純電動汽車安全風險分析及滅火救援處置技術研究

牛小寧 牛高志

摘 要：我國能源結(jié)構(gòu)存在富煤、貧油、少氣的特點，為切實推動可持續(xù)發(fā)展理念，構(gòu)建人類命運共同體，我國“十四五規(guī)劃”明確提出能源轉(zhuǎn)型“減煤、降油、增氣、加新”的發(fā)展路徑，并宣布了2030年達到“碳達峰”2060年達到“碳中和”的目標。截止2022年初，我國新能源車保有量約800萬輛，其中純電動車保有量就有約660萬輛，占新能源汽車的82.5%。本文將介紹純電動新能源汽車的結(jié)構(gòu)特點及事故風險點，結(jié)合消防實戰(zhàn)經(jīng)驗，針對純電動汽車不同事故風險總結(jié)相應的處置措施。

關鍵詞：純電動汽車 結(jié)構(gòu)特點 事故風險點 電池包 處置措施

近年來，為減少環(huán)境污染，我國大力研發(fā)新能源汽車并出臺許多政策來進行扶持。產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴大。新能源汽車是指采用非常規(guī)燃料作為動力來源，綜合車輛動力控制和驅(qū)動方面的先進技術，形成技術原理先進，具有新結(jié)構(gòu)的汽車。以其動力供應方式的不同可分為：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、燃氣汽車、超級電容汽車、空氣混合動力汽車、氫動力汽車、太陽能汽車等等，其中純電動汽車的發(fā)展與應用最為廣泛。

1 純電動汽車結(jié)構(gòu)特點

純電動汽車是指驅(qū)動能量完全由電能提供、由電機驅(qū)動的電動汽車，英文縮寫為EV（Electric Vehicle）或BEV（Battery Electric Vehicle）。純電動汽車的三大核心技術為“電池、電機和電控”。

1.1 動力電池

動力電池是純電動汽車的儲能裝置，其原理是利用化學反應發(fā)電。經(jīng)漫長的探索與研究發(fā)現(xiàn)，鋰金屬氧化物能夠較好地實現(xiàn)能量儲存和釋放過程中的化學穩(wěn)定性，即電池充放電的長期性和安全性，因此我國車企使用的動力電池正極材料多為磷酸鐵鋰和三元鋰，負極通常選擇石墨或其他碳材料作為活性物質(zhì)，這樣既能很好的承載能量，又相對穩(wěn)定，還能豐富的儲能，便于大規(guī)模制造。充電時在外加電場的影響下，正極材料含鋰的過渡金屬氧化物（LiTMO2 ）分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子（Li＋），在電場力的作用下，從正極移動到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學反應，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩(wěn)定”的嵌入到負極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負極的鋰離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。放電時內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子（Li＋）從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子（LiCoO2），從負極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的鋰離子越多，這個電池可以釋放的能量就越多。

車用電池結(jié)構(gòu)特點是以正負極活性物、電解質(zhì)、隔離膜三者組成最基本的鋰離子電池既電芯，當多個電芯被同一個外殼框架封裝在一起進行串、并聯(lián)就形成電池模組，例如，一個電池模組使用四個單體串聯(lián)提供名義上的12V的電壓，或者多個單體并聯(lián)提供更大的容量。并聯(lián)的電池組要求每個電池電壓相同，輸出的電壓等于一個電池的電壓，并聯(lián)電池組能提供更強的電流。串聯(lián)電池組沒有過多的要求，只要保證電池的容量差不多即可，串聯(lián)電池組可以提供較高的電壓。電池模組一般集成在汽車底盤形成整體電池包。如圖1所示為某車企底盤式方形電池模組電池包，其單組能量能達到24.5KW/h。

1.2 驅(qū)動電機

驅(qū)動電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能或者將機械能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，它是一種利用通電線圈（定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場形成磁電動力旋轉(zhuǎn)扭矩，通過高壓配電箱將動力電池的電流分配進來利用DC/AC逆變器升壓或降壓進入電機，驅(qū)動汽車的四個輪子實現(xiàn)車輛的行進。

1.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是控制動力電源與電機之間能量傳輸?shù)难b置，同時其也能控制電流到達汽車的每一項控制單元，例如，現(xiàn)大部分車企都將電控系統(tǒng)做成多合一的集成控制器，其優(yōu)點是可將整車控制器包括電機控制器、變速箱控制器、電池管理系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向油泵、制動氣泵甚至是空調(diào)控制器、加熱（冷卻）系統(tǒng)等多項控制單元全部集中為整塊電控系統(tǒng)，方便電能隨時輸出，操作車輛所有的控制單元。

1.4 電池充放電系統(tǒng)

充電過程中，380伏高壓充電樁或220伏市用電源通過車輛充電口輸電給高壓配電箱，經(jīng)應急開關后對動力電池進行充電。整個充電過程電池管理系統(tǒng)（BMS）對動力電池的溫度及電壓進行監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部單體溫度或電壓過高，即發(fā)出預警并切斷配電箱給動力電池輸電。

放電過程，動力電池在電池管理系統(tǒng)和漏電保護器的監(jiān)控下，通過應急開關輸電給高壓配電箱，配電箱根據(jù)實際用電情況分配電量，一部分電量流向電機控制器，用于驅(qū)動車輛行駛；一部分電量流向DC/DC變換器和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)等控制器。

2 純電動汽車事故風險點

2.1 行業(yè)風險

一是因缺少頂層設計規(guī)范，不同車企、不同批次、不同品牌的設備其本質(zhì)安全性和結(jié)構(gòu)布局差異較大，尤其是高壓集成設備、電池熱管理系統(tǒng)功能性差異明顯，其低配、簡配車輛安全性較差。二是很多車企為減輕整車重量，節(jié)省空間，保證續(xù)航，整車質(zhì)量越來越輕。隨著鋰電池的廣泛應用，許多車企為使能量密度與空間的最大化，紛紛將傳統(tǒng)弱電系統(tǒng)中的12V、24V鉛酸電池替換成小型鋰電池，加大了電池熱失控起火爆炸的風險。三是不同車企的鋰電池封裝方式各不一樣，常見的有圓柱形電池、軟包電池、方形電池、刀片電池等等，其安全性能也互不相同。例如：圓柱形電池排氣泄壓口設計較小，有極高的爆炸風險，電池容量較小，電池芯組裝時通常適用密集排列，易造成整體熱失控，傷害高，但其成本較低，加工工藝成熟，標準化程度較高，因此受到廣大車企青睞；軟包電池采用鋁塑膜軟殼包裝，質(zhì)量較輕，但其封裝環(huán)節(jié)較難控制，易發(fā)生鼓脹等問題，使得產(chǎn)品一致性較差，出現(xiàn)極端情況時容易被穿刺，自我保護性能較低；方形電池目前是國內(nèi)主流封閉電池形式，安全組件較為完善，包含有NSD針刺安全裝置、OSD過充保護裝置、防爆裝置等安全結(jié)構(gòu)。殼體通常為金屬鋁制外殼，相對于上述兩種電池形式，方形電池擁有更高的空間利用率，電池單體體積和容量也明顯優(yōu)于其他電池形式，但并不是說就沒有解體爆炸的可能，加上金屬外殼在爆炸的能量驅(qū)動下，造成的彈片傷害更高，單體電池爆炸后的金屬外殼碎片飛濺更易導致鄰近電池短路或產(chǎn)生穿刺引發(fā)鏈鎖熱失控反應，目前部分企業(yè)已開始研發(fā)采用塑封殼進一步降低爆炸風險及危害；刀片電池是目前國內(nèi)實驗狀態(tài)下相對最為安全的電池，采用將電芯扁長化設計，來進一步改進電池包集成效率的技術。它不是某一個特定尺寸的電芯，而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列電芯，正負極設置在刀片兩端，兩端都有防爆閥。相對于已有方形鋁殼電芯方案，這個電芯最明顯的優(yōu)勢在于散熱效果好，難點在于整個電芯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、內(nèi)阻、注液等，尤其是結(jié)構(gòu)強度方面，電芯需要依靠自身來實現(xiàn)支撐。針刺實驗過程中，刀片電池幾乎不會發(fā)生熱失控，穿刺位置沒有火花、煙霧或電解液噴出，電池電壓下降和表面溫度上升都非常輕微，其缺點在于刀片電池所有電芯是通過結(jié)構(gòu)膠固定在一起，意味著后期其中一個電芯壞了，維修時無法拆開單獨處理，只能通過整包更換，維修成本較高。

2.2 鋰電池風險

由于鋰金屬化學性質(zhì)非常活潑，其性能非常適合做電池，但其風險也很高，由于存在鋰金屬負極，遇水會劇烈反應，生成氫氣等易燃易爆氣體對于存儲、運輸環(huán)節(jié)要求較高。尤其是密閉場所，如發(fā)生事故，極易發(fā)生爆炸，形式上與金屬火災相似。為實現(xiàn)較好的充放電過程，需要活性物質(zhì)來做電池的正負極，正負極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)有序、可控的化學反應。不穩(wěn)定的結(jié)果就是能量劇烈釋放，化學能將變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，其沖擊力巨大且不可逆。

2.2 高壓線路和設備漏電風險

純電動汽車的高壓設備主要有直流高壓和交流高壓兩種，直流高壓主要集中在驅(qū)動系統(tǒng)和電池系統(tǒng)，電壓通常能達到300-350V，個別品牌車輛能高達800V；交流高壓主要分布在逆變器（AC/DC雙向轉(zhuǎn)換器）與驅(qū)動電機、空調(diào)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)之間以及充電接口與車載充電器之間。電池系統(tǒng)與充電期間高壓電為持續(xù)存在，車輛運行期間逆變器、高壓導線、壓縮機和加熱器等設備也存在高壓風險，換言之，車輛行駛過程中如若發(fā)生事故，即便切斷高壓電系統(tǒng)，電池包也仍然帶電，電纜或交流高壓部件中的高壓電也將會持續(xù)存在數(shù)分鐘。

2.3 高溫煙毒危險

純電動汽車電池材料多以錳酸鋰、三元鋰電、磷酸鐵鋰等為主，統(tǒng)稱為鋰離子電池，其充放電的原理為：鋰離子充當電能的搬運載體，與正負極材料來回發(fā)生化學反應，將化學能和電能相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。

在這種往返的化學反應過程中，很容易因溫度的升高發(fā)生熱失控。其正、負極材料可作為氧化物，電解質(zhì)與隔膜為可燃物，如內(nèi)部發(fā)生短路溫度升高電能轉(zhuǎn)化為熱能，隨即產(chǎn)生燃燒，同時電解液中的一氧化碳、烯烴、烷烴、氟化氫等有毒有害氣體大量釋放出來，其燃燒溫度可達1000-2000℃，持續(xù)時間較長。

2.4 噴射火灼傷危險

由于電池包電芯熱失控后內(nèi)部集聚大量熱量，電池模組又是一個大容量的環(huán)閉式整體，電芯單體、電池包上均設計有泄爆閥。當電池內(nèi)壓力升高時，泄爆閥打開，易燃易爆氣體呈帶壓噴射狀燃燒，人員站位不合理容易被高溫煙火灼傷。

2.5 氣體爆燃爆炸

電氣線路故障后電池包瞬間發(fā)生熱失控，如盲目打水或破拆，容易使電池內(nèi)部、車體內(nèi)部釋放聚集大量易燃易爆氣體，發(fā)生氣體空間化學爆燃、爆炸。

2.6 多種物質(zhì)疊加燃燒

發(fā)生火災事故后，包括鋰電池、液壓油、制冷液等多類物質(zhì)燃燒，疊加高壓電流電壓，且電池包串并聯(lián)初期無法斷開，易形成立體燃燒。

3 純電動汽車事故處置措施

3.1 初期控火

純電動汽車在城市地下車庫、地上停車場、充電站等地點因設備故障或電池質(zhì)量等原因發(fā)生火災，火勢處于熱失控初期時，可采用滅火毯遮蓋窒息滅火。需準備一塊8mx6m以上，工作溫度不低于1000℃，軟化溫度不低于1600℃的滅火毯，利用安全繩將滅火毯四個角提前固定并繃緊，操作時兩名救援人員分別拉住兩個角從上風方向接觸車體，覆蓋住整個著火車輛，保證四個角緊貼地面，待完全隔絕氧氣進入并至少保持20分鐘。此方法僅適用于火災初期，如電池內(nèi)部持續(xù)發(fā)生化學燃燒，滅火毯將無法有效滅火，同時，因需要人員牽拉覆蓋，一般不適用于高于2m的車輛類型。

3.2 轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)救援理念

純電動汽車無論發(fā)生交通事故還是火災，都要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)第一時間“剪線、破拆、打水”的救援理念。首先，高壓電池包與車身為一體化設計，通常不設置維修開關，但設有高壓互鎖，其原理是給BMS電池管理系統(tǒng)一個切斷電池包繼電器的信號，但即便切斷繼電器，也只是斷開電池包的動力輸出，電池包內(nèi)部高壓電量仍持續(xù)存在，同時電池包熱管理系統(tǒng)的高壓電也不會斷，電池包內(nèi)部電壓長時間得不到釋放反而容易升溫升壓發(fā)生燃燒爆炸；其次，純電動汽車裝配的電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等保護裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測電池溫度、電壓及充放電情況，遇到故障能及時通過控制信號啟動風冷、液冷等制冷系統(tǒng)對電池包進行強制冷卻，其信號來源均由12V或24V低壓電控制，如盲目切斷低壓電源，將會導致動力電池冷卻、管理等系統(tǒng)失效，無法及時發(fā)現(xiàn)電池超溫、超壓、過充、過放等熱失控前兆并聯(lián)動相關安全保護系統(tǒng)進行及時處理。因此事故過程中斷開高壓互鎖其實是沒作用的，而低壓電纜是不能剪斷的。由于高壓電存在電擊風險，在處置過程中非必要也不能破拆車體結(jié)構(gòu)，防止因破拆車體高壓設備和電纜線路導致人員觸電，同時還將引起短路導致整個電池包發(fā)生熱失控、燃燒爆炸。更加不能認為熄火斷電后車輛就不帶電，電池包及相關電纜、設備內(nèi)高壓電仍然存續(xù)，盲目打水將導致高壓電擊和整個電池包瞬間短路。

3.3 判斷合適出水時機

前文講到，純電動汽車發(fā)生火災嚴禁盲目打水，是因為電池包整體帶有高壓電且不能通過人為切斷。其實電池包的高壓電是由許多電芯串聯(lián)升壓、并聯(lián)升流而來，那么，在發(fā)生火災時，熱失控開始電池包是帶高壓電，但隨著火勢擴大，通過觀察，整個電池包過火燃燒后，車體兩側(cè)泄爆閥在承受不住內(nèi)部高壓后既會打開，電池模組出現(xiàn)噴射狀火焰后，可認為每一顆電芯模組之間熔斷器既被燒斷，這時單個模組電壓下降到安全值（36V以下），即可出水進行冷卻滅火，這時就需要大量的水進行冷卻，待明火撲滅后，應持續(xù)出水對電池組進行冷卻，并使用熱成像儀、測溫儀進行監(jiān)測，直至電池溫度降至正常環(huán)境溫度，經(jīng)評估無復燃、爆炸風險后方可停水。

4 結(jié)論

純電動汽車結(jié)構(gòu)復雜，電池包容量、體積大，熱失控后能量高，在處置過程中，要嚴格落實安全防護措施，嚴防觸電、爆炸、中毒和電池電解液的噴濺灼傷，到達處置現(xiàn)場后第一時間要查清車輛品牌、動力電池種類和安裝位置等信息，電池包全面過火燃燒前嚴禁抵近偵查或出水滅火，更不得盲目破拆。水槍陣地要充分考慮電池包位置、電芯和電池包泄爆閥朝向，避開泄爆口。

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