純電動(dòng)汽車消防救援對(duì)策研究

張亮 楊磊 周會(huì)會(huì) 陳躍超 楊旭

0 引言

中國新能源汽車行業(yè)過去5 年經(jīng)歷了“突飛猛進(jìn)”的發(fā)展，其保有量增長了9 倍有余（見圖1），加之國家政策支撐、稀土儲(chǔ)量豐富等利好因素加持，行業(yè)整體正在從萌芽期向成長期快速過度，但配套設(shè)施不完善、核心部件技術(shù)不統(tǒng)一、動(dòng)力電池性能差異大、新型材料應(yīng)用多、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善等諸多問題，造成了整車致火、致毒、漏電、碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加，為消防救援隊(duì)伍參與處置新能源汽車火災(zāi)及救援帶來了前所未有的挑戰(zhàn)[1]。對(duì)該行業(yè)開展深入研究，有助于盡快建立并完善易于基層指戰(zhàn)員執(zhí)行的新能源電動(dòng)汽車火災(zāi)撲救規(guī)程，減少錯(cuò)誤操作造成的指戰(zhàn)員傷亡。

據(jù)消防救援局不完全統(tǒng)計(jì)，全國2019 年發(fā)生新能源汽車火災(zāi)560 余起，2020 年前三季度已達(dá)到700 余起。影響較大的有2019 年4 月上海特斯拉ModelS、西安蔚來ES8、武漢比亞迪e5，2019 年9月溫州威馬EX5，2020 年5 月長沙理想ONE 等自燃事件。在多類新能源汽車火災(zāi)事件中，因動(dòng)力電池事故引發(fā)火災(zāi)的占比較大，北京理工大學(xué)發(fā)布的《新能源汽車與大數(shù)據(jù)安全》中統(tǒng)計(jì)占61%，中國汽車技術(shù)研究中心發(fā)布的《電動(dòng)汽車以及動(dòng)力電池的安全評(píng)價(jià)》中統(tǒng)計(jì)占52%，且伴隨動(dòng)力電池能量密度的不斷提升，其熱失控引發(fā)火災(zāi)的能量和破壞力也將成倍增長。

1 主流純電動(dòng)汽車電池性能對(duì)比

新能源純電動(dòng)汽車的續(xù)航、充電和安全問題很大程度上取決于其動(dòng)力來源，即“電池”，其按類型可分為物理、化學(xué)和生物電池三種，若按結(jié)構(gòu)可分為蓄電池和燃料電池兩大類。近幾年裝車量靠前的有鎳鈷錳、鎳鈷鋁、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰五種動(dòng)力電池，但當(dāng)前及未來短期內(nèi)三元材料（鎳鈷錳）電池和磷酸鐵鋰電池將是主流選擇（見圖2）。

1.1 三元材料電池

通常指的三元材料電池使用鎳鹽、鈷鹽、錳鹽作為電池正極原料，三種元素的比例可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，其中鎳可以增加材料電池的體積能密度、鈷可以增加材料電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、錳可以提高材料電池的安全性并進(jìn)一步降低材料電池成本。這類電池具有單位體積能量密度較高、耐低溫性能較好、支持高倍率充放電等優(yōu)勢，也存在制造成本較高、安全性能較低、電池循環(huán)壽命較少、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大等問題。目前全球銷量領(lǐng)先的特斯拉Model 3 及Model Y 等長續(xù)航車型基本使用三元鋰電池，國內(nèi)部分車企為獲得新能源政策補(bǔ)貼，也在不斷推動(dòng)三元鋰電池高鎳低鈷產(chǎn)品研發(fā)，從過去532 發(fā)展至目前811 比例，三元鋰電池能量密度進(jìn)一步提升，但電池自身的安全穩(wěn)定性未得到有效提升，加大了電池自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 2015-2019 年中國新能源汽車保有量

圖2 2020 年主流動(dòng)力電池銷量對(duì)比

1.2 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池，使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，使用石墨作為負(fù)極材料。這類電池具有安全性能高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、制造成本較低的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)電池的原料中不含重金屬與稀有金屬，對(duì)環(huán)境污染小，屬于綠色環(huán)保電池。其主要缺點(diǎn)在于體積能量密度較低、充電恒流比低、耐低溫性差。但隨著國內(nèi)電池生產(chǎn)巨頭寧德時(shí)代和新能源造車龍頭企業(yè)比亞迪先后推出“CTP”技術(shù)及“刀片電池”，磷酸鐵鋰電池的體積能量密度得到了大幅提升，補(bǔ)齊了最大短板。目前國內(nèi)銷量領(lǐng)先的宏光MINI EV、特斯拉國產(chǎn)Model 3、比亞迪漢 EV 車型均搭載了磷酸鐵鋰電池。

2 主流純電動(dòng)汽車電池?zé)崾Э卦蚍治?/h2>

2.1 機(jī)械濫用

較為常見的是汽車發(fā)生碰撞時(shí)，由于受到外力擠壓作用，造成車輛單體電池或電池組發(fā)生形變、位移、破損等情況，可能引發(fā)電池隔膜破裂[2]、電池內(nèi)部短路、電解質(zhì)泄露起火。一旦發(fā)生導(dǎo)體刺穿電池本體情況，有大概率引發(fā)電池正負(fù)極直接短路，能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，引發(fā)熱失控概率及程度更高。雖然在最新發(fā)布的GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中已經(jīng)刪除了針刺試驗(yàn)要求，但為驗(yàn)證動(dòng)力電池可靠性，比亞迪、寧德時(shí)代、廣汽埃安分別公開了“針刺實(shí)驗(yàn)”相關(guān)數(shù)據(jù)。其中比亞迪2020 年3 月實(shí)驗(yàn)時(shí)使用直徑5mm 的鋼針以垂直方向貫穿滿電狀態(tài)的常規(guī)三元鋰電池、普通磷酸鐵鋰電池、比亞迪刀片電池后，三元鋰電池迅速膨脹隨即起火爆炸，電池表面溫度超過500攝氏度，普通磷酸鐵鋰電池出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，電池表面溫度約200-400 攝氏度，刀片電池表面溫度約30-60 攝氏度。

2.2 電濫用

通常指對(duì)動(dòng)力電池使用不當(dāng)，主要包括快充、過度充電、過度放電和外部短路幾種類型。

2.2.1快充

快充會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部正負(fù)極電極電勢差偏離平衡電勢，當(dāng)電流較大時(shí)，電池負(fù)極表面的SEI 膜穩(wěn)定性可能發(fā)生改變，甚至發(fā)生破裂，導(dǎo)致電極材料破壞。同時(shí)，大電流充電時(shí)，電池內(nèi)阻增大也會(huì)引起發(fā)熱量增加，進(jìn)而引發(fā)電解液反應(yīng)分解、產(chǎn)氣等問題。

2.2.2過度充電

張磊等[3]采用三元鋰電池進(jìn)行了過充實(shí)驗(yàn)，在過度充電過程中，Li+從電池正極脫離涌入負(fù)極的晶格中，如果出現(xiàn)過度充電，則過量的Li+嵌入到負(fù)極中，正極就會(huì)出現(xiàn)Li+的過度脫離結(jié)構(gòu)性崩塌,即發(fā)熱并伴有氧釋放，可能加劇電解質(zhì)分解、電池內(nèi)部正壓增大，進(jìn)而增加熱失控及爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3過度放電

通常指低于門限電壓繼續(xù)放電，如果過放嚴(yán)重，最低電壓的電池單體可能發(fā)生“反極”，被電池組中其他串聯(lián)的電池進(jìn)行反向充電，造成結(jié)構(gòu)崩塌形成電阻，導(dǎo)致熱失控。

2.2.4外部短路

通常指由于外部環(huán)境導(dǎo)致電池正負(fù)極連接成為通路，造成電流過大、熱量過多，電池受損。碰撞、導(dǎo)體污染、浸水是常見外部短路原因。

2.3 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

電池單體發(fā)生熱失控后可能迅速升溫并最終導(dǎo)致燃燒、爆炸[4]，極易對(duì)相鄰電池組造成物理或化學(xué)破壞，形成“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，最終以點(diǎn)帶面造成整體熱失控。

2.4 非法改裝

“慢充”改“快充”、“低能量”改“高能量”是新能源電動(dòng)汽車最常見的非法改裝形式。局部改裝可能出現(xiàn)整車電路系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行、BMS（電池管理系統(tǒng)）控制異常，增加電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。

3 純電動(dòng)汽車火災(zāi)撲救對(duì)策

區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車火災(zāi)，新能源純電動(dòng)汽車起火后還存在發(fā)熱量更高、發(fā)煙量更大、煙氣成分更復(fù)雜、毒害性更強(qiáng)、觸電風(fēng)險(xiǎn)更高、復(fù)燃可能性大等特點(diǎn)。消防救援隊(duì)伍在應(yīng)對(duì)處置此類警情時(shí)，應(yīng)在執(zhí)行燃油汽車火災(zāi)撲救處置規(guī)程的基礎(chǔ)上針對(duì)上述特點(diǎn)進(jìn)一步完善措施對(duì)策，強(qiáng)化作戰(zhàn)行動(dòng)安全管控。

3.1 強(qiáng)化接警調(diào)度

3.1.1接警要詳細(xì)

城市119 指揮中心接警員在接到新能源純電動(dòng)汽車火災(zāi)報(bào)警后，應(yīng)盡快詢問起火車輛的品牌、型號(hào)、位置、狀態(tài)、車內(nèi)存放物品、周邊環(huán)境及是否有人員被困，及時(shí)指引報(bào)警人撤離至安全區(qū)域。區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車火災(zāi)接警工作，新能源純電動(dòng)汽車品牌設(shè)計(jì)差異較大，動(dòng)力電池的種類、布局、封裝工藝、能量不盡相同，準(zhǔn)確了解車輛品牌型號(hào)有助于快速調(diào)閱與之匹配的汽車服務(wù)手冊(cè)及隨車《救援指南》，第一時(shí)間推送至參與救援的消防指戰(zhàn)員，提升滅火救援行動(dòng)的安全性和科學(xué)性。

3.1.2調(diào)度要充分

優(yōu)先考慮調(diào)派大流量水罐泡沫車、高倍數(shù)泡沫消防車、搶險(xiǎn)救援消防車、供氣消防車等車輛，以及遙控消防水炮、水力自擺消防水炮、漏電測試儀、測溫儀、熱成像儀、可燃?xì)怏w探測儀、有毒氣體探測儀、電絕緣裝具、水幕水帶、無人機(jī)等器材及個(gè)人防護(hù)裝備，如災(zāi)害地點(diǎn)處于地下停車場、隧道等密閉空間內(nèi)，還要第一時(shí)間增調(diào)排煙消防車、消防機(jī)器人。如現(xiàn)場情況復(fù)雜、處置難度較大，還應(yīng)視情聯(lián)動(dòng)應(yīng)急、供電、公安、醫(yī)療、重型機(jī)械、供水等單位到場協(xié)助處置。

3.2 強(qiáng)化安全警戒

在道路實(shí)施滅火救援行動(dòng)時(shí)，要打開警燈警報(bào)，設(shè)立警戒創(chuàng)造封閉作業(yè)區(qū)域，視情告知交管部門協(xié)助警戒，利用公眾號(hào)、廣播等模式發(fā)布警戒消息，實(shí)施交通管制。一般道路警戒距離不應(yīng)少于200 米；在高速公路上，應(yīng)在救援區(qū)域前、后方500 米設(shè)置聲光警戒和事故警示標(biāo)志，并在200 米處設(shè)置二次警戒，遇到降雨、降雪、多霧天氣或夜間作業(yè)，警戒區(qū)距離需擴(kuò)大一倍。處置過程中還需設(shè)置安全員，全程觀察現(xiàn)場危險(xiǎn)區(qū)域和部位，預(yù)判可能發(fā)生的危險(xiǎn)跡象并及時(shí)發(fā)出提示。

3.3 強(qiáng)化個(gè)人防護(hù)

新能源純電動(dòng)汽車電池?cái)?shù)量多、電壓高、電量大，一旦發(fā)生燃燒將導(dǎo)致能量集中釋放，可能出現(xiàn)爆炸失控，加之電池組經(jīng)受熱分解[5]可能釋放大量有毒有害氣體（一氧化碳、氟化氫、二氧化硫等）、可燃?xì)怏w（一氧化碳、氫氣、甲烷等），易造成指戰(zhàn)員中毒、觸電或爆炸傷害。在處置過程中，必須著全套滅火防護(hù)裝備、全程佩戴空氣呼吸器、使用電絕緣裝具，同時(shí)設(shè)立緊急救助小組，做好應(yīng)急救助和輪換作業(yè)準(zhǔn)備。

3.4 強(qiáng)化偵察研判

第一時(shí)間核實(shí)車內(nèi)是否有人員被困，是否存在火勢蔓延趨勢；充分利用漏電測試儀、測溫儀、熱成像儀、可燃?xì)怏w探測儀、有毒氣體探測儀等設(shè)備對(duì)起火車輛及周邊環(huán)境開展持續(xù)監(jiān)測，確認(rèn)車輛是否處于充電或漏電狀態(tài)，預(yù)判爆炸破壞力范圍及有毒氣體擴(kuò)散危險(xiǎn)半徑，為疏散被困人員、設(shè)置水槍陣地提供決策依據(jù)。

3.5 強(qiáng)化處置對(duì)策

3.5.1主動(dòng)式滅火策略

主動(dòng)式滅火通常指有人員被困的情況，該情況下應(yīng)堅(jiān)持“救人第一、科學(xué)施救”原則，同步開展斷電、破拆、滅火、救人行動(dòng)。在火災(zāi)發(fā)生的初期階段，要優(yōu)先評(píng)估車輛斷電的可能性，并在安全前提下立即實(shí)施斷電操作，包括但不限于切斷車輛緊急響應(yīng)程序一整段回路（消除切斷的電線意外重新連接的風(fēng)險(xiǎn)）、切斷充電樁及上級(jí)供電線路，要確保車輛處于駐車擋（P 擋）上并啟用駐車制動(dòng)（手剎），搜尋車輛鑰匙裝入具有信號(hào)屏蔽功能的屏蔽袋或屏蔽箱并放置10 米以外的區(qū)域；對(duì)無法快速完成斷電操作車輛或火勢較大危及被困人員生命安全的情況，應(yīng)及時(shí)為被困人員提供呼吸保護(hù)并使用噴霧水、干粉、二氧化碳、泡沫或其他高效滅火劑對(duì)火勢進(jìn)行壓制[6]，為實(shí)施破拆救人創(chuàng)造條件；在整個(gè)救援行動(dòng)中務(wù)必假定所有高壓組件都處于通電狀態(tài)，切割、粉碎及身體裸露部位觸摸要重點(diǎn)避開高壓組件、氣壓支撐桿、氣囊等區(qū)域，防止觸電、炸傷。

3.5.2控制式滅火策略

控制式滅火通常指無人員被困的情況，主要采取控制范圍、冷卻降溫的處置戰(zhàn)術(shù)?？紤]到高壓電池起火處置時(shí)間可能長達(dá)數(shù)小時(shí)，用水量通常超過10 噸，供水組應(yīng)充分利用市政消火栓、大容量供水車保障供水不間斷；滅火組應(yīng)選擇上風(fēng)或側(cè)上風(fēng)方向距離起火車輛10 至15 米之外設(shè)置水槍、水炮陣地出水滅火；破拆組在符合安全要求的情況下，可舉升或傾斜車輛，以便射水能有效覆蓋電池區(qū)域，在無專業(yè)人員指導(dǎo)下嚴(yán)禁使用液壓、切割等破拆工具對(duì)電池組、保護(hù)罩、高壓線纜及車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸、剪切、擴(kuò)張、穿刺等操作。如燃燒車輛處于地下停車場，應(yīng)及時(shí)使用移車器轉(zhuǎn)移周邊車輛，迅速啟動(dòng)防排煙、防火卷簾等固定消防設(shè)施，并派出偵察組核實(shí)通往建筑上層樓梯間充煙情況，視情采取下步措施。

3.6 強(qiáng)化現(xiàn)場移交

與傳統(tǒng)燃油車火災(zāi)相比，新能源純電動(dòng)汽車明火撲滅后電池仍可能持續(xù)熱失控反應(yīng)，存在復(fù)燃可能。滅火組應(yīng)在明火撲滅后持續(xù)射水降溫，直至無明顯煙霧。停止射水后應(yīng)使用熱成像儀測量高壓電池區(qū)域溫度并持續(xù)監(jiān)測變化趨勢，經(jīng)評(píng)估無復(fù)燃、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)后才可將車輛移交給相關(guān)部門進(jìn)一步處置。

4 純電動(dòng)汽車防災(zāi)對(duì)策

國家監(jiān)管層面，應(yīng)針對(duì)新能源純電動(dòng)汽車及相關(guān)配套設(shè)施制定出臺(tái)更加嚴(yán)格的規(guī)范性和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)；企業(yè)層面，應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)投入，生產(chǎn)制造工藝更加精良、性能更加卓越、安全更有保障的新能源純電動(dòng)汽車，并針對(duì)碰撞、浸水、擠壓甚至穿刺等極端情況反復(fù)開展大量實(shí)驗(yàn)測試，切實(shí)將安全可靠的產(chǎn)品投放市場；物業(yè)方面，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目用電負(fù)荷合理增設(shè)充電樁，可視情采取“集中停放”“錯(cuò)峰充電”“增設(shè)監(jiān)控”“增設(shè)傳感器”“增設(shè)自動(dòng)滅火設(shè)施”等方式削峰填谷、減小用電壓力、提升消防安全；用戶層面，應(yīng)避免使用不合規(guī)及超過額定功率的“充電設(shè)備”，降低電池過充、過放幾率，杜絕違規(guī)改裝，合理使用車輛。

5 結(jié)語

隨著新能源電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展，與之相關(guān)的快速充電、儲(chǔ)能電站、換電站等技術(shù)也在逐步應(yīng)用，特別是集充換電、儲(chǔ)電、加油、儲(chǔ)油、分布式光伏于一體的充能站陸續(xù)出現(xiàn)，給火災(zāi)防控和消防救援工作帶來了新的挑戰(zhàn)，筆者建議防火工作者在現(xiàn)行《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計(jì)防火規(guī)范》基礎(chǔ)上進(jìn)行探索完善，強(qiáng)化監(jiān)測預(yù)警、初期處置、集中停放、錯(cuò)時(shí)充電等措施；滅火救援指戰(zhàn)員應(yīng)加強(qiáng)新能源電動(dòng)汽車、新型電池的知識(shí)更新，強(qiáng)化復(fù)雜條件下的電動(dòng)汽車火災(zāi)處置演練。