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在我國發展態勢良好。但隨著新能源汽車的大規模普及,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注,越來越多的新能源汽車火災事故也出現在大眾視野,該類事故給消防救援部門帶來了一系列新挑戰。本文主要根據新能源汽車結構,深入分析了新能源汽車火災事故發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。
關鍵詞：新能源汽車;火災;撲救措施
0、引言
經過近幾年的“節能減排",世界各國已經達成了一個共識,那就是汽車新能源化是全球汽車發展的方向。據不統計，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生，引起了社會的持續關注，也對消防應急管理和新能源汽車行業的發展提出了巨大的挑戰。面對這些事故繼續沿用傳統燃油汽車火災的撲救經驗已經無法滿足實際需要。相反，如果循規蹈矩，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,或主要依靠新型能源驅動的汽車。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生的熱量遠大于散發的熱量,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生。電池熱失控可以分為三個階段:一階段———電池內部熱失控階段。在這一階段,電池由于內部短路產生大量熱量,各類離子和枝晶沉積在電解液中導致電池內阻增大,產熱進一步增加,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生化學反應,直至隔膜分解,此時電池短路,電池內部溫度急劇上升。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。由于電池內部電解液的分解產生大量易燃易爆氣體,讓電池體積不斷膨脹,壓力不斷上升,到達臨界點隨之發生爆炸
2.2鋰電池熱失控原因分析
內部產熱和外部濫用是電池熱失控的兩大觸發原因。
2.2.1外部濫用引發
一般情況下,由外部濫用引發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生形變或不同位置發生相對位移造成電池內部短路。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境溫度過高或溫度控制系統失效所導致。局部過熱是發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展而來,環環相扣,但終結果都是發生了熱失控。
2.2.2內部產熱引發
內部短路廣義上指由于各種原因導致電池正負極直接接觸的現象,根據接觸的面積不同,所造成的后果不同。若電池正負極接觸面積小,由內短路產生的熱量也較小,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,電池內部殘余電解液逐漸增加,電池內阻減小,由內短路產生的熱量逐漸增加,引發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
根據相關統計資料,純電動車型是發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。可見新能源汽車在靜置、行駛、充電狀態下均可能發生熱失控起火事故(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別于傳統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火災發生難預測
新能源汽車鋰電池的熱失控事故，按發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生形變，從而短路發生熱失控，燃燒甚至爆炸,這類事故往往發生的速度快,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部短路,產生緩慢的化學反應，且無法被汽車熱管理系統檢測，當超過臨界溫度即發生熱失控，這類事故往往發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，電池內溫度迅速升高。有相關部門通過實際測試，鋰電池內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生火災時，容易對周邊環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汽車間大的區別是新能源汽車的鋰電池燃燒會額外產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,一旦發生燃燒,也會產生大量有毒有害氣體,這些物質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，一些車型的驅動電壓高達500V以上，火災發生時可能導致高壓電線裸露、接地,使車身帶電或在現場一定范圍內形成跨步電壓,若處理不當,更容易引起電池內部短路，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火災持續時間長
由于鋰電池燃燒特性,在明火被撲滅后,電池內部仍可能持續升溫導致電池復燃。試驗發現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網、云計算、互聯網、大數據、AI等技術，對充電站配電系統的運行、電能消耗、電能質量、充電安全和行為安全進行實時監控和預警，為充電站的可靠、安全、經濟運行提供保障，并及時切除安全隱患、避免電氣火災發生，從而保障人員的生命財產安全，打造“安全、高效、舒適、綠色"的“人—車—樁—電網—互聯網—多種增值業務"的智慧充電站，提升充電站的社會和經濟價值。
3.2適用場合
可廣泛應用于醫院、學校、酒店、體育場等公共建筑；商業廣場、產業園等綜合園區；企業、住宅小區等場所。
3.3系統結構
平臺采用分層分布式結構，主要由感知層、網絡層和平臺層三個部分組成，詳細拓撲結構如下：
現場設備層：連接于網絡中的各類傳感器，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。
網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。
平臺管理層：包含應用服務器和數據服務器，完成對現場所有智能設備的數據交換，可在PC端或移動端實現實時監測充電站配電系統運行狀態、充電樁的工作狀態、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通4G通訊模組與平臺直接通訊。
電能質量分析儀表、煙霧傳感器和測溫裝置通過RS485，攝像頭通過RJ45與智能網關通訊，再由智能網關通訊通過4G統一與平臺通訊。
限流式保護器既可以通過4G連接平臺，也可以通過RS485連接網關。
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網的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。
3.4相關產品介紹
3.4.17KW交流充電樁AEV-AC007D
產品功能
1）智能監測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能，如運行狀態監測、故障狀態監測、充電計量與計費以及充電過程的聯動控制等。
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絡運營平臺。
3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現實時監控，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）材質可靠：保證長期使用并抵御復雜天氣環境。
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）資產安全：產品全部由中國平安保險承保，充分保障設備、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
名稱 | 圖片 | 功能 |
電氣火災監控裝置 |
| 三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），視在電能、四象限電能計算，單回路剩余電流監測，4路溫度監測，2路繼電器輸出，2路開關量輸入，事件記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，1路獨立RS485/Modbus通訊，支持4G/NB等多種無線上傳方案，支持斷電報警上傳功能。 |
3.4.4限流式保護器ASCP200
產品功能：
1）短路保護：保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號；
2）過載保護：當線路電流過載且持續時間超過動作時間（3~60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號；
3）表內超溫保護：當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發出聲光報警信號；
4）組網通訊：保護器具有1路RS485接口，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。
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，統計充電站的充電數據
3.5.2實時監控
1）充電站監控
可以按站點名稱進行篩選，顯示站點詳情、充電槍列表、統計訂單信息、故障記錄，點擊某個充電槍編號后在進入充電槍監控頁面實時監測變壓器負荷（搭配ACM300T、ADW300），當負荷超過50%時，系統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：
統計當前充電站各充電樁回路的數據；通過卡片的形式展現充電樁的數據；顯示故障列表；如圖所示：
2）充電樁監控
顯示充電樁充電數據；顯示各回路的充電狀態；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）設備監控
顯示限流式保護器的狀態，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聯的所有故障信息。如圖所示：
2）故障派發
故障派發中記錄了當前待派發的故障信息。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，可查看時段關聯站點和關聯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，可查看相關時間內的故障數、故障狀態、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，可根據時間查看關聯站點的財務數據。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、結語
綜上所述，要降低新能源汽車火災事故的概率，需要根據新能源汽車的內部結構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品質量安全，實現智能車載監控系統與智慧消防監管平臺的信息共享，完善制定更加嚴格的安全標準和規范，細化充電樁的設置要求和強化充電樁消防安全管理，規范用車和科學保養等，以便新能源汽車在發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生概率。
參考文獻：
王賢剛.新能源汽車火災原因及其滅火救援對策[J].消防界(電子版)
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岳雄飛.新能源汽車火災的滅火戰略戰術研究
劉斌.關于新能源汽車自動滅火系統的研究
安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版.
王珂.新能源汽車火災事故原因分析及撲救措施簡析
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