淺談新能源汽車火災(zāi)事故原因分析及措施

安科瑞 陳聰

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(yīng)放熱特性受到了廣泛關(guān)注,越來越多的新能源汽車火災(zāi)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(zāi)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(zāi)可采取的幾點撲救措施,為應(yīng)急救接工作的開展提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;火災(zāi);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(yīng)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(zāi)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(zāi)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),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(zāi)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(zāi)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)進行,鋰離子又與電解液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),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(dǎo)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(dǎo)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(zāi)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(zāi)事故多的車型。因過度充電、放電是導(dǎo)致新能源火災(zāi)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(yīng)針對不同情況采取相應(yīng)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(zāi)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(zāi)防治特點。

2.4.1火災(zāi)發(fā)生難預(yù)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(dǎo)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(dǎo)致電池組內(nèi)部短路,產(chǎn)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)，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(yù)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*燃氣體，導(dǎo)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(zāi)時，容易對周邊環(huán)境和人員造成嚴重危害。

2.4.3火災(zāi)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(zāi)發(fā)生時可能導(dǎo)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(dǎo)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(zāi)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(dǎo)致電池復(fù)燃。試驗發(fā)現(xiàn)處理新能源車輛火災(zāi)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(zāi)事故。因此應(yīng)對新能源車輛火災(zāi)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(yù)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(zāi)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(wù)”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(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)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(luò)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(luò)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(zāi)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(luò)通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)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(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)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(yīng)用。

多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電氣火災(zāi)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(wù)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(luò)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(wù)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(fù)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(yīng)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(zāi)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，可查時段關(guān)聯(lián)站點和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對應(yīng)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(wù)報表

在財務(wù)報表中，可根據(jù)時間查看關(guān)聯(lián)站點的財務(wù)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(zāi)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(zāi)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(xué)保養(yǎng)等，以便新能源汽車在發(fā)生安全故障提醒及火災(zāi)事故時，能夠及時預(yù)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(zāi)事故的發(fā)生概率。

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