電動汽車充電站火災(zāi)防控探究

安科瑞 陳聰

摘要：我國汽車產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)銷量實(shí)現(xiàn)了多年的穩(wěn)定增長，新能源汽車發(fā)展態(tài)勢良好。由前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國電動汽車行業(yè)市場需求預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》研究顯示：在我國新能源汽車市場，電動汽車已經(jīng)占據(jù)了地位，面對近年來電動車火災(zāi)事故頻發(fā)的現(xiàn)實(shí)，其安全問題也日益凸顯，新能源車本身的安全問題和停放場所的安全問題，成為了我們研究的對象。

關(guān)鍵詞：電動汽車；電池?zé)崾Э?；火?zāi)及滅火；停車場

前言

電動汽車在行駛、撞擊、充電等多方面存在電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)，而停放場所電動車自然現(xiàn)象也常見報(bào)道。新能源汽車電池起火與傳統(tǒng)燃油車的滅火方式存在本質(zhì)上的不同，給滅火救援帶來困難，而且新能源汽車燃燒劇烈的程度和燃燒的危害程度超出了常規(guī)，因此，有效應(yīng)對電動汽車在熱失控引發(fā)導(dǎo)致的火災(zāi)問題，特別是停車充電場所新能源車爆燃安全問題更迫切需要得到重視。應(yīng)對室外電動汽車充電火災(zāi)，本文探討增設(shè)室外集中充電停車場所消防噴淋設(shè)施的措施。

一、電動汽車火災(zāi)特點(diǎn)

純電動汽車車輛結(jié)構(gòu)、動力來源和驅(qū)動方式與燃油汽車不同，動力電池包電壓高，能量密度大，高壓線束分布廣，事故突發(fā)性強(qiáng)，不可控性大，易引發(fā)除事故車本身之外的火災(zāi)、爆炸等連鎖反應(yīng)，火災(zāi)危險(xiǎn)性明顯高于傳統(tǒng)的燃油汽車。

電動汽車的電池起火快，易爆燃，一旦起火，一般都會火勢猛烈，燃燒持續(xù)時間長，而常規(guī)滅火器也很難撲滅。動力電池發(fā)生火災(zāi)，具有火點(diǎn)隱蔽難控和可燃?xì)怏w噴射火等多種燃燒形態(tài)，火勢蔓延迅速、火焰溫度高，火災(zāi)撲救技術(shù)要求高，這讓消防救援技術(shù)面臨新的考驗(yàn)。

電池火災(zāi)事故潛在危險(xiǎn)性大，燃燒產(chǎn)生大量有毒有害、易燃易爆氣體，伴隨觸電、爆炸、中毒、灼傷和腐蝕等危險(xiǎn)，安全防護(hù)要求高，警戒范圍大，導(dǎo)致現(xiàn)場處置風(fēng)險(xiǎn)很高。

新能源汽車發(fā)展迅速，傳統(tǒng)室外停車場安全設(shè)施不足，駕駛?cè)藛T對新能源車爆燃的特性認(rèn)識不足，停車場管理人員對它的安全應(yīng)急處置措施有限。

二、電動汽車起火的原因分析

1充電起火：電動汽車在充電時，電池內(nèi)部可能產(chǎn)生過多的熱量和氣體，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。這可能是由于充電器故障、電池故障、電路問題或使用不當(dāng)?shù)某潆娖鞯纫蛩匾鸬?。此外，使用低質(zhì)量的充電設(shè)備也會增加起火的風(fēng)險(xiǎn)。

2高溫起火：電池內(nèi)部溫度過高是引發(fā)火災(zāi)的一個新的因素。除了充電過度導(dǎo)致高溫引發(fā)爆燃外，過度放電、內(nèi)部短路或外部因素也是事故多發(fā)的原因。高溫的停放環(huán)境或長時間高強(qiáng)度行駛后，同樣會導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)失控，產(chǎn)生高熱量和可燃?xì)怏w，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。

3碰撞起火：當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時，電池可能會受到損壞，導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)失控，產(chǎn)生大量熱量和氣體，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。此外，碰撞還可能導(dǎo)致電池與其他部件短路，起火亦不可預(yù)測。

4電池?fù)p傷起火：電池在使用過程中可能會遭受撞擊、擠壓或損壞，這些情況會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路或電*直接接觸，它引發(fā)電池?zé)崾Э仉S時可能發(fā)生。

5電池老化起火：隨著電池使用時間的增加，電池會出現(xiàn)老化、膨脹、變形等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都會導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，使電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，充電起火占據(jù)電動汽車起火地位，在集中的停車充電場所，一臺電動汽車發(fā)生火災(zāi)后，可能引燃周邊其他車輛，這種連鎖反應(yīng)往往導(dǎo)致的災(zāi)害更加嚴(yán)重，所以關(guān)注停車充電場所的電動汽車火災(zāi)防控更具有現(xiàn)實(shí)意義。

三、電池?zé)崾Э氐奈：?/span>

目前，我國大部分電動汽車都采用鋰電池。在鋰離子電池發(fā)生熱失控時，會產(chǎn)生大量可燃和有毒氣體。根據(jù)國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的報(bào)告，有毒氣體主要包括一氧化碳（CO）、氧化氮（NO）、氟化氫（HF）、二氧化硫（SO2）、氯化氫（HCl）和氰化氫（HCN）。而易燃易爆氣體則包括氫氣（H2）和甲烷（CH4）等［1-3］。易燃易爆氣體的爆炸性很強(qiáng)，爆炸下限為4.83%，爆炸上限達(dá)到73.77%［1］。當(dāng)鋰離子電池發(fā)生熱失控時，除了產(chǎn)生熱量外，還會產(chǎn)生易燃易爆氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)部氣壓升高。一旦氣壓超過一定限度，電池表層就會破裂，并向外噴射氣體以釋放壓力。電動汽車火災(zāi)中會釋放大量有毒氣體，其中，氟化氫有毒氣體是鋰離子電動汽車燃燒與燃油汽車燃燒釋放氣體的區(qū)別［2］。然而，這種嚴(yán)重的污染對人的健康和環(huán)境的影響尚未納入專家的研究范圍。當(dāng)電池的放熱溫度較高時（研究表明熱失控電池內(nèi)部溫度可達(dá)1000℃），噴射出的氣體很容易被點(diǎn)燃，從而引發(fā)射流火現(xiàn)象。當(dāng)狹小空間內(nèi)存在多個電池時，單個電池的熱失控可能導(dǎo)致其他電池的溫度上升，進(jìn)而引發(fā)連鎖反應(yīng)。這種多米諾骨牌效應(yīng)會疊加能量，使燃燒迅速蔓延，人們應(yīng)對的時間非常有限。在國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)單片（單個電池模塊）或少量電池?zé)崾Э剡^程中的化學(xué)能與燃燒熱之和分別為其儲存電能的3～4倍。電池?zé)崾Э剡^程包括電池膨脹、射流火和穩(wěn)定燃燒等階段。在熱失控過程中，充電狀態(tài)（SOC）位100%時的電池火焰溫度可達(dá)1500℃，且高SOC的電池具有更高的火災(zāi)危險(xiǎn)性。高SOC的電池在相同熱源下具有更短的熱失控觸發(fā)時間和更劇烈的燃燒現(xiàn)象。面對新能源汽車一旦爆燃就無法解決的問題，事故車環(huán)境危害方面的研究相對有限。這些都給新能源車火災(zāi)事故時，空間換安全提出了更高的要求。

1. 現(xiàn)有滅火器對新能源車電池火災(zāi)作用有限

我國目前主流滅火器種類及使用要求如下：

1水基型滅火器：能迅速降低火場溫度，隔離氧氣來進(jìn)行滅火，適用于撲滅A類火災(zāi)。

2干粉式滅火器：主要通過化學(xué)來進(jìn)行滅火的，同時也可起到隔絕氧氣，進(jìn)而窒息滅火，適用撲救A類、B類、C類火災(zāi)。

3二氧化碳滅火器：二氧化碳滅火器一是窒息作用，二是冷卻作用，適用撲滅A類。

4潔凈氣體滅火器：潔凈氣體滅火器中的滅火劑與火焰接觸時發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，使燃燒中斷，適用于B類、C類火災(zāi)以及E類的初期火災(zāi)。結(jié)合新能源車熱失控機(jī)理，我們認(rèn)為，面對不需要氧氣參與的持續(xù)劇烈燃爆，目前這些滅火劑都不能有效阻止電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。事故發(fā)生后如何防止火災(zāi)的擴(kuò)大蔓延和有效止損才是我們應(yīng)該關(guān)注的問題。因此，對停車場所重新進(jìn)行安全設(shè)計(jì)與安全配置才是我們現(xiàn)在要做的工作。涉及到健康產(chǎn)品的企業(yè)更應(yīng)該積極參與研究。

1. 空曠場地上電動汽車電池?zé)崾Э氐某Ｒ?guī)操作

因?yàn)殡姵責(zé)崾Э卣麄€過程不需要氧氣，就能持續(xù)放熱及噴射易燃易爆氣體，造成目前*世界尚未找到有效的滅火劑；傳統(tǒng)上的滅火劑的滅火機(jī)理都是通過降溫、窒息（隔絕氧氣）、化學(xué)抑*等手段；常規(guī)的降溫也不能有效阻止電池?zé)崾Э爻掷m(xù)釋放能量。消防研究基金會進(jìn)行的燃燒試驗(yàn)表明，除非可充電電池被充分冷卻，熱失控過程被停止，否則，鋰離子電池*易發(fā)生復(fù)燃。對此，中國汽車工程學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE84-2018《電動汽車火災(zāi)事故救援規(guī)程》規(guī)定：當(dāng)高壓電池著火時應(yīng)使用大量、持續(xù)的水滅火。廣東省的《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)程》、河北省的《電動汽車充電站消防安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等多個地方標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定：滅火器宜采用水基型手提式滅火器；在充電基礎(chǔ)設(shè)施附近，宜增加配置滅火劑充裝量不小于60L的推車式水基型滅火器或推車式水噴霧滅火器。2022年3月12日至13日，清華合肥院聯(lián)合海南省消防救援總隊(duì)、安徽省消防救援總隊(duì)、中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室、合肥科大立安安全技術(shù)有限責(zé)任公司等單位，在合肥市開展了全尺寸電動汽車燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池艙需要大量冷卻液冷卻防止復(fù)燃［3］。

特斯拉的應(yīng)急救援手冊中對電動汽車電池火災(zāi)作出明確規(guī)定：如果高電壓電池在火災(zāi)中彎曲、扭曲、損壞，滅火時消防用水要有足夠的量。常規(guī)滅火劑可熄滅電池的明火，但目前并沒有一種適用于所有外部環(huán)境、電池狀態(tài)，以及電池材料的滅火劑［4］。研究表明，水仍然是目前有效的抑制劑，可以撲滅火焰并冷卻電池。在未來，更多的電動汽車和充電站也應(yīng)該具備更好的消防系統(tǒng)。

1. 室外充電場所安裝自動噴水滅火系統(tǒng)的可行性

電池?zé)崾Э匦碌膽?yīng)對措施未研發(fā)出來前，采用持續(xù)水降溫是個阻止電池?zé)崾Э胤啪徎蛲Ｖ拱l(fā)生的有效辦法。因此，改造傳統(tǒng)停車場所，適應(yīng)新能源車安全的新型停車場所應(yīng)該是我們亟待解決的問題。在設(shè)備配置上，對地上電動汽車集中停放充電場所安裝自動噴水系統(tǒng)，持續(xù)用水對起火電動汽車降溫阻止電池?zé)崾Э胤啪徎蛲Ｖ故强尚械模彩墙?jīng)濟(jì)有效的。當(dāng)室外電動汽車停車充電場所安裝了消防自動噴水系統(tǒng)時，當(dāng)充電汽車起火時，通過感煙或感溫探測器的信號反饋，噴頭開啟并開始自動噴水滅火。自動噴水系統(tǒng)在電動汽車熱失控火災(zāi)時能夠體現(xiàn)多方面的優(yōu)勢：一是滅火時不需要大量人員就可自動持續(xù)完成滅火任務(wù)，從根本上提高了滅火效率；二是滅火迅速，電池?zé)崾Э貢r，提前有效控制火災(zāi)擴(kuò)大蔓延，避免損失進(jìn)一步擴(kuò)大，降低了環(huán)境污染；三是不存在救援人員的觸電、中毒、灼傷等一系列安全風(fēng)險(xiǎn)；四是滅火可不需要專業(yè)的消防隊(duì)伍支援，節(jié)約了人力物力資源。

七、安科瑞智慧消防云平臺

1平臺概述

安科瑞智慧消防云平臺依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(yùn)行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和預(yù)警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(cái)產(chǎn)安全，打造“安全、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(jì)價(jià)值。

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組網(wǎng)架構(gòu)

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由終端感知設(shè)備、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和能效管理平臺層三個部分組成，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

4參考選型

5相關(guān)產(chǎn)品介紹

5.1 7KW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(hù)的功能，如運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電計(jì)量與計(jì)費(fèi)以及充電過程的聯(lián)動控制等。

（2）智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能，可將計(jì)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(yùn)營平臺。

（3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等。

（4）保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)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(biāo)充電接口，適配所有符合GB/T 20234.2-2015國標(biāo)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(xiǎn)承保，充分保障設(shè)備、車輛、人員的安全。

5.2 直流充電樁系列

5.3電氣火災(zāi)探測器ARCM300-Z

5.4限流式保護(hù)器ASCP200

產(chǎn)品功能：

（1）短路保護(hù)：保護(hù)器實(shí)時監(jiān)測用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號；

（2）過載保護(hù)：當(dāng)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(hù)器啟動限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號；

（3）表內(nèi)超溫保護(hù)：當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護(hù)器實(shí)施超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號；

（4）組網(wǎng)通訊：保護(hù)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6平臺功能

6.1 登錄

6.2首頁

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

6.3實(shí)時監(jiān)控

（1）充電站監(jiān)控

可以按站點(diǎn)名稱進(jìn)行篩選，顯示站點(diǎn)詳情、充電槍列表、統(tǒng)計(jì)訂單信息、故障記錄，點(diǎn)擊某個充電槍編號后在進(jìn)入充電槍監(jiān)控頁面實(shí)時監(jiān)測變壓器負(fù)荷（搭配ACM300T、ADW300），當(dāng)負(fù)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(dāng)變壓器負(fù)荷超過80%時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。如圖所示：

統(tǒng)計(jì)當(dāng)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(jìn)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(hù)器的狀態(tài)，包括線路中的剩余電流、溫度及異常報(bào)警，如圖所示：

6.4 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(dāng)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(dāng)前待處理的故障信息。如圖所示：

6.5能耗分析

在能耗分析中，可查看時段關(guān)聯(lián)站點(diǎn)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：

6.6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：

6.7財(cái)務(wù)報(bào)表

在財(cái)務(wù)報(bào)表中，可根據(jù)時間查看關(guān)聯(lián)站點(diǎn)的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。如圖所示：

6.8收益查詢

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

7案例實(shí)景

八、結(jié)語

室外停車充電場所電池?zé)崾Э卦缙诂F(xiàn)場人員可用干粉滅火器進(jìn)行應(yīng)急噴灑撲救，一旦電池發(fā)生熱失控，車上及周邊人員應(yīng)盡快撤離起火災(zāi)車輛現(xiàn)場，確保人身安全。室外集中停車充電場所電動汽車電池?zé)崾Э睾?，室外充電場所使用消防噴淋系統(tǒng)對起火電動汽車持續(xù)進(jìn)行冷卻，可以防止火災(zāi)蔓延擴(kuò)大，且是目前可行和有效的措施。

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