電動汽車充電站火災防控探究

安科瑞 陳聰

摘要：我國汽車產業的產銷量實現了多年的穩定增長，新能源汽車發展態勢良好。由前瞻產業研究院發布的《中國電動汽車行業市場需求預測與投資戰略規劃分析報告》研究顯示：在我國新能源汽車市場，電動汽車已經占據了地位，面對近年來電動車火災事故頻發的現實，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。

關鍵詞：電動汽車；電池熱失控；火災及滅火；停車場

前言

電動汽車在行駛、撞擊、充電等多方面存在電池熱失控火災風險，而停放場所電動車自然現象也常見報道。新能源汽車電池起火與傳統燃油車的滅火方式存在本質上的不同，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，因此，有效應對電動汽車在熱失控引發導致的火災問題，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。應對室外電動汽車充電火災，本文探討增設室外集中充電停車場所消防噴淋設施的措施。

一、電動汽車火災特點

純電動汽車車輛結構、動力來源和驅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，事故突發性強，不可控性大，易引發除事故車本身之外的火災、爆炸等連鎖反應，火災危險性明顯高于傳統的燃油汽車。

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，燃燒持續時間長，而常規滅火器也很難撲滅。動力電池發生火災，具有火點隱蔽難控和可燃氣體噴射火等多種燃燒形態，火勢蔓延迅速、火焰溫度高，火災撲救技術要求高，這讓消防救援技術面臨新的考驗。

電池火災事故潛在危險性大，燃燒產生大量有毒有害、易燃易爆氣體，伴隨觸電、爆炸、中毒、灼傷和腐蝕等危險，安全防護要求高，警戒范圍大，導致現場處置風險很高。

新能源汽車發展迅速，傳統室外停車場安全設施不足，駕駛人員對新能源車爆燃的特性認識不足，停車場管理人員對它的安全應急處置措施有限。

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，電池內部可能產生過多的熱量和氣體，進而引發火災。這可能是由于充電器故障、電池故障、電路問題或使用不當的充電器等因素引起的。此外，使用低質量的充電設備也會增加起火的風險。

2高溫起火：電池內部溫度過高是引發火災的一個新的因素。除了充電過度導致高溫引發爆燃外，過度放電、內部短路或外部因素也是事故多發的原因。高溫的停放環境或長時間高強度行駛后，同樣會導致電池內部化學反應失控，產生高熱量和可燃氣體，進而引發火災。

3碰撞起火：當車輛發生碰撞時，電池可能會受到損壞，導致電池內部化學反應失控，產生大量熱量和氣體，進而引發火災。此外，碰撞還可能導致電池與其他部件短路，起火亦不可預測。

4電池損傷起火：電池在使用過程中可能會遭受撞擊、擠壓或損壞，這些情況會導致電池內部短路或電*直接接觸，它引發電池熱失控隨時可能發生。

5電池老化起火：隨著電池使用時間的增加，電池會出現老化、膨脹、變形等現象，這些現象都會導致電池內部結構變化，使電池熱失控的風險增加。據統計，充電起火占據電動汽車起火地位，在集中的停車充電場所，一臺電動汽車發生火災后，可能引燃周邊其他車輛，這種連鎖反應往往導致的災害更加嚴重，所以關注停車充電場所的電動汽車火災防控更具有現實意義。

三、電池熱失控的危害

目前，我國大部分電動汽車都采用鋰電池。在鋰離子電池發生熱失控時，會產生大量可燃和有毒氣體。根據國內研究機構的報告，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，爆炸下限為4.83%，爆炸上限達到73.77%［1］。當鋰離子電池發生熱失控時，除了產生熱量外，還會產生易燃易爆氣體，導致電池內部氣壓升高。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別［2］。然而，這種嚴重的污染對人的健康和環境的影響尚未納入專家的研究范圍。當電池的放熱溫度較高時（研究表明熱失控電池內部溫度可達1000℃），噴射出的氣體很容易被點燃，從而引發射流火現象。當狹小空間內存在多個電池時，單個電池的熱失控可能導致其他電池的溫度上升，進而引發連鎖反應。這種多米諾骨牌效應會疊加能量，使燃燒迅速蔓延，人們應對的時間非常有限。在國內的實驗研究中，發現單片（單個電池模塊）或少量電池熱失控過程中的化學能與燃燒熱之和分別為其儲存電能的3～4倍。電池熱失控過程包括電池膨脹、射流火和穩定燃燒等階段。在熱失控過程中，充電狀態（SOC）位100%時的電池火焰溫度可達1500℃，且高SOC的電池具有更高的火災危險性。高SOC的電池在相同熱源下具有更短的熱失控觸發時間和更劇烈的燃燒現象。面對新能源汽車一旦爆燃就無法解決的問題，事故車環境危害方面的研究相對有限。這些都給新能源車火災事故時，空間換安全提出了更高的要求。

1. 現有滅火器對新能源車電池火災作用有限

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，隔離氧氣來進行滅火，適用于撲滅A類火災。

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

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生一系列物理、化學反應，使燃燒中斷，適用于B類、C類火災以及E類的初期火災。結合新能源車熱失控機理，我們認為，面對不需要氧氣參與的持續劇烈燃爆，目前這些滅火劑都不能有效阻止電池內部的化學反應。事故發生后如何防止火災的擴大蔓延和有效止損才是我們應該關注的問題。因此，對停車場所重新進行安全設計與安全配置才是我們現在要做的工作。涉及到健康產品的企業更應該積極參與研究。

1. 空曠場地上電動汽車電池熱失控的常規操作

因為電池熱失控整個過程不需要氧氣，就能持續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；傳統上的滅火劑的滅火機理都是通過降溫、窒息（隔絕氧氣）、化學抑*等手段；常規的降溫也不能有效阻止電池熱失控持續釋放能量。消防研究基金會進行的燃燒試驗表明，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*易發生復燃。對此，中國汽車工程學會團體標準T/CSAE84-2018《電動汽車火災事故救援規程》規定：當高壓電池著火時應使用大量、持續的水滅火。廣東省的《電動汽車充電基礎設施建設技術規程》、河北省的《電動汽車充電站消防安全技術標準》等多個地方標準都規定：滅火器宜采用水基型手提式滅火器；在充電基礎設施附近，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，清華合肥院聯合海南省消防救援總隊、安徽省消防救援總隊、中國科技大學火災科學國家實驗室、合肥科大立安安全技術有限責任公司等單位，在合肥市開展了全尺寸電動汽車燃燒實驗。實驗結果表明，電池艙需要大量冷卻液冷卻防止復燃［3］。

特斯拉的應急救援手冊中對電動汽車電池火災作出明確規定：如果高電壓電池在火災中彎曲、扭曲、損壞，滅火時消防用水要有足夠的量。常規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境、電池狀態，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該具備更好的消防系統。

1. 室外充電場所安裝自動噴水滅火系統的可行性

電池熱失控新的應對措施未研發出來前，采用持續水降溫是個阻止電池熱失控放緩或停止發生的有效辦法。因此，改造傳統停車場所，適應新能源車安全的新型停車場所應該是我們亟待解決的問題。在設備配置上，對地上電動汽車集中停放充電場所安裝自動噴水系統，持續用水對起火電動汽車降溫阻止電池熱失控放緩或停止是可行的，也是經濟有效的。當室外電動汽車停車充電場所安裝了消防自動噴水系統時，當充電汽車起火時，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。自動噴水系統在電動汽車熱失控火災時能夠體現多方面的優勢：一是滅火時不需要大量人員就可自動持續完成滅火任務，從根本上提高了滅火效率；二是滅火迅速，電池熱失控時，提前有效控制火災擴大蔓延，避免損失進一步擴大，降低了環境污染；三是不存在救援人員的觸電、中毒、灼傷等一系列安全風險；四是滅火可不需要專業的消防隊伍支援，節約了人力物力資源。

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、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。

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組網架構

平臺采用分層分布式結構，主要由終端感知設備、邊緣計算網關和能效管理平臺層三個部分組成，詳細拓撲結構如下：

4參考選型

5相關產品介紹

5.1 7KW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/T 20234.2-2015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。

5.2 直流充電樁系列

5.3電氣火災探測器ARCM300-Z

5.4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。

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，統計充電站的充電數據

6.3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：

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：

6.5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：

6.6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：

6.7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：

6.8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：

7案例實景

八、結語

室外停車充電場所電池熱失控早期現場人員可用干粉滅火器進行應急噴灑撲救，一旦電池發生熱失控，車上及周邊人員應盡快撤離起火災車輛現場，確保人身安全。室外集中停車充電場所電動汽車電池熱失控后，室外充電場所使用消防噴淋系統對起火電動汽車持續進行冷卻，可以防止火災蔓延擴大，且是目前可行和有效的措施。

參考文獻

［1］陳欽佩,王學輝,米文忠.電動汽車鋰離子電池系統熱失控氣體毒害及爆炸特性研究[J].儲能科學與技術,2023,12(7):2256-2262.

［2］楊曉菡,張怡,鄧玲,等.鋰離子電池汽車全尺寸火災試驗研究進展綜述[J].消防科學與技術,2024,43(1):29-33.

［3］清華大學合肥公共安全研究院.清華合肥院組織開展電動汽車消防安全關鍵技術交流會議暨電動汽車燃燒實驗[EB/OL].(2024-05-02)[2023-04-24]

［4］賈子潤,王震坡,王秋詩,等.新能源汽車動力電池熱失控機理和安全風險管控方法的研究[J].汽車工程,2022,44(11):1689-1705.

［5］朱明生，李培，楊浩，程麗.室外集中停車充電場所電動汽車火災滅火探究.湖北中煙工業有限責任公司廣水卷煙廠，湖北廣水432799

[6]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2019.11版