淺談電動(dòng)汽車的電池技術(shù)與防火措施*

姜海鵬，李俊民

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

傳統(tǒng)能源日益緊張，尋找新能源作為傳統(tǒng)能源的替代，已經(jīng)深入到各個(gè)行業(yè)及人們的日常生活之中。作為現(xiàn)代社會(huì)的主要交通工具，汽車是這個(gè)時(shí)代不可或缺的一部分，截至2019年，我國(guó)電動(dòng)汽車的保有量已經(jīng)突破350萬(wàn)輛，日益增長(zhǎng)的汽車保有量和能源消耗問題，推動(dòng)了電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展。

傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力源主要是燃油，通過(guò)燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能供汽車行駛，轉(zhuǎn)化過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。電動(dòng)汽車主要靠動(dòng)力電池，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)，動(dòng)力電池是高能量?jī)?chǔ)存載體，要求能量必須以可控的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換和流動(dòng)，一旦系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能、化學(xué)能、電磁能失控，在不需要外部能量激勵(lì)的情況下，動(dòng)力電池系統(tǒng)本身就能夠因能量非正常狀態(tài)而產(chǎn)生很大的破壞力。電動(dòng)汽車的能動(dòng)轉(zhuǎn)換比傳統(tǒng)汽車更為復(fù)雜，因此，電動(dòng)汽車的火災(zāi)隱患相對(duì)高于傳統(tǒng)能源汽車。

1 電動(dòng)汽車、動(dòng)力電池的種類與發(fā)展

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心。在近幾十年電動(dòng)汽車的發(fā)展中，車用動(dòng)力電池經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，從早期的鉛酸蓄電池，到20世紀(jì)90年代的鎳氫蓄電池以及目前主流的三元鋰電池，動(dòng)力電池的電池性能、壽命年限及充放電安全性等都得到了提高。鋰電池以高能量密度、大倍率充放電性能和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為了現(xiàn)在電動(dòng)汽車重要的能量來(lái)源。

鋰離子電池一般以石墨為負(fù)極材料，鋰合金金屬氧化物為正極材料，使用非水電解質(zhì)。目前已經(jīng)量產(chǎn)的鋰電池，負(fù)極材料多采用石墨，主要差異存在于正極材料和電池的外形上。鋰電池的正極材料對(duì)其電池性能影響很大，成為了制約動(dòng)力電池發(fā)展的重要因素。

以鈷酸鋰為正極材料的鈷酸鋰電池，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容量比高、綜合性能突出，但是鈷酸鋰電池安全性較差、生產(chǎn)成本非常高，主要被使用于中小型電芯；以磷酸鐵鋰為正極材料的磷酸鐵鋰電池，儲(chǔ)量大，經(jīng)濟(jì)好，熱穩(wěn)定性好，材料體系非常安全，可以做大容量電芯；以錳酸鋰為正極材料的錳酸鋰電池，能量密度與磷酸鐵鋰相當(dāng)，高溫工作時(shí)容易熔解，穩(wěn)定性、安全性不如磷酸鐵鋰。

以鎳鈷錳、鎳鈷鋁等為正極材料的三元鋰電池，能量密度高，壽命長(zhǎng)，但是200℃以上時(shí)熱失控，因此三元材料一般不做大容量單體電芯。

從圖1所示鋰電池技術(shù)發(fā)展示意圖中，可以直觀地看出正極材料的發(fā)展變化，以及相對(duì)應(yīng)動(dòng)力電池的量產(chǎn)情況：第一代鋰電池，正極材料以鈷酸鋰為主，在20世紀(jì)90年代初期進(jìn)入市場(chǎng)；第二代鋰電池，正極材料以錳酸鋰和磷酸鐵鋰為主，在21世紀(jì)初逐步商業(yè)化；第三代鋰電池，正極材料為鎳鈷鋁三元、鎳鈷錳三元、改性錳酸鋰等，集合了不同鋰電池的特點(diǎn)，并加入混合材料，全面提升鋰電池性能，降低成本，于近幾年飛速發(fā)展。

圖1 鋰電池技術(shù)發(fā)展示意圖

鋰電池主要指標(biāo)參數(shù)表 表1

表1所示為鋰電池主要指標(biāo)參數(shù)，可以看出各類鋰電池的特性，在新能源車的早期發(fā)展階段，大部分車輛均使用了磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力儲(chǔ)能裝置。雖然磷酸鐵鋰電池有著壽命長(zhǎng)、熱穩(wěn)定性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是卻同時(shí)存在著能量密度低的缺陷。隨著我國(guó)新能源政策中對(duì)能量密度要求指標(biāo)的不斷提升(《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》標(biāo)準(zhǔn)的150Wh/kg)，從2017年開始，大多數(shù)汽車制造商，選用三元鋰電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源。相比于其他電池，三元鋰電池最大的優(yōu)勢(shì)在于其電池能量密度高，儲(chǔ)能密度通常能達(dá)到200Wh/kg，是磷酸鐵鋰電池的2倍。但三元鋰電池?zé)岱€(wěn)定性相對(duì)較差，當(dāng)發(fā)生過(guò)充電、內(nèi)部短路、外部短路時(shí)，電池溫度極度升高，容易發(fā)生自燃甚至爆炸。

電動(dòng)汽車采用的充電技術(shù)有恒壓充電法、恒流充電法、恒流恒壓充電法、恒流恒壓恒流充電法、脈沖式充電法、變電流間歇充電法、邊電壓間歇充電法等。不同的充電方式，對(duì)于電池溫度、壽命的影響不同。通常情況下，充電樁充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的熱損，大約占充電總功率的4%～8%。電流越大，產(chǎn)生的熱量也就越多。在車輛快速充電時(shí)，車載電池會(huì)在短時(shí)間內(nèi)聚集大量的熱能，如果電池管理系統(tǒng)或者散熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能將熱量及時(shí)散去，就有可能損壞電池單元，甚至發(fā)生自燃和爆炸。所以非車載充電樁的散熱系統(tǒng)非常重要，同時(shí)充電樁所在區(qū)域的環(huán)境散熱也非常重要，應(yīng)該在充電樁區(qū)域，尤其是非車載充電樁區(qū)域設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)，可以設(shè)置環(huán)境溫度傳感器聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。

2 典型電動(dòng)汽車起火事故及原因分析

近兩年來(lái)，我國(guó)共發(fā)生電動(dòng)汽車安全事故百余起，其中，2018年8月下旬，位于四川省成都市的威馬公司園區(qū)內(nèi)，一輛威馬新能源汽車突然起火自燃；同年8月底，一輛型號(hào)為力帆650的新能源汽車在廣增城區(qū)起火自燃；2018年9月，在廣東珠海某停車場(chǎng)內(nèi)，兩輛眾泰云100系列共享電動(dòng)汽車在充電時(shí)起火燃燒；2019年3月，一輛特斯拉在上海金橋充電站充電時(shí)著火；2019年6月，一輛蔚來(lái)ES8在湖北武漢某停車場(chǎng)發(fā)生燃燒起火。電動(dòng)車起火事故涉及到私家車、運(yùn)營(yíng)乘用車、公交客車、物流車等不同車型。火災(zāi)事故的誘因錯(cuò)綜復(fù)雜，但電池?zé)崾Э厥墙谛履茉雌嚻鸹鹗鹿实闹饕蛑弧?/p>

據(jù)電動(dòng)汽車資源網(wǎng)提供資料統(tǒng)計(jì)：純電動(dòng)車型是起火事故的主力車型，因充放電導(dǎo)致的起火事故超過(guò)總數(shù)的一半，成為起火事故的第一誘因；其次是碰撞起火和行駛中自燃，各占20%。

三元鋰電池?zé)岱€(wěn)定性較差，250～300℃就會(huì)發(fā)生分解，分解產(chǎn)生的氧，遇到電池中可燃的電解液后，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步加劇正極分解，在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)爆燃。因此過(guò)度充電或者充電環(huán)境散熱差等情況，都會(huì)造成充電時(shí)自燃。前文已經(jīng)介紹過(guò)，在車輛快速時(shí)，車載電池會(huì)在短時(shí)間內(nèi)聚集大量的熱能，因此充電汽車在使用大功率的直流充電樁時(shí)，電池溫度通常比使用額定功率7kW的交流樁充電時(shí)溫度更高。正是基于這點(diǎn)，我國(guó)部分省、市地區(qū)，在充電設(shè)施建設(shè)規(guī)劃中明確要求，大功率直流充電樁(如最大輸出60kW，120kW甚至更高)不宜安裝在地下建筑內(nèi)；要求充電設(shè)施需安裝在利于通風(fēng)的場(chǎng)所等。

本文將對(duì)車載動(dòng)力電池在充電過(guò)程以及停車時(shí)對(duì)建筑環(huán)境的影響做分析，從而給出優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)的建議。

3 電池安全隱患在停車場(chǎng)建筑物中的應(yīng)對(duì)措施

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，電動(dòng)汽車保有量持續(xù)增加，非車載充電設(shè)施在各大停車場(chǎng)、停車庫(kù)安裝率越來(lái)越高，電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)安全與否對(duì)停車場(chǎng)建筑的影響越來(lái)越重要。電動(dòng)汽車電池充電時(shí)，溫度持續(xù)上升，如果電池單體電芯之間溫度不均勻、電池內(nèi)局部溫度升高至臨界點(diǎn)，就會(huì)有過(guò)熱燃燒甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境相對(duì)封閉的地下停車場(chǎng)，如不能進(jìn)行有效的進(jìn)、排風(fēng)，降低環(huán)境溫度，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。因此，我國(guó)出臺(tái)了一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)措施，引導(dǎo)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

北京地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11T-1455-2017《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于充電基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)地設(shè)計(jì)提出要求，充電設(shè)施宜靠近地面層區(qū)域、不宜設(shè)置在靠近主要出入口和公共活動(dòng)場(chǎng)所附近，以及多塵或有腐蝕性氣體的場(chǎng)所等。

重慶地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ 50-218-2015《重慶市民用建筑電動(dòng)汽車充電設(shè)備配套設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了停車場(chǎng)內(nèi)設(shè)置的非車載充電機(jī)充電區(qū)，宜靠近停車場(chǎng)的出入口；集中充電停車位數(shù)量≤50。

在停車場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮充電樁的選址。新建汽車庫(kù)內(nèi)配建的分散充電設(shè)施在同一防火分區(qū)內(nèi)應(yīng)集中布置。有條件時(shí)，盡量設(shè)置在首層、二層或三層，當(dāng)?shù)厣蠠o(wú)法設(shè)置，需設(shè)置在地下或半地下時(shí)，宜布置在地下車庫(kù)的首層，不應(yīng)布置在地下建筑四層及以下，以降低火災(zāi)發(fā)生時(shí)的撲救難度。

按照GB/T 51313-2018《電動(dòng)汽車分散充電設(shè)施工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，電動(dòng)汽車充電設(shè)施所在的防火單元需要獨(dú)立設(shè)置，單層汽車庫(kù)建筑內(nèi)每個(gè)防火單元建筑面積最多不超過(guò)1 500m2。多層汽車庫(kù)建筑每個(gè)防火單元建筑面積最多不超過(guò)1 250 m2。地下汽車庫(kù)或高層汽車庫(kù)，每個(gè)防火單元建筑面積最多不超過(guò)1 000 m2。每個(gè)防火單元應(yīng)與其他防火單元和汽車庫(kù)其他部位分隔，分隔可采用耐火極限≥2h的防火隔墻或防火卷簾、防火分隔水幕等防火措施。當(dāng)?shù)叵隆氲叵潞透邔悠噹?kù)內(nèi)配建分散充電設(shè)施時(shí)，還應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、排煙設(shè)施、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)等。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防探測(cè)器能第一時(shí)間探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)并反饋給消防控制室，聯(lián)鎖啟動(dòng)該防火分區(qū)內(nèi)的防排煙設(shè)施，降落防火卷簾門，切斷充電設(shè)備及其他非消防設(shè)備電源，點(diǎn)亮消防應(yīng)急照明和疏散指示標(biāo)志燈具。

筆者認(rèn)為，除了遵循以上國(guó)家及地區(qū)規(guī)范要求外，在停車場(chǎng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)在總平面上考慮充電車位的布局，根據(jù)建筑使用功能，將充電車車位設(shè)置在不影響整體性和通透性的邊角處；設(shè)置在遠(yuǎn)離廚房、鍋爐房、換熱機(jī)房、變電所、柴油發(fā)電機(jī)房等危險(xiǎn)區(qū)域的區(qū)域；以及在車庫(kù)出入口等利于通風(fēng)的區(qū)域。

設(shè)置充電設(shè)施的停車場(chǎng)建筑，其火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與滅火系統(tǒng)尤為重要，需要相關(guān)專業(yè)密切配合。

與消防報(bào)警專業(yè)的配合包括：(1)每個(gè)充電樁區(qū)域應(yīng)設(shè)置火災(zāi)報(bào)警探測(cè)裝置，消防報(bào)警按鈕和消防電話插孔應(yīng)設(shè)置在充電樁附近，每個(gè)充電樁區(qū)域建議設(shè)置一處消防直通電話；(2)用于分隔充電樁防護(hù)單元的防火卷簾門應(yīng)與防護(hù)單元內(nèi)外的火災(zāi)報(bào)警裝置(感煙、感溫)聯(lián)動(dòng)；(3)充電樁區(qū)域的充電樁電源配電柜應(yīng)設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控裝置。建筑物內(nèi)的電動(dòng)汽車充電設(shè)備，其配電箱內(nèi)接線端子處應(yīng)設(shè)置測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器或在配電箱內(nèi)設(shè)置熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，并應(yīng)采用燃燒性能為不延燃線纜或不燃線纜。

與消防滅火專業(yè)的配合包括：(1)充電樁區(qū)域應(yīng)按車庫(kù)規(guī)范要求設(shè)置消火栓滅火系統(tǒng)。每個(gè)防護(hù)單元應(yīng)設(shè)置覆蓋到每個(gè)車位的2只消防水槍，持續(xù)出水時(shí)間>2h。(2)充電樁區(qū)域應(yīng)按車庫(kù)規(guī)范要求設(shè)置自動(dòng)噴灑滅火系統(tǒng)。每輛車位上至少設(shè)置2個(gè)K115噴頭，噴水強(qiáng)度≥10L/min·m2，持續(xù)噴水時(shí)間>1h，用于阻隔電動(dòng)汽車火災(zāi)的蔓延。(3)地下車庫(kù)屬中危險(xiǎn)級(jí)B類，應(yīng)設(shè)置火災(zāi)滅火器。滅火器可以按消火栓位置設(shè)置或設(shè)置在消火栓組合箱內(nèi)，除此外，還應(yīng)根據(jù)滅火器的最大保護(hù)距離要求，在明顯和便于取用的地方增設(shè)滅火器配置點(diǎn)，使得每個(gè)防火單元的滅火器≥2具，并確保所有位置至少在1具滅火器保護(hù)范圍內(nèi)。(4)當(dāng)設(shè)置手提式滅火器時(shí)，保護(hù)距離<12m；設(shè)置推車式滅火器時(shí)，保護(hù)距離<24m。(5)在電動(dòng)汽車防火單元內(nèi)，可以設(shè)置消火栓泡沫滅火裝置和噴灑泡沫滅火裝置。 在系統(tǒng)中配置可供給泡沫混合液的設(shè)備，使固定滅火系統(tǒng)既可噴水又可噴泡沫。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消火栓啟用，直接噴出泡沫；噴灑系統(tǒng)由閉式噴頭動(dòng)作，開啟報(bào)警閥，消防用水充入消防管網(wǎng)，其中一部分水進(jìn)入泡沫罐，并利用水壓將泡沫液擠過(guò)控制電磁閥和比例混合器，通過(guò)消防水的引射作用，將泡沫液擠進(jìn)消防水中，從噴頭噴出的混合液體遇空氣后形成了滅火泡沫。在濕式噴灑系統(tǒng)中增加了泡沫罐供水管路上的電磁閥。

除了上述火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和滅火系統(tǒng)外，設(shè)置充電設(shè)施的停車場(chǎng)建筑電氣設(shè)計(jì)時(shí)，還可通過(guò)增加溫度傳感器、熱成像紅外攝像機(jī)等方法，消除或降低安全隱患。比如，在停車場(chǎng)內(nèi)設(shè)置環(huán)境溫度傳感器，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)限定值時(shí)，連鎖啟動(dòng)該區(qū)域的進(jìn)、排風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)換氣，降低環(huán)境溫度，預(yù)防火災(zāi)。還可以在車位上設(shè)置帶紅外熱成像的攝像機(jī)，通過(guò)圖像分析，甄別出溫度過(guò)熱的充電車輛，發(fā)出報(bào)警信號(hào)及時(shí)切斷故障線路電源。

智能化方面可以設(shè)置智能充電管理平臺(tái)，對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行采集、檢測(cè)、評(píng)估，記錄車輛信息、電池信息，對(duì)充電過(guò)程、充電歷史進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，對(duì)非正常充電車輛及時(shí)斷電、上報(bào)，從充電系統(tǒng)中隔離。在消防聯(lián)動(dòng)方面通過(guò)火災(zāi)探測(cè)器，連鎖啟動(dòng)該區(qū)域的排煙風(fēng)機(jī)，將煙氣和熱量盡快排出，避免高溫對(duì)該事故區(qū)域的其他正常車輛造成損壞，控制火災(zāi)范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)