车辆的引燃情况，在右侧车位放置了2个轮胎，与试验车辆的水平间距为0.5 m。

测试车辆

（1）电池包内部的热电偶

试验前卸下电池包并打开电池包外壳，可以看到其内部由5个模组组成，其中最左侧1个模组的电芯采用卧式排布、左侧中间2个模组的电芯采用立式排布、右侧2个模组的电芯采用平卧的排布方式。在该电池包内布置了6个热电偶，见图2中的红点位置。

电池包内的电池模组和热电偶分布

（2）底盘下方的热电偶

将电池包复位后，在电池包周围布置9个热电偶(B1~B9)用来测量底盘下方的温度变化，布置位置见图3。

底盘下方的热电偶

（3）车身内部的热电偶

在车身内部布置了16个热电偶，记录车内不同区域的温度变化情况，见图4。其中，每个座椅均布置2个热电偶，分别位于坐垫和靠背位置[以主驾为例，C1-1位于靠背上方、C1-2位于坐垫上方，见图4(b)；其余座椅以此类推]。在仪表盘中间位置的上方布置热电偶C6；在前后座之间的车地板上布置3个热电偶(C7~C9)，测量底盘与车内之间的温度变化；在车前舱和后备厢内的中间位置，分别布置热电偶C10和C11。

车身内部的热电偶分布

（4）车身表面的热电偶

在车身表面布置10个热电偶，见图5。其中，在4个轮胎的上沿各布置1个热电偶(编号D1-1~D1-4)，距地高度均为650 mm；在车身两边车窗玻璃外侧的中间高度，分别布置4个热电偶(编号D2-1~D2-4)，距地高度均为1250 mm；在前、后挡风玻璃外侧的中间高度，布置热电偶D3-1和D3-2，距地高度为1250 mm；在车顶天窗中间位置，布置热电偶D3-3。以上热电偶均与车身表面贴合。

车身表面的热电偶分布

（5）车周围的热电偶和辐射热流计

为测量着火车辆对相邻车位停放车辆的影响，在车辆的周围共布置28个热电偶和15个辐射热流计，见图6。

车辆周围的热电偶和辐射热流计的分布

①车辆右侧的测点。在距车辆右侧边缘水平距离为500 mm的位置，布置一系列测点(编号以R开头)，测量相邻车位的温度和辐射热流强度。其中，热电偶R1-1和热流计R1-1H位于底盘高度(距地250 mm)，正对车辆轴距中间的位置；R2-1、R2-2均位于轮胎的上沿高度(距地650 mm)，分别正对前、后轮胎；R3-1和R3-1H、R3-2和R3-2H均位于车窗的中间高度(距地1250 mm)，分别正对前、后两侧的车窗玻璃。

②车辆左侧的测点。在距车辆左侧边缘水平距离为500 mm和1000 mm的位置，分别布置两排测点(编号分别以L和LL开头)，测量左侧相邻车位的温度和辐射热流强度。

L组距车辆水平间距为500 mm，其编号规律为：热电偶L1-1和热流计L1-1H位于底盘高度(距地250 mm)，并正对车辆轴距中间的位置；L2-1和L2-1H、L2-2和L2-2H均位于轮胎的上沿高度(距地650 mm)，分别正对前、后轮胎；L3-1和L3-1H、L3-2和L3-2H均位于车窗的中间高度(距地1250 mm)，分别正对前、后两侧的车窗玻璃。

LL组距车辆水平间距为1000 mm，其编号规律与L组相同。

③车辆前后的测点。在车辆前端和尾端布置一系列测点(编号分别以F1和F2开头)，距车身边缘均为500 mm，测量前、后车位的温度和辐射热流强度。

车辆前方的热电偶F1-1、F1-2和F1-3分别位于250 mm、1250 mm和1750 mm标高，辐射热流计F1-2H位于1250 mm标高。

车辆后部的热电偶F2-1、F2-2和F2-3分别位于250 mm、1250 mm和1750 mm标高，辐射热流计F2-2H位于1250 mm标高。

（6）车身上方的热电偶

在车身上方500 mm高度布置6个热电偶，见图6。其中热电偶E1-1、E1-2、E1-3和E1-4分别位于车身两侧4个窗口的投影中心位置的上方；E2-1和E2-2分别位于前后挡风玻璃的投影中心位置的上方，E2-3位于车顶天窗中心位置的上方。

2 试验过程

试验前对电池包进行正常充电，电池的荷电状态SOC=100%。静置1 h后，开始过充试验。过充功率始终保持在20 kW。

试验过程大致可分为4个阶段，整个火灾的发展和蔓延过程详见表1和图7。

表1试验过程中的现象及事件概况

试验过程中典型现象及事件的照片

（1）第一阶段：过充及点燃阶段

过充至约1 h 6 min 48 s时，有白烟从底盘溢出，并很快形成明火。

（2）第二阶段：初期蔓延阶段

出现明火后，火焰呈明显的喷射状态，最远喷射距离大于4 m。在随后的1~4 min时间内，相继引燃本车的4个轮胎及右侧相邻车位的2个轮胎。说明火灾已快速蔓延扩散至相邻车位。此时整车已发生了较为剧烈的燃烧。

（3）第三阶段：完全燃烧阶段

在1 h 10 min 58 s时(出现明火后约4 min)，后排右侧的玻璃破裂；在随后的1~4 min内，其他车窗玻璃相继破裂，此时车辆呈现完全燃烧状态。

（4）第四阶段：衰减阶段

车辆的燃烧速度很快，在约1 h 21 min时(出现明火后约14 min)，车辆的轮胎基本燃烧殆尽；在约1 h 40 min时(出现明火后约33 min)，火焰变得较微弱。

3 试验结果及分析

3.1　电池电压和电流的变化

过充过程中电池的电压和电流变化如图8所示，过充的功率恒定为20 kW。初始时的电池电压约为393 V，过充的电流约为50.7 A；随着电池电压的不断上升，过充电流逐渐下降。在约66.5 min时，电压出现明显下降，随后在67 min时电池出现热失控并着火。

电池的电压和电流的变化曲线

3.2　火灾热释放速率

火灾热释放速率和总热释放量的曲线见图9。从图中可见，在过充开始后约67 min，电池包热失控着火，火灾热释放速率迅速上升；在68 min 15 s时，火灾热释放速率达到峰值，约为8.0 MW，此时热释放速率的主要贡献来自电池包的喷射火。在68 min 30 s~70 min之间，随着喷射火焰的逐渐变小，热释放速率也从8.0 MW迅速下降至4.2 MW；随后在70~71 min，随着轮胎及内饰等车身可燃物相继被引燃，热释放速率又迅速增长至7.8 MW。在71~85 min之间，随着车身可燃物的不断烧损，热释放速率从7.8 MW逐渐下降至4.0 MW；在102 min后，热释放速率降至1.0 MW以下。整个试验过程中，热释放总量为8600 MJ。

火灾热释放速率和总热释放量

图10仅绘制了65~90 min之间的火灾热释放速率变化曲线，从图中可见，在火灾发展的初期，电池包形成的喷射火非常猛烈，火灾增长速率α约为0.98 kW/s2，远大于超快速火(0.1875 kW/s2)。

火灾增长速率的对比

3.3　温度数据

（1）电池包内部的温度

电池包内部的热电偶(A1~A6)温度数据如图11所示。在电池被引燃后(67 min)，电池包内的温度迅速上升，1 min内温度上升至约750 ℃，随后持续上升；在82 min后，电池包内部的最高温度上升至约1350 ℃，随后多个热电偶被损坏，数据出现异常。

电池包内部的温度

（2）底盘下方的温度

底盘下方的测点温度见图12。在电池着火后(约67 min)，从电池包中溢出的可燃气体在底盘下燃烧产生高温，导致底盘下方多个测点的温度迅速上升至峰值(约900~1000 ℃)，随后逐渐下降。在约80 min后，底盘下方的大多数温度(除B4外)基本降至650 ℃以下。B4的温度则出现第二次上升，并在约100 min时再次上升至约900 ℃。这主要是因为B4靠近前机舱，而前机舱内的设备在90 min后依然发生较剧烈的燃烧所致。

底盘下方的温度

（3）车身表面的温度

车身表面的温度见图13和图14。其中，图13为轮胎上沿的温度，从图中可见，在67~71 min之间，4个轮胎被电池包溢出的火焰迅速引燃。轮胎燃烧时最高温度约900~1000 ℃，D1-4的瞬时峰值甚至达到1080 ℃。

轮胎上沿的温度

车窗表面的温度

图14为各车窗表面的温度。从图中可见，从车窗溢出的火焰最高温度一般在700~900 ℃。天窗处的最高温度(D3-3)则可达到1150 ℃左右，高于从其他车窗溢出的火焰温度。车前挡玻璃位置的温度(D3-1)在70~94 min之间时，持续维持在800~900 ℃，这是因为车辆前方仪表盘及前舱区域的可燃物分布集中且数量较多，燃烧时间较长。

（4）车厢内部的温度

车厢内部的温度见图15和图16。图15为各座椅的温度，从图中可见，在约72 min时，座椅上方的温度(C1-1、C2-1、C3-1、C4-1和C5-1)均上升至400 ℃以上，说明车内可燃物被引燃，火势已蔓延至车厢内部；在约88 min时，车厢内的最高温度达到约1190 ℃。

各座椅表面的温度

车内其他位置的温度

图16为车厢内仪表盘上方(C6)、车内地板表面(C7~C9)、车辆前舱(C10)和后备厢(C11)的温度。

（5）车身周围的温度

车身周围的温度见图17。图17(a)和(b)分别为车辆左侧距车边缘0.5 m和1.0 m位置的温度，最高温度分别为500 ℃和200 ℃。图17(c)为车辆右侧距车边缘0.5 m的温度，由于右侧车位放置有轮胎，且轮胎在68~70 min时被引燃，因此R2-1和R2-2的最高温度分别达到约800 ℃、700 ℃。图17(d)为车辆前、后两端距车边缘0.5 m的温度，其中F1-1~F1-3位于车辆前方，受电池喷射火的影响，最高温度达到800~850 ℃；车后方F2-1~F2-3的最高温度约为150 ℃。

车身周围的温度

（6）车身上方的温度

车身上方0.5 m处的温度见图18。从图中可见，位于车顶部天窗玻璃投影上方的温度最高(E2-3)，峰值可达到约1050 ℃；前挡、主驾侧和副驾侧玻璃投影上方的温度峰值则可达700~900 ℃；尾厢玻璃投影上方的最高温度约为200 ℃。如果该着火车辆停放在立体车库内，着火后的高温很容易引燃上方车辆，导致火灾在竖向上的迅速传播。

车身上方0.5 m处的温度

3.4　车身的温度发展规律

通过综合多个位置的平均温度，图19揭示了车身各处的火灾发展规律。在67 min之前，由于过充的影响，仅电池包内的温度出现了升高(约80 ℃)；在67 min后，电池包内部、底盘下方、轮胎上沿的温度几乎同时迅速上升，这是电池包内溢出的可燃气体着火升温所致；在随后的2 min内略有下降，这说明从电池包内溢出的火势略有变小。在70 min后，底盘下方和轮胎上沿的温度出现第二次迅速上升，这说明底盘和轮胎位置的可燃物已被引燃，同时车窗玻璃表面的温度也出现迅速上升。在72 min后，车内座椅的平均温度迅速上升，并在约85 min时达到约1000 ℃的峰值。以上车身不同位置的温度发展规律，与表2中的试验现象相吻合。

车身不同位置的温度发展规律

3.5　辐射热流强度

车身周围的辐射热流强度值见图20。图20(a)和(b)分别为左侧距车边缘0.5 m和1.0 m位置的辐射热流强度。在左侧0.5 m处，除L1-1H在71 min瞬时上升至约85 kW/m2外，其他各位置的最大值为50~60 kW/m2；在左侧1.0 m处，各位置的最大值为30~35 kW/m2。

车身周围的辐射热流强度

图20(c)为右侧距车边缘0.5 m的辐射热流强度值，由于车辆右侧放置有轮胎且被引燃，因此在该侧的最大辐射热流强度值明显高于左侧。R1-1H的最大辐射热流强度瞬时可接近120 kW/m2；R3-1H和R3-2H的最大辐射热流强度值也达到60~80 kW/m2。

图20(d)为车前、后两端距车边缘0.5 m的辐射热流强度值。由于在热失控前期，电池包形成的喷射火主要集中在车头位置，车前方0.5 m处的最大辐射热流强度(F1-1H)瞬时可达到约62 kW/m2，车后方0.5 m处的最大辐射热流强度(F2-2H)约为15 kW/m2。

从以上数据可见，除去相邻车位轮胎着火导致的增量外，距着火车辆周围0.5 m处相邻车位的辐射热流强度为60~80 kW/m2，很容易引燃周围车辆的轮胎、翼子板或挡泥板等可燃物，导致火灾蔓延。即使在距着火车辆水平间距为1.0 m的位置，辐射热流强度也可达到30~35 kW/m2，位于该位置的车辆也可能被引燃。

4 结论

本工作对过充导致三元锂电池电动汽车着火及火灾蔓延的全过程开展了试验研究，结果表明：

（1）在过充导致三元锂电池发生热失控后，电动汽车的火灾发展和蔓延过程表现为：电池包热失控产生可燃气体迅速被引燃并形成喷射火焰，火焰迅速引燃底盘周围的可燃物、汽车轮胎，火势随后导致车窗玻璃相继破裂，引燃车厢内饰及座椅，整车发生剧烈燃烧。

（2）热失控初期，从电池包喷射的火焰非常猛烈，其喷射距离可达约4 m，着火车辆的火灾增长速率(α=0.98 kW/s2)远大于超快速火，火灾热释放速率的峰值约8.0 MW，随后热释放速率迅速下降至4.2 MW；随着轮胎及车辆的内饰相继被引燃，热释放速率又迅速增长至7.8 MW。

（3）距车辆外边缘0.5 m和1.0 m处的辐射热流强度峰值分别为60~80 kW/m2和30~35 kW/m2，该辐射强度可导致周围停靠的车辆着火，引发火灾向相邻车辆蔓延。

（4）对于立体车库而言，着火车身上方0.5 m处的温度为700~1050 ℃，很容易引燃上方的车辆，导致火灾在竖向上的传播。

综上，三元锂电池电动汽车在过充引燃工况下具有火势发展迅速、热释放速率峰值高的火灾燃烧特点，建议在设置电动汽车充电设施的车库内加强早期监测预警和探测报警设备(如增设安全充电监控系统和具备火灾图像识别功能的火灾自动报警系统等)，以便及时发现电池故障、缩短报警和响应时间，避免造成大规模的火灾蔓延。

通讯作者：彭磊（1980—），男，博士，研究方向为建筑防火设计、电动汽车消防安全技术及储能系统消防安全技术，E-mail： 11785912@qq.com。

第一作者：彭磊（1980—），男，博士，研究方向为建筑防火设计、电动汽车消防安全技术及储能系统消防安全技术，E-mail： 11785912@qq.com。

中图分类号：X 932； TM 912

文章编号：2095-4239（2025）04-1484-12

文献标识码：A

收稿日期：2024-09-24

修回日期：2024-10-14

出版日期：2025-04-28

网刊发布日期：2025-05-20

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