淺談新能源汽車火災事故原因分析及措施

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：近年來,我國多項新能源汽車支持政策的出臺使得新能源汽車行業(yè)在我國發(fā)展態(tài)勢良好。但隨著新能源汽車的大規(guī)模普及,動力電池具有的不可避免的自反應放熱特性受到了廣泛關(guān)注,越來越多的新能源汽車火災事故也出現(xiàn)在大眾視野,該類事故給消防救援部門帶來了一系列新挑戰(zhàn)。本文主要根據(jù)新能源汽車結(jié)構(gòu),深入分析了新能源汽車火災事故發(fā)生的原因及事故特點,并有針對性地提出了新能源汽車火災可采取的幾點撲救措施,為應急救接工作的開展提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;火災;撲救措施

0、引言

經(jīng)過近幾年的“節(jié)能減排",世界各國已經(jīng)達成了一個共識,那就是汽車新能源化是全球汽車發(fā)展的方向。據(jù)不統(tǒng)計，我國2021年新能源汽車銷量達到298.9萬輛,同比增長169.1%。隨著我國新能源汽車銷量快速增長,保有量不斷提高,新能源汽車自燃、爆炸等安全事故頻頻發(fā)生，引起了社會的持續(xù)關(guān)注，也對消防應急管理和新能源汽車行業(yè)的發(fā)展提出了巨大的挑戰(zhàn)。面對這些事故繼續(xù)沿用傳統(tǒng)燃油汽車火災的撲救經(jīng)驗已經(jīng)無法滿足實際需要。相反，如果循規(guī)蹈矩，無異于“火上澆油",甚至還可能讓人員生命受到威脅。因此，加強新能源汽車火災防控及撲救對策研究是很有必要的。

1、新能源汽車動力源

新能源汽車是指采用新型動力系統(tǒng),或主要依靠新型能源驅(qū)動的汽車。目前我國主流的新能源汽車類型主要包括:純電動車、插電混合動力汽車和燃料電池汽車。新能源汽車主要以鋰電池作為動力源。按照正極材料不同分類,鋰電池主要分為:磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰,其特性如表1所示。

2、新能源汽車火災事故原因分析

2.1鋰電池熱失控

鋰電池熱失控是新能源汽車火災事故的主要原因。鋰電池熱失控是指由于各種原因使電池產(chǎn)生的熱量遠大于散發(fā)的熱量,導致熱量大量堆積從而引起電池燃燒甚至爆炸,同時伴有大量有害氣體產(chǎn)生。電池熱失控可以分為三個階段:一階段———電池內(nèi)部熱失控階段。在這一階段,電池由于內(nèi)部短路產(chǎn)生大量熱量,各類離子和枝晶沉積在電解液中導致電池內(nèi)阻增大,產(chǎn)熱進一步增加,直至SEI膜分解。隨著SEI膜的分解反應進行,鋰離子又與電解液產(chǎn)生化學反應,直至隔膜分解,此時電池短路,電池內(nèi)部溫度急劇上升。二階段———電池鼓包階段。該階段是電池熱失控的拐點階段,主要由于正極材料、粘結(jié)劑、電解液都在這一階段分解。三階段———電池熱失控,爆炸失效階段。由于電池內(nèi)部電解液的分解產(chǎn)生大量易燃易爆氣體,讓電池體積不斷膨脹,壓力不斷上升,到達臨界點隨之發(fā)生爆炸

2.2鋰電池熱失控原因分析

內(nèi)部產(chǎn)熱和外部濫用是電池熱失控的兩大觸發(fā)原因。

2.2.1外部濫用引發(fā)

一般情況下,由外部濫用引發(fā)鋰電池熱失控的原因有三個,分別為機械濫用、電濫用、熱濫用。機械濫用是指鋰電池單體或電池組由于受到碰撞、擠壓、穿刺等外力作用下產(chǎn)生形變或不同位置發(fā)生相對位移造成電池內(nèi)部短路。電濫用一般包括外短路、過充、過放幾種形式,其中過充電易導致鋰電池熱失控。熱濫用一般由于外部環(huán)境溫度過高或溫度控制系統(tǒng)失效所導致。局部過熱是發(fā)生在電池組中典型的熱濫用情況。以上三種外部濫用形式很少獨立存在,都是由其中某一種形式發(fā)展而來,環(huán)環(huán)相扣,但終結(jié)果都是發(fā)生了熱失控。

2.2.2內(nèi)部產(chǎn)熱引發(fā)

內(nèi)部短路廣義上指由于各種原因?qū)е码姵卣摌O直接接觸的現(xiàn)象,根據(jù)接觸的面積不同,所造成的后果不同。若電池正負極接觸面積小,由內(nèi)短路產(chǎn)生的熱量也較小,對電池的熱失控幾乎沒有影響,這種情況常見于電池的制造瑕疵、老化等,但隨著時間的推移,電池內(nèi)部殘余電解液逐漸增加,電池內(nèi)阻減小,由內(nèi)短路產(chǎn)生的熱量逐漸增加,引發(fā)熱失控的風險則會大大提升。

2.3新能源汽車火災事故類型分析

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料,純電動車型是發(fā)生新能源火災事故多的車型。因過度充電、放電是導致新能源火災事故的一誘因,占總事故一半以上,其次為碰撞后和行駛中的自燃?？梢娦履茉雌囋陟o置、行駛、充電狀態(tài)下均可能發(fā)生熱失控起火事故(見表2)。因此消防人員在處理事故時應針對不同情況采取相應措施,從而能夠快速處理事故,爭取救援時間。

2.4新能源汽車火災事故特點

鋰電池是新能源汽車區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車的重要標志，同時也為人們帶來了新的火災防治特點。

2.4.1火災發(fā)生難預測

新能源汽車鋰電池的熱失控事故，按發(fā)生時間大致分為兩類,一是電池組受到碰撞、擠壓、穿刺等外力作用導致電池產(chǎn)生形變，從而短路發(fā)生熱失控，燃燒甚至爆炸,這類事故往往發(fā)生的速度快,危害性高。二是由于車輛浸水、過充或電池老化導致電池組內(nèi)部短路,產(chǎn)生緩慢的化學反應，且無法被汽車熱管理系統(tǒng)檢測，當超過臨界溫度即發(fā)生熱失控，這類事故往往發(fā)生在車輛行駛中或靜置時,難以被預測。

2.4.2火勢蔓延快、燃燒溫度高

新能源汽車鋰電池出現(xiàn)熱失控后，會在燃燒過程中釋放大量的，導致火勢快速蔓延，電池內(nèi)溫度迅速升高。有相關(guān)部門通過實際測試，鋰電池內(nèi)部燃燒溫度高能達到1000℃以上，遠遠超過普通汽油、柴油燃燒時的溫度。鋰電池在燃燒過程中會產(chǎn)生大量可燃混合物并向周圍噴濺,噴射火焰的遠距離可以達到6m。因此當鋰電池電動汽車發(fā)生火災時，容易對周邊環(huán)境和人員造成嚴重危害。

2.4.3火災有害氣體多

汽車在燃燒過程中會產(chǎn)生大量有毒氣體,如一氧化碳、二氧化硫等,但新能源汽車與傳統(tǒng)汽車間大的區(qū)別是新能源汽車的鋰電池燃燒會額外產(chǎn)生氟化氫等多種有毒氣體,另外由于新能源汽車特性,搭載的電子元器件較多,一旦發(fā)生燃燒,也會產(chǎn)生大量有毒有害氣體,這些物質(zhì)均有不同程度的毒性,吸人會危害救援人員的身體健康。

2.4.4觸電風險大

新能源汽車一般配備了高電壓大容量電池組，一些車型的驅(qū)動電壓高達500V以上，火災發(fā)生時可能導致高壓電線裸露、接地,使車身帶電或在現(xiàn)場一定范圍內(nèi)形成跨步電壓,若處理不當,更容易引起電池內(nèi)部短路，不但會導致火勢進一步加重，還有可能對消防救援人員造成電擊傷害。

2.4.5火災持續(xù)時間長

由于鋰電池燃燒特性,在明火被撲滅后,電池內(nèi)部仍可能持續(xù)升溫導致電池復燃。試驗發(fā)現(xiàn)處理新能源車輛火災事故所需的總用水量和所需時間都明顯大于傳統(tǒng)燃油車輛火災事故。因此應對新能源車輛火災事故對于消防人員的體力和裝備指揮調(diào)度提出了更嚴苛的要求。

3、安科瑞AcrelCloud-9000充電站運營平臺

3.1平臺概述

安科瑞充電站運營平臺依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，對充電站配電系統(tǒng)的運行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進行實時監(jiān)控和預警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟運行提供保障，并及時切除安全隱患、避免電氣火災發(fā)生，從而保障人員的生命財產(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色"的“人—車—樁—電網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)—多種增值業(yè)務"的智慧充電站，提升充電站的社會和經(jīng)濟價值。

3.2適用場合

可廣泛應用于醫(yī)院、學校、酒店、體育場等公共建筑；商業(yè)廣場、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場所。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由感知層、網(wǎng)絡層和平臺層三個部分組成，詳細拓撲結(jié)構(gòu)如下：

現(xiàn)場設(shè)備層：連接于網(wǎng)絡中的各類傳感器，包括多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電能質(zhì)量分析儀表、電氣火災探測器、限流式保護器、煙霧傳感器、測溫裝置、智能插座、攝像頭等。

網(wǎng)絡通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡交換機等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，完成對現(xiàn)場所有智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，可在PC端或移動端實現(xiàn)實時監(jiān)測充電站配電系統(tǒng)運行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過程及人員行為，并完成微信、支付寶在線支付等應用。

多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電氣火災探測器、限流式保護器、智能插座可通過全網(wǎng)通4G通訊模組與平臺直接通訊。

電能質(zhì)量分析儀表、煙霧傳感器和測溫裝置通過RS485，攝像頭通過RJ45與智能網(wǎng)關(guān)通訊，再由智能網(wǎng)關(guān)通訊通過4G統(tǒng)一與平臺通訊。

限流式保護器既可以通過4G連接平臺，也可以通過RS485連接網(wǎng)關(guān)。

平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能聯(lián)網(wǎng)的地方，通過有權(quán)限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

3.4相關(guān)產(chǎn)品介紹

3.4.17KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)品功能

1）智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能，如運行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電計量與計費以及充電過程的聯(lián)動控制等。

2）智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能，可將計量信息通過RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡運營平臺。

3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，財務報表分析等等。

4）保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能。

5）材質(zhì)可靠：保證長期使用并抵御復雜天氣環(huán)境。

6）適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國標的電動汽車，適應不同車型的不同功率。

7）資產(chǎn)安全：產(chǎn)品全部由中國平安保險承保，充分保障設(shè)備、車輛、人員的安全。

3.4.2直流充電樁系列

3.4.3電氣火災探測器ARCM300-Z

3.4.4限流式保護器ASCP200

產(chǎn)品功能：

1）短路保護：保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

2）過載保護：當線路電流過載且持續(xù)時間超過動作時間（3~60秒可設(shè)）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

3）表內(nèi)超溫保護：當保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

4）組網(wǎng)通訊：保護器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3.5平臺功能

3.5.1首頁

平臺首頁顯示充電站的位置及在線情況，統(tǒng)計充電站的充電數(shù)據(jù)

3.5.2實時監(jiān)控

1）充電站監(jiān)控

可以按站點名稱進行篩選，顯示站點詳情、充電槍列表、統(tǒng)計訂單信息、故障記錄，點擊某個充電槍編號后在進入充電槍監(jiān)控頁面實時監(jiān)測變壓器負荷（搭配ACM300T、ADW300），當負荷超過50%時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為50%，當變壓器負荷超過80%時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。如圖所示：

統(tǒng)計當前充電站各充電樁回路的數(shù)據(jù)；通過卡片的形式展現(xiàn)充電樁的數(shù)據(jù)；顯示故障列表；如圖所示：

2）充電樁監(jiān)控

顯示充電樁充電數(shù)據(jù)；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對充電中的回路進行手動終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設(shè)備監(jiān)控

顯示限流式保護器的狀態(tài)，包括線路中的剩余電流、溫度及異常報警，如圖所示：

4.5.3故障管理

1）故障查詢

故障查詢中記錄了登錄用戶相關(guān)聯(lián)的所有故障信息。如圖所示：

2）故障派發(fā)

故障派發(fā)中記錄了當前待派發(fā)的故障信息。如圖所示：

3）故障處理

故障處理中記錄了當前待處理的故障信息。如圖所示：

3.5.4能耗分析

在能耗分析中，可查看時段關(guān)聯(lián)站點和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對應的能耗趨勢圖。如圖所示：

3.5.5故障分析

在故障分析中，可查看相關(guān)時間內(nèi)的故障數(shù)、故障狀態(tài)、故障類型、趨勢分析以及故障列表。如圖所示：

3.5.6財務報表

在財務報表中，可根據(jù)時間查看關(guān)聯(lián)站點的財務數(shù)據(jù)。如圖所示：

3.5.7收益查詢

在收益查詢中，可查看總的收益統(tǒng)計、收益變化曲線圖、支付占比餅圖以及實際收益報表。如圖所示：

4、結(jié)語

綜上所述，要降低新能源汽車火災事故的概率，需要根據(jù)新能源汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力電池的火災特點，采取多樣化的防控措施，如提升新能源汽車的產(chǎn)品質(zhì)量安全，實現(xiàn)智能車載監(jiān)控系統(tǒng)與智慧消防監(jiān)管平臺的信息共享，完善制定更加嚴格的安全標準和規(guī)范，細化充電樁的設(shè)置要求和強化充電樁消防安全管理，規(guī)范用車和科學保養(yǎng)等，以便新能源汽車在發(fā)生安全故障提醒及火災事故時，能夠及時預警，方便車主或廠家提前介入，有針對性地進行高效處置，大限度地減少新能源車汽車火災事故的發(fā)生概率。

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