电动自行车充电车棚火灾防控技术研究

董海斌^1,2,3,张德华^1,2,3,马建琴^1,2,3,盛彦锋^1,2,3,羡学磊^1,2,3,洪清泉⁴,沈旭钊⁴

（1.应急管理部天津消防研究所，天津300381；2.工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室，天津300381；3.天津市消防安全技术重点实验室，天津300381；4.国安达股份有限公司，福建厦门361023）

摘要：本文针对电动自行车充电车棚车辆起火问题，研发了专用型水系泡沫喷淋灭火系统，并开展实体火灾试验。测试电动自行车在3种工况下的火灾温度，包括正常停放中起火、交界域处停放起火以及强风和喷头堵塞工况下起火，验证了水系泡沫喷淋灭火系统扑救电动自行车火灾的可靠性，获取了喷头工作压力、车棚顶部及车身温度、车辆周围热流密度等关键参数，为电动自行车充电车棚的防火设计和标准制定提供技术支撑。

关键词：电动自行车；充电车棚；锂离子电池；喷淋系统；火灾防控

基金项目：应急管理部消防救援局科技计划项目（2022XFCX26）

据统计，截至2023年，我国已拥有超过3.5亿辆电动自行车。电动自行车给大众带来便利的同时，也引发了多起火灾事故和其他社会问题。近年来因电动自行车引发的火灾案例较多，小火亡人事故时有发生。作为电动自行车停放、充电的车棚，火灾事故也经常发生，人员伤亡和财产损失逐年递增，已经引起社会各界的高度关注。2019年，应急管理部、公安部、工信部等5部委联合发文，鼓励在居民小区建造电动自行车集中充电设施和场所，以降低电动自行车火灾亡人事故。本文根据当前电动自行车火灾频发的现实问题，紧盯“停放”“充电”状态下电动自行车发生火灾的特性，从消防安全角度入手，研究充电车棚中电动自行车火灾蔓延特性和火灾防控技术，研发具有针对性的灭火系统，以解决充电车棚内电动自行车火灾易蔓延、扑救难度大的技术难题。

锂离子电池作为电动自行车的主要动力源，其在过热、过充或穿刺等情况下，易发生热失控，释放大量易燃易爆烟气，并伴有明火产生。电池起火燃烧火焰大多呈喷射状态，持续时间长，扑灭难度大。车棚内一旦有电动自行车起火燃烧，火焰在较短时间内便会蔓延到相邻车辆，引起更大的火灾。冬季时车辆上还安装有风挡、手套等棉织物，电池火灾会引燃棉织物形成叠加火灾，火灾荷载大，蔓延速度快，即使电池外部明火被扑灭，其内部热失控反应仍难以中断，极易发生复燃。另外，电动自行车棚内车辆停放杂乱、数量多、停车间距小。在带有充电插座的车棚内，还有车辆处于充电状态。且电动自行车棚大多依墙而建，只搭建棚顶，且为非封闭状态。一旦发生火灾，强风等外界条件会助力火灾蔓延速度，给火灾扑救带来更大困难。

目前，已有研究主要从实体火试验和数值模拟，2个方面展开。如李泽弘等利用数值模拟分析了电动自行车火灾亡人的原因，得到高温和一氧化碳中毒是导致亡人的主要原因。陈胜朋等利用FDS对楼梯井内电动车的火灾进行数值模拟，发现在烟囱效应下，火势的发展和蔓延迅速，楼梯间最高温度超过1000℃。韩子忠等在废弃住宅楼内开展了电动自行车实体火试验，并进行数值模拟，结果表明，电动自行车火灾发展迅速且升温快，产生的大量烟气沿楼梯向上迅速蔓延，热烟气温度最高达到660℃。LI L M等在高层住宅内对电动自行车火灾开展了全尺寸试验研究，并进行了数值模拟分析，结果表明，6辆电动自行车同时发生火灾时的最大热释放速率约为1.6 MW，一层楼梯处CO的最高体积分数为242×10-6。周钰喆通过监测电池热失控过程中的温度、电压、特征气体等，确定电池热失控故障，并联动热气溶胶进行火灾扑救。

本文以充电车棚内电动自行车火灾为研究对象，通过搭建实体火灾试验模型，深入分析电动自行车在不同环境条件下发生热失控后的火灾蔓延规律，验证水系泡沫喷淋灭火系统对车棚内电动自行车火灾防控及抑制的效果。

1 试验设置

1.1 电动自行车及电池模组

试验车辆为常规电动自行车，电池为方形锰酸锂电池模组，电池电压和容量为48 V/12 Ah，模组由13个相同的电池单体串联组成，如图1所示。试验时，电动自行车摆放间距为0.5 m。

图1 试验锂离子电池

1.2 带喷淋系统的电动自行车棚

模拟电动自行车棚包含2个防护区平顶形大棚，车棚长度和宽度分别为12 m和2.2 m，棚顶距地面2.3 m，车棚分为2个保护区，每个保护区长度6 m，如图2所示。

图2 电动自行车棚

车棚顶部布置2段DN25的喷淋管道，每段管道均匀布置4只雾化喷头，保护一个区域的自行车。喷头间距为1.5 m，每只喷头保护3~4辆电动自行车。喷头有1个直径为5.6 mm的喷孔，K=13，喷头及管路见图3和图4。

图3 雾化喷头

图4 管道、喷头布置图（单位：mm）

泡沫喷淋系统设有水箱和泡沫灭火剂储存箱，动作时泡沫和水通过比例混合器混合，混合比例为1%，主要技术参数见表1。

表1 喷淋系统主要技术参数

1.3 数据采集装置

1.3.1 温度

在电动自行车不同部位及车棚顶部设置热电偶，测量不同位置的温度。过充起火的电动自行车电池模组2侧边各布置1支热电偶（K1、K2），过充起火车辆相邻的两台车辆电池模组内各布置1支热电偶（K3、K4，靠近起火车辆一侧），起火车辆相邻两侧车辆的座椅侧边（靠近起火车辆一侧）各布置2支热电偶（K5~K8），共计布置8支热电偶。以过充起火车辆为中心，在车棚内顶部按3×3布置热电偶矩阵。热电偶布置间距为800 mm，共计布置9支热电偶。热电偶布置如图5所示。

图5 试验热电偶布置图

1.3.2 热流密度

在3个位置布置6支热流计，分别位于起火车辆车头前方2 m、车辆后方2 m和5 m处，每处布置2支热流计，布置高度分别为1 m和2 m，如图6所示。

图6 热流计布置

1.3.3 管路压力

喷射管路末端安装压力传感器，采集灭火剂喷射过程中的管路压力。压力传感器量程为0~1.6 MPa，精度为0.2%FS。

2 工况设计及试验结果

2.1 工况设计

电动自行车充电车棚火情发展蔓延较复杂，各种不确定因素会增大喷淋系统火灾防控难度。如电动自行车发生火灾时遇到强风助长火灾蔓延速度、喷淋头受异物堵塞影响灭火剂喷洒效果、两个防护区交界域处电动自行车起火燃烧等不利情况，对喷淋系统扑灭电动自行车火灾产生较大的影响。本文根据实际使用中出现的不利情况，搭建多工况条件下的实体火灾试验，探究电动自行车火灾蔓延特性及喷淋系统扑灭火灾的关键设计方法。

分析电动自行车火灾原因发现，大部分是因过充引起电池热失控，故本试验采用过充方式触发电动自行车锂离子电池发生热失控，并通过人工引燃。根据灭火剂抑制车辆火灾火势和蔓延情况，起火车辆自身发生燃烧可能蔓延至相邻车辆，当相邻第1辆车燃烧并引燃其他车辆时，说明灭火剂抑制失效。以此为依据，设定灭火系统成功抑制电动自行车火灾的判定依据为：车辆燃烧2 min后，启动灭火系统喷洒灭火剂，火灾未蔓延至与目标车辆相邻的第2辆车。据此设定试验工况，见表2。

表2 试验工况

2.2 正常喷射下车棚内电动自行车火灾防控试验

根据电动自行车正常使用工况，按照图7布置试验。通过过充触发电池发生热失控，当电池安全阀开启并大量冒烟后，通过预设在电池上部的点火源人工引燃可燃烟气并使其起火燃烧，车辆燃烧至设定时间后，手动启动灭火系统喷洒灭火剂。

图7 试验布置示意图

防护区域内共放置15辆电动自行车，诱发起火区域放置8辆电动自行车，未起火区域放置7辆电动自行车，试验过程如图8所示。

图8 正常条件下喷淋系统扑灭电动自行车火灾过程

从充电开始至电池安全阀打开冒烟的时间为1 804 s，当烟气量增大和引燃电池燃烧2 min，手动启动灭火系统喷射灭火剂。试验过程中采集到喷头的喷射压力为0.36 MPa。初始时电动自行车火势发展猛烈，火焰高度和蔓延范围较大。灭火剂喷射21 s后火势得到有效抑制，部分位置仍有遮挡火不能被扑灭；灭火剂喷射8 min后所有起火点均被扑灭；为保证灭火的有效性，灭火系统延续喷射灭火剂10 min，火灾未蔓延至相邻第2辆电动自行车，未引发相邻电动自行车起火。

电池被引燃起火后温度快速增长，发生火灾过程中电池最大温度为700℃，右边车辆电池最高温度达到850℃。右边车辆测温点温度升高主要受外部风力影响。电动自行车电池及车身温度如图9所示，车棚顶温度变化如图10所示。

图9 电动自行车电池及车身位置温度

图10 顶棚温度

由图10可知，热失控车辆顶棚正上部K13号测温点温度最高达到280℃，温度高于250℃的持续时间大于50 s，较容易引燃一般的易燃材料。因此，电动自行车棚顶部应选用难燃或不燃材料。分析顶棚温度发现，顶棚温度持续高于75℃时，表明自行车已确定发生火灾且燃烧已经进入发展阶段。

喷头压力是保证喷头喷射流量和喷射半径的关键参数，也是保证灭火系统有效抑制火灾的关键因素。试验中灭火系统启动后持续喷放灭火剂10 min，喷头喷射压力达到0.36 MPa，该压力下灭火剂可以实现有效抑制火灾的目的，压力变化见图11。

图11 管路末端压力

试验过程中的热流密度变化见图12。试验过程中，当起火电动自行车诱发相邻车辆起火后，1199 s时R2处热流密度达到最大，为5.1 kW/m2，其他位置处的热流密度未超过1.2 kW/m2。较高的热流密度会产生较高的辐射热，若在电动自行车周围放置易燃物质，电动自行车燃烧的辐射热会引发易燃物质起火燃烧，造成更大的火灾危害。系统启动喷射灭火剂后，热流密度整体出现下降趋势。

图12 热流密度

2.3 防护区交界域处电动自行车火灾防控试验

防护区交界域处车辆停放环境相对复杂，该区域电动自行车发生热失控后涉及喷淋系统对两个区域喷洒灭火剂的逻辑关系和火灾的抑制效果。考虑到实际应用中的最不利情况，引燃交界域处停放的目标车辆并在左右相邻车辆上均加装风挡等棉织物，增大火灾载荷，试验布置如图13所示。

图13 试验布置示意图

区域内共放置18辆电动自行车，左右区域各放置9辆电动自行车，其中左边区域一辆车置于2个交界域位置，通过过充诱发目标车辆起火，试验过程如图14所示。

图14 喷淋系统扑灭交界域电动自行车火灾过程

从充电开始至806 s时，电池安全阀开启并冒烟，人工引燃车辆起火后，火灾蔓延至相邻车辆起火燃烧。因起火车辆处于防护区交界域，从逻辑关系上设定灭火系统对两个区域同时喷洒灭火剂抑制火灾，这样才能保证灭火可靠性。2个区域同时喷射灭火剂时，由于喷头数量增多，喷头压力会影响喷洒灭火剂的效果，试验主要验证在低压力下喷射灭火剂能否有效抑制火灾。车辆燃烧至938 s时，启动灭火系统，灭火系统按预设逻辑对2个防护区同时喷洒灭火剂，从喷洒效果观察，发现喷头数量增多后，单个喷头灭火剂喷射流量明显减小，灭火剂喷射37 s后车辆火灾火势明显减小，火灾未蔓延至相邻第2辆车，证明喷头喷洒灭火剂流量虽然减小，但随着喷射时间增加，灭火剂也能有效抑制火灾。灭火剂喷射10 min后停止试验。试验时，电动自行车电池及车身温度如图15所示，车棚顶温度如图16所示。

图15 电动自行车电池及车身位置温度

图16 顶棚温度

电池起火燃烧至909 s时K1达到最大值729.33℃，燃烧至927 s时K2达到最大值896.38℃。其余位置在燃烧过程中温度虽然升高，但均未超过194.95℃。938 s灭火系统启动喷射灭火剂后，测点温度快速下降，1050 s各点温度下降至150℃以下，电池未出现复燃。

由于目标车辆相邻车辆上加装了风挡等棉织物，目标车辆起火后很快引燃相邻车辆的风挡棉织物，风挡被引燃后火焰高度快速增长，到达车棚顶棚，灭火系统启动前938 s时，顶棚各点温度均达到最大，其中K16和K17的温度接近240℃，其余各点温度最大值均大于90℃，温度大于90℃的持续时间大于200 s。

因目标起火车辆处于2个防护区交界域处，逻辑设定2个区域喷头同时喷射灭火剂。试验过程中2个区域共有8个喷头同时喷射灭火剂，采集喷头压力为0.13 MPa，灭火剂持续喷射时间为598 s，见图17。试验证明，2个区域同时喷射灭火剂时，灭火剂喷射时间仍需维持10 min，才能保证灭火的可靠性。喷头压力虽然由单区域工况的0.36 MPa下降为0.13 MPa，流量减小，但喷头喷射半径变化不大，喷洒的灭火剂能完全覆盖保护区域。

图17 管路末端压力

806 s触发电动自行车起火后，火势快速增长并诱发相邻车辆起火，火焰高度增长较快，热流密度快速增长，上部热流密度较大，925 s时R3处的热流密度达到最大值1.1 kW/m2。除R3外，R2和R4处的热流密度值较大。938 s灭火系统启动喷射灭火剂后，热流密度快速下降。热流密度变化如图18所示。

图18 热流密度

2.4 强风+喷头堵塞条件下火灾防控试验

电动自行车发生火灾时，强风及被保护车辆正上方喷头被堵塞的情况，会增大喷淋系统灭火的难度。在距离车棚水平5.5 m、垂直2.3 m处设置一台风机模拟强风，风机风向正对起火目标车辆。试验风机布置如图19所示。

图19 风机布置位置 单位：mm

试验过程如图20所示。

图20 喷头堵塞条件下喷淋系统扑灭电动自行车火灾过程

从充电开始至731 s时电池安全阀开启并冒烟，740 s时通过点火源点燃目标车辆起火燃烧，816 s时启动风扇向车棚鼓风。待过充车辆起火燃烧并诱发相邻车辆燃烧2 min后，启动灭火系统，891 s时火势得到有效控制，916 s时相邻车辆火势得到有效控制，1 516 s时灭火系统停止喷射，灭火剂喷射时间为628 s。

试验过程中虽有外部强风，但喷头仍能克服风力影响定向喷洒灭火剂。由于目标起火车辆顶部喷头堵塞，无法向起火车辆喷射灭火剂，但相邻喷头喷射的灭火剂能到达起火车辆处，通过流淌、在棉织物上渗透等作用，可以实现有效抑制火灾且未引发相邻第2辆车起火，为确保灭火的可靠性，灭火剂的喷射时间不少于10 min。

起火车辆电池温度在风扇开启后快速升高，886 s时K1温度754.33℃，K2温度639.44℃，K3温度325.38℃，K5温度达到最大，1 023.91℃，K6温度888.84℃，K7温度683.05℃，这些测温点温度较未施加风扇时高。一方面是因为电池火灾与棉织物火灾叠加耦合使温度升高，另一方面强风作用助长了火势，提升了采集点处的温度。车身温度变化见图21。

图21 电动自行车电池及车身位置温度

车辆顶棚处温度变化见图22。风扇启动后，车辆顶棚处各采集点的温度开始快速升高，888 s时K17的温度达到最大，269.19℃，比未施加强风工况下的温度高，说明强风作用提高了顶棚处的温度。

图22 顶棚温度

由于1只喷头被堵塞，灭火剂喷射过程中喷头压力升高至0.5 MPa（正常为0.36 MPa），见图23，增大了喷头的喷射流量和灭火剂的冲量，使灭火剂能克服外部强风影响到达车辆部位，不会被强风吹散到其他位置。

图23 管路末端压力

当起火电动自行车诱发另一辆自行车起火后，881 s时R3处热流密度达到最大，2.51 kW/m2，见图24。对比分析，此次试验中热流密度比未施加强风工况下大。因此，需要综合考虑强风工况下火灾辐射热量引发周围易燃物的风险。

图24 热流密度

3 结论

本文针对电动自行车充电车棚车辆起火蔓延问题，搭建了充电车棚实体火灾试验模型，分别开展电动自行车在正常停放中起火、在防火分区交界域处起火以及在强风和喷头堵塞工况下叠加耦合起火等不同工况下的灭火试验，验证了水系泡沫喷淋灭火系统在不同工况下扑救电动自行车火灾的可靠性，获取了不同工况下灭火系统动作过程中喷头工作压力范围、车棚顶部最高温度、灭火剂有效供给时间、车辆周围热流密度、火灾防控判定准则等关键灭火技术参数、工程布置方法和灭火可靠评价准则，得出的主要结论如下。

1）正常工况下车辆起火燃烧时，若灭火系统能有效抑制火灾，喷头的工作压力不应小于0.36 MPa，灭火剂持续供给时间不少于10 min，火灾燃烧过程中最大热流密度为5.1 kW/m2，因此不宜在车辆周围放置易燃物。灭火系统成功抑制火灾的判定依据为车辆燃烧2 min后，启动灭火系统喷洒灭火剂，火灾不能蔓延扩散至与目标车辆相邻的第2辆车。

2）正常使用工况下喷淋系统喷射灭火剂时喷头压力为0.36 MPa，两个区域喷头同时喷射灭火剂时，喷头压力为0.13 MPa，单个防护区内一个喷头被堵塞，喷头压力为0.5 MPa。因此，要保证灭火系统能可靠抑制车辆火灾，喷头压力应控制在0.13~0.50 MPa范围内。灭火系统设计的关键是在不同压力下，喷头喷射的灭火剂能全部覆盖被保护电动自行车。

3）车棚下电动自行车起火后，顶棚处的最高温度达到280℃，温度高于250℃的持续时间不少于50 s，因此顶棚应采用阻燃或难燃材料。

作者简介：董海斌，应急管理部天津消防研究所研究员，主要从事固定灭火和新能源锂离子电池火灾防控技术研究，天津市西青区富兴路2号，300380，donghaibin@tfri.com.cn。

来源：消防科学与技术

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/GnSIDmG4BhIRXLY7LFiDfA