淺析新能源汽車火災(zāi)風(fēng)險及安全對策分析

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了引起社會對新能源汽車火災(zāi)問題和風(fēng)險的廣泛關(guān)注，結(jié)合火災(zāi)的實(shí)際情況在簡要介紹新能源汽車概念和發(fā)展的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了以鋰電池為主的新能源汽車火災(zāi)成因，系統(tǒng)地提出了關(guān)于防范新能源汽車火災(zāi)的安全對策，以期為新能源汽車火災(zāi)防范應(yīng)對措施的制定提供借鑒和參考，對未來新能源汽車安全生產(chǎn)和使用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；火災(zāi)調(diào)查；火災(zāi)風(fēng)險；鋰電池；安全對策

1新能源汽車的概念和火災(zāi)風(fēng)險

由于石油等資源的能源危機(jī)和傳統(tǒng)汽車工業(yè)帶來的環(huán)境污染問題，發(fā)展新能源汽車已成為全球主要經(jīng)濟(jì)體共識。當(dāng)前我國得益于現(xiàn)代高科技進(jìn)步和新能源戰(zhàn)略布局，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到前suo未有的發(fā)展，擁有廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿1]。

新能源汽車是指“采用新型動力系統(tǒng)，wan全或者主要依靠新能源驅(qū)動的汽車，包括插電式混動力（含增程式）汽車、純電動汽車和燃料電池汽車等"[2]。一般來說，新能源汽車分為純電動汽車、混合動力電動汽車、燃?xì)馄?、燃燒電池電動汽車和生物燃燒汽車等類型[3]。通過查詢中國汽車協(xié)會相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國在2016—2018年間的新能源汽車銷量分別占全球汽車銷量的65.47%，49.03%，62.23%。2018年，我國新能源汽車的銷售量達(dá)到了125.6萬輛，既是全球大的新能源汽車消費(fèi)國，又是全球大的新能源汽車制造國。伴隨著我國新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車動力電池也得到了前suo未有的增長和應(yīng)用。從當(dāng)前我國新能源汽車市場來看，動力電池從制作原料不同主要分為7種[4]：磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈦酸鋰電池、三元材料電池、多元復(fù)合電池、鎳氫電池、超級電容器。

通過《新能源汽車藍(lán)皮書：中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2017）》中發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)整理而成的2017年我國動力電池總配套量表（見表1）可看出，鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域廣，總配套量占據(jù)了市場動力電池總配套量的80%以上，是主要的新能源汽車動力電池。

表1 2017年我國動力電池總配套量

新能源汽車的普及給人們帶來的便利，但伴隨而來的動力電池（以鋰電池為主）引發(fā)的火災(zāi)已成為產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)和亟須正視的安全問題。在我國，根據(jù)不完quan數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，新能源汽車起火引發(fā)的事故在2017—2018年超過60起，2019年超過70起[5-6]，2020—2022年更是呈猛烈上升趨勢。

2新能源汽車火災(zāi)成因及隱患分析

由于近些年來頻發(fā)的以鋰電池為主要動力的新能源汽車安全和火災(zāi)事故，不制了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且危害了人們的生命財產(chǎn)安全，因此對新能源汽車及其動力鋰電池安全性問題的研究十分有必要。在進(jìn)行新能源汽車火災(zāi)風(fēng)險隱患分析之前，對新能源汽車主體結(jié)構(gòu)和鋰電池原理構(gòu)造的了解和認(rèn)識是重要前提和基礎(chǔ)。

新能源汽車主要指以鋰電池為動力源的純電動汽車，其主要由電源控制系統(tǒng)、電力驅(qū)動系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成[7]，具體見圖1。

鋰電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液（電解質(zhì)和有機(jī)溶劑結(jié)合）組成，正負(fù)兩極浸潤在電解液中，Li+以電解質(zhì)為介質(zhì)從而在正負(fù)兩極之間運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程[8]。并且，為了避免正負(fù)極通過電解液發(fā)生短路問題，生產(chǎn)時需要用隔膜將鋰電池的正負(fù)兩極進(jìn)行分隔。具體來說，鋰電池的工作原理見圖2[9]，在充放電過程中，Li+在兩個正負(fù)電極之間往返嵌入和脫嵌；充電時，Li+從正極脫嵌，并經(jīng)過非水電解質(zhì)嵌入到負(fù)極中，而使負(fù)極處于富Li+狀態(tài)，放電時過程剛好相反。通過對鋰電池的原理和構(gòu)造分析可以看出，鋰電池的高能量儲存與釋放都是在一個狹小的空間內(nèi)完成。為了提高鋰電池的單位儲能效應(yīng)，鋰電池研發(fā)和生產(chǎn)商們都會盡可能得壓縮鋰離子的傳送空間（即隔膜）。因此通常提高鋰離子電池效能的直接方法就是減少隔膜的厚度，從而使電池內(nèi)Li+的狹小空間愈發(fā)狹小。但愈發(fā)薄的隔膜會增加正負(fù)兩極直接接觸從而造成短路的風(fēng)險，從而更易造成短路引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，這就是人們通常所說的“熱失控"。此外，鋰電池除正常充放電電化學(xué)反應(yīng)之外，存在的一些副反應(yīng)也會產(chǎn)熱[10]。

2.1汽車鋰電池火災(zāi)危害性

雖然鋰電池具備一系列良好的使用性能和優(yōu)勢，并且在新能源汽車行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但同時也存在燃燒和爆炸的風(fēng)險。由鋰電池引發(fā)的汽車火災(zāi)表現(xiàn)出顯著的氣體火特征，主要為C類預(yù)混火[11]。汽車鋰電池火災(zāi)通常具有以下區(qū)別于一般火災(zāi)的特點(diǎn)和危害。

1）燃燒速度快，鋰電池火災(zāi)容易造成蔓延。

2）鋰電池燃燒爆炸會產(chǎn)生可燃有害氣體，毒性大。

3）燃燒爆炸產(chǎn)生的火焰噴射距離遠(yuǎn)，常伴內(nèi)溶物的飛出和濺射，加大了起火爆炸的危害度。

4）鋰電池的燃燒熱值大，滅火難，存在復(fù)燃風(fēng)險。

5）汽車鋰電池起火，對周邊物體易造成較大的危害并存在爆炸風(fēng)險。

2.2汽車鋰電池火災(zāi)風(fēng)險因素分析

新能源汽車上使用的鋰電池都是通過串并聯(lián)成組工作，如果單個電池組發(fā)生熱失控后，局部釋放產(chǎn)生的能量就會向周圍擴(kuò)散傳播，可能引起周圍電池的熱失控，數(shù)千顆電芯間連鎖反應(yīng)，容易造成電池組的全面起火爆炸，釋放出巨大的能量。因此在極duan情況下，鋰電池的一個小故障就很有可能造成大災(zāi)難。造成鋰電池?zé)崾Э氐囊蛩乜煞譃閮?nèi)外部因素，內(nèi)部因素主要有電池本身存在制造缺陷和工藝不足；外部因素主要有機(jī)械濫用、高溫?zé)釠_擊、短路、過充電等[12]。更詳細(xì)來說，造成新能源汽車鋰電池起火燃燒爆炸的原因可分為4種[13]：電池過充電、外部短路、內(nèi)部短路、機(jī)械碰撞。

總結(jié)來說，由鋰電池引發(fā)的汽車火災(zāi)安全隱患問題主要原因就是鋰電池本身存在的產(chǎn)品質(zhì)量問題和工藝缺陷。

3安全對策

面對著日益增長的新能源汽車火災(zāi)事故，如何降低火災(zāi)風(fēng)險，提高新能源汽車安全使用率成為當(dāng)下亟須解決的重要問題。而且，工業(yè)和信息化部、發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部、財政部聯(lián)合發(fā)布的《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》里也提出：“大幅提升產(chǎn)品安全和質(zhì)量水平"的基本原則，“產(chǎn)品設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成滿足功能安全要求，實(shí)現(xiàn)全生命周期的安全生產(chǎn)和使用"的主要目標(biāo)，“提升產(chǎn)品質(zhì)量安全水平"的重點(diǎn)任務(wù)。因此，筆者立足國內(nèi)新能源汽車火災(zāi)隱患現(xiàn)狀并結(jié)合國外應(yīng)對新能源汽車消防安全的措施，提出解決我國新能源汽車火災(zāi)風(fēng)險的安全對策。

3.1方面

1）管理部門，出臺更為科學(xué)嚴(yán)格的鋰電池生產(chǎn)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定新能源汽車安全生產(chǎn)的準(zhǔn)入門檻，提高安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化對新能源汽車從生產(chǎn)到使用再到報廢的閉環(huán)式管理。盡快出臺新能源汽車更為細(xì)致的規(guī)范和法律條文，讓企業(yè)、消費(fèi)者、執(zhí)法部門等做到有規(guī)可循、有法可依。

2）消防部門，制定科學(xué)有效的滅火方案。新能源汽車火災(zāi)具有特殊危害性，有針對性地進(jìn)行現(xiàn)場指揮和處理，科學(xué)開展滅火救援行動，并重點(diǎn)做好以下4個方面的工作：一是了解災(zāi)情，規(guī)避風(fēng)險；二是疏散人群，防止毒害；三是科學(xué)選擇滅火劑，防止復(fù)燃；四是做好善后工作，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

3.2企業(yè)方面

新能源汽車的安全問題，預(yù)防為先。提升新能源汽車的鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量安全，是預(yù)防新能源汽車火災(zāi)的基石。

1）設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化鋰電池設(shè)計(jì)，保障鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量。企業(yè)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)，在改善鋰電池材料和優(yōu)化內(nèi)部性能的同時，將安全、可靠、穩(wěn)定的理念融入其中。

2）生產(chǎn)階段，嚴(yán)控鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量。企業(yè)是鋰電池和新能源汽車的一道“守護(hù)門"，不可盲目追求利潤而忽視產(chǎn)品質(zhì)量安全。

3）銷售階段，可與地方經(jīng)銷商合作，做好對消費(fèi)者關(guān)于新能源汽車安全使用的認(rèn)知、宣傳和培訓(xùn)。

4）售后階段，企業(yè)可與消費(fèi)者、維護(hù)商家進(jìn)行合作，定期為新能源汽車及其電池進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)，提醒消費(fèi)者定期做安全檢查，保障新能源汽車安全使用。

3.3消費(fèi)者方面

一是安全規(guī)范使用新能源汽車；二是注意車輛保養(yǎng)和日常維護(hù)；三是培養(yǎng)安全防范意識。

4、安科瑞AcrelCloud-9000充電站運(yùn)營平臺

4.1平臺概述

安科瑞充電站運(yùn)營平臺依托物聯(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(jì)價值。

4.2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。

4.3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(xì)拓?fù)浣Y(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(hù)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測充電站配電系統(tǒng)運(yùn)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(hù)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(hù)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(jī)APP查看各處的運(yùn)行情況。

4.4相關(guān)產(chǎn)品介紹

4.4.17KW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(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，財務(wù)報表分析等等。

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/T20234.2-2015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承保，充分保障設(shè)備、車輛、人員的安全。

4.4.2直流充電樁系列

4.4.3電氣火災(zāi)探測器ARCM300-Z

4.4.4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。

4.5平臺功能

4.5.1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)

4.5.2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(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：

4.5.4能耗分析

在能耗分析中，可查看指ding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：

4.5.5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：

4.5.6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(diǎn)的財務(wù)數(shù)據(jù)。如圖所示：

4.5.7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)際收益報表。如圖所示：

5結(jié)束語

隨著我國對新能源汽車行業(yè)的戰(zhàn)略布局和人們?nèi)找嬖鲩L的綠色出行需求，新能源汽車正朝著高質(zhì)量、高效率和高產(chǎn)量的方向快速發(fā)展。新能源汽車的大規(guī)模普及對人們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生了巨大影響，伴隨而來的安全問題不容忽視。確保新能源汽車安全使用、防范新能源汽車火災(zāi)風(fēng)險將成為汽車行業(yè)和消防安全領(lǐng)域的一個重要話題和熱點(diǎn)?？茖W(xué)分析新能源汽車火災(zāi)風(fēng)險，加強(qiáng)新能源汽車火災(zāi)安全對策分析，對促進(jìn)新能源汽車高質(zhì)量發(fā)展、保障人民生命和財產(chǎn)安全和構(gòu)建新時代中國特色社會主義和諧社會有著重要意義。

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作者簡介：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。