油品銷售企業(yè)充電業(yè)務發(fā)展安全風險研究

閆德林，張詩晨

(中國石化銷售股份有限公司北京石油分公司，北京 100022)

0 前言

近年來，隨著化石能源的日益緊缺及人們對環(huán)保的更高要求，汽車的動力燃料也由傳統(tǒng)的油氣能源向更清潔低碳的電能過渡，電動汽車的生產(chǎn)及應用呈爆發(fā)式增長趨勢[1]。截至2021年底，全國新能源汽車整車制造企業(yè)有198家，相關企業(yè)33.2×104家，純電動專用車型1 148個，燃料電池車138個。車型數(shù)量的顯著增加給充電服務帶來較大挑戰(zhàn)，同時充電技術水平參差不齊、電流安全標準難以統(tǒng)一、電池軟硬件存在巨大差異，等等原因引發(fā)了諸多安全問題導致電動車充電引發(fā)的事故屢見不鮮。

鋰離子電池作為電動汽車的主要風險源，在受到自身設計缺陷、高溫、環(huán)境等各種因素的影響下，可能會出現(xiàn)燃燒爆炸，進而導致整車起火事故。因此，亟需深入研究電動汽車充電的安全風險及其與傳統(tǒng)油氣能源相結合所帶來的疊加風險，為油品銷售企業(yè)充電業(yè)務發(fā)展過程中的安全設計、消防應急、安全管理等方面提供可靠的技術支撐。

1 國內(nèi)外典型事故分析

電動車問世以來，鋰離子電池的安全問題就受到廣泛關注。表1列舉了國內(nèi)外幾起鋰離子動力電池事故案例及事故原因。

從表1可知，電池熱失效是電動車起火的主要原因，電池管理系統(tǒng)無法準確檢測是導致故障無法檢出、造成事故的主要原因。

根據(jù)我國電動車事故統(tǒng)計分析，近幾年燒車事故數(shù)量持續(xù)增多，根據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年，媒體報道的燒車事故共276起，比2020年增長了123%；5～12月的事故數(shù)量相比2020年同比增長93.9%，車輛保有量增長了69%，事故率增長30%[2]，電動車保有量和事故數(shù)量增長趨勢見圖1。2019—2021年月度行業(yè)電動車燒車事故統(tǒng)計見圖2。

由圖2可見，由于夏季環(huán)境氣溫高，2021年6～8月的事故數(shù)占全年事故總數(shù)的43 %，6～8月是燒車事故的高發(fā)期。

表1 鋰離子動力電池事故案例[3]

圖1 電動車保有量和事故數(shù)量增長趨勢

圖2 2019—2021年月度行業(yè)電動車燒車事故統(tǒng)計

按照車輛狀態(tài)進行分析，根據(jù)目前統(tǒng)計的行業(yè)內(nèi)燒車事故，在充電中、行駛中、靜置時3個狀態(tài)中車輛起火占比基本一致。電動車輛起火狀態(tài)統(tǒng)計見圖3。

圖3 電動車輛起火狀態(tài)統(tǒng)計

從國家監(jiān)管平臺監(jiān)控的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，電池起火事故絕大多數(shù)發(fā)生在充電結束階段及充電之后的靜置階段，絕大多數(shù)事故發(fā)生在電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)較高的情況[4]。

2 電池及電池組失效分析

鋰離子電池有著工作電壓高、比能量大、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等特點，常用的鋰離子電池和參數(shù)對比見表2所示。

鋰離子電池作為化學電源，在極端條件下往往會引發(fā)隔膜的熔斷，導致電池正、負極直接接觸而發(fā)生內(nèi)短路，而高溫條件下的電極材料會發(fā)生多種放熱反應，熱量的持續(xù)堆積有可能引發(fā)電池冒煙、起火和爆炸。這種電池內(nèi)部出現(xiàn)放熱連鎖反應引起電池溫升速率急劇變化的過熱現(xiàn)象即為“熱失效”。動力電池在機械損傷、電濫用、熱濫用等極端條件下的事故最終均以熱失效的形式體現(xiàn)[1]。因此，為保證動力電池的安全性，必須對熱失效的誘因、發(fā)生、擴展3個階段進行逐級防控。

表2 鋰離子電池性能參數(shù)對比

事故發(fā)生的可能性和危險程度隨著電池的質(zhì)量、數(shù)量、容量以及能量密度的增加而提高，因此電池的產(chǎn)品質(zhì)量要求也隨之提高。在大規(guī)模應用場景，如儲能電網(wǎng)、國際空間站等地，電池火災可能導致火焰蔓延，帶來不可估量的損失。因此，對鋰離子電池及電池組的火災危險性與火災蔓延危險性的研究十分重要。

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)作為電池的“大腦”，主要功能為管理電池運行的全流程，包括電池充放電過程管理、溫度檢測、電壓電流檢測、電量評估、單體電池故障診斷等方面。一旦由于高壓或大電流沖擊、系統(tǒng)電源斷電或通訊干擾等因素導致BMS發(fā)生失效，將會致使系統(tǒng)無法正確判斷動力電池的實際狀態(tài)，輕則導致電池使用壽命降低、車輛無法正確估計續(xù)航里程，重則因為電池過充電導致熱失效，從而引發(fā)起火、爆炸等安全問題。

3 充電樁失效分析

3.1 充電樁工作原理

電動汽車在充電時，充電樁系統(tǒng)需要與電動汽車進行信息交互，識別插頭連接狀態(tài)，二者之間通過汽車通訊總線(Controller Area Network，CAN)協(xié)議進行通信[5]。電池管理系統(tǒng)為充電樁中央控制器發(fā)送允許接受充電的信息，充電樁才可以向電動汽車輸送電能。

電動汽車的動力電池組可接受的最佳電流、電壓值、充電參數(shù)以及操作指令，均通過CAN通訊向充電樁的控制器發(fā)送。目前，充電樁控制器均采用中央處理器(CPU)體制，通過串行軟件實現(xiàn)控制邏輯。嵌入式軟件與車輛BMS交換充電需要的信息后，通過充電樁內(nèi)部的串行總線接口，指揮功率模塊輸出BMS指定的電流和電壓[7]，詳見圖4。

圖4 直流充電樁控制邏輯

3.2 充電樁問題分析

a) 串行控制結構充電樁的BMS通信速率偏低，當多個功率模塊直流并聯(lián)時，如果同步傳輸數(shù)據(jù)，信息會發(fā)生擁堵，達不到國家電網(wǎng)要求的傳輸速度。并且串行控制邏輯是通過線程軟件實現(xiàn)的，CAN總線的通信速率只有1 M，通信周期250 ms，無法對BMS的緊急指令及時響應，導致充電樁存在電池過熱失效的風險。

b) 充電樁與電動車交互過程中，存在著3方面問題。一是通信協(xié)議故障，如直流樁保留舊通信協(xié)議引起重復的絕緣檢測，導致通信報文發(fā)送時間異常，報文發(fā)送邏輯紊亂等；二是樁車互動故障，如交流電源斷開時電壓泄放時間過長，直流接觸器觸點接觸不良引起的沖擊電流過大，保護接地導體連續(xù)性丟失、外側端電壓異常等；三是基礎性安全故障，如散熱窗、電纜口敞開使防護等級不足，引起大電壓紋波，急停功能喪失，電子鎖失效等。

4 加油站充電設施風險分析

在車輛充電、靜置、行駛3個階段，充電是最適合進行電池指標安全監(jiān)控的階段。同時，加油站24 h有人值守，在加油站充電也是能夠用信息技術進行風險控制的最有利的充電方式。

根據(jù)加油站當前的體量較大、分布廣泛以及形成的用戶習慣，在加油站安裝充電樁有著巨大的商業(yè)價值。加油站加裝充電樁對電動汽車替代燃油汽車有較大的推進作用，同時可以節(jié)省較多的資源和資金，充電的車主可以利用加油站休息或購買商品。

當在傳統(tǒng)加油站中添加新能源載體時，需要關注的核心是了解從傳統(tǒng)加油站向多燃料能源站的過渡將如何改變火災和爆炸風險。傳統(tǒng)的油氣能源均為可燃性物質(zhì)，當在傳統(tǒng)加油站的基礎上發(fā)展充電業(yè)務時，充電站的電火花或電池由熱失效導致的燃爆事故將會對加油裝置產(chǎn)生熱輻射或通過爆炸破片的形式對加油裝置產(chǎn)生影響。此外，加油過程中，一旦加油槍、卸車軟管等設備失效，會造成油品泄漏，在地面流淌，遇到點火源形成火災，充電設施一般設置在地面，若火災蔓延，則會導致充電樁受高溫發(fā)生自燃，擴大事故范圍。此外，鋰電池及油氣能源等多重災害因素的疊加也為應急處置和救援增加了巨大的挑戰(zhàn)。在關于加油合建站的標準制定方面，我國標準目前僅對加油加氣加氫合建站做出了規(guī)定，在充換電站方面，標準中僅簡單指出“加油加氣站可與電動汽車充電設施聯(lián)合建站”，并未做出進一步詳細的技術規(guī)定，有待進一步開展相關的研究工作。

5 加油站充電業(yè)務改進建議

油品銷售企業(yè)要介入電動車充電領域，需深入研究電動車充電過程存在的風險，并研究出成熟的對策，防患于未然。

5.1 建立銷售企業(yè)充電監(jiān)管平臺

加油站充電可以使用信息技術對充電安全進行監(jiān)控，最有效的手段是建立監(jiān)控平臺。通過信息系統(tǒng)，可以把各個站點的充電樁納入系統(tǒng)監(jiān)控匯總，可以解決目前市面各類充電樁分散而無法監(jiān)控的局面；其次可以應用大數(shù)據(jù)分析完成對車輛安全狀態(tài)的掌握，及時采取防控措施?？梢詫⒈O(jiān)控數(shù)據(jù)反饋至汽車制造企業(yè)提供數(shù)據(jù)支持，從產(chǎn)業(yè)高度上提高電動汽車充電系統(tǒng)的安全水平。

5.2 充電樁改進建議

根據(jù)目前各類充電樁充電技術現(xiàn)狀，在加油站內(nèi)安裝充電樁需要滿足以下技術要求：充電樁響應緊急指令時間控制在10 m/s以內(nèi)；BMS通信接口接收發(fā)送并行處理機制；充電模塊采用獨立的CAN總線并行管理機制；供電模塊采用并行接收線程響應模式；BMS提高巡檢頻率，快速發(fā)現(xiàn)火災隱患，緊急報文優(yōu)先發(fā)送,增加單節(jié)電池的管理效律；熱失效發(fā)生前，電壓的急劇下降總比溫度陡升提前15～40 s，這為通過電壓來預測熱失效的發(fā)生提供了可能性；充電期間讀取和分析電池歷史數(shù)據(jù)，需要開通數(shù)據(jù)共享，從而通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能算法構建動力電池熱失效潛在故障判定和預測方法，提升安全水平。

5.3 加油站現(xiàn)場防控

a) 制定專項應急預案。針對電動車火災特性，結合站內(nèi)消防要求，制定專項應急預案，有危險情況發(fā)生初期，要首先切斷電源，快速疏導未著火車輛出站，減少損失，避免更大的燃爆事故。有條件站點的可儲備充足的消防用水，對電池組進行滅火和降溫。

b) 提高夏季防護等級。6～8月是電動車輛燃爆高發(fā)期，特別是在南方高溫地區(qū)要加強管理，有足夠的應急物資應對火災。

c) 減少車輛充電后滯留。一些電動車在充電后把車輛繼續(xù)停留在站內(nèi)，車輛在高SOC狀態(tài)下更易發(fā)生火災，風險較大。

d) 控制服務范圍。質(zhì)量良好的電池本體和BMS系統(tǒng)可有效降低事故概率。在服務過程中要高度關注高風險車型，如老舊電動車、箱式貨車、統(tǒng)計燃燒爆炸事故多或比例高的車型。

e) 研制防火隔擋器材。通過絕熱材料或阻燃材料對發(fā)生熱失效電池進行隔離，如采用金屬材料或氣凝膠絕熱氈子做成可移動的圍擋，著火時將絕熱圍擋推到事故車輛周圍，隔離火焰，防止引燃其他車輛，為其他車輛撤離爭取時間。一般情況，電動車從冒煙到起火，需要2 min左右，這是應急處理的關鍵時間，處理得當可以減少損失，保障人員和財產(chǎn)的安全。

f) 增加熱檢測或物質(zhì)檢測技術。熱失控早期電池會產(chǎn)生大量的碳酸二甲酯(DMC)、CO、CO2、H2[6]等高熱氣體?？衫脽岣袘蛭镔|(zhì)檢測技術實現(xiàn)實時監(jiān)測，早預警早干預。由于充電現(xiàn)場通常無人值守，及時報警可以提示現(xiàn)場人員采取合適的措施控制火災或減少損失，對加油站防火安全和財產(chǎn)安全非常重要。

g) 充電樁選址要求。加油站內(nèi)建設充電樁要考慮充電需求、合適的車位，電力增容可行以及消防水源的便利性。加油站內(nèi)增加充電樁，要優(yōu)先選擇面積和安全距離較大的站點。

6 結論

a) 通過對電池事故分析，電池起火事故絕大多數(shù)發(fā)生在充電結束階段及之后的靜置階段，絕大多數(shù)事故是發(fā)生在動力電池高SOC狀態(tài)。充電階段事故在事故總數(shù)中占比較高，因此進行電池指標安全監(jiān)控分析尤為重要，在加油站安裝充電樁可以使用信息化技術進行風險控制。

b) 充電樁功率提高只是提供了大功率充電的可能性，而對于一輛特定的車，其充電策略是由BMS決定，所以充電樁充電功率大小并不影響安全，不會因充電功率增加而產(chǎn)生更大隱患，因此，不需要對充電樁功率給予太多關注，改進BMS才是提高電動車充電安全的重要措施。

c) 加油站的充電業(yè)務安全影響因素較多。包括電池、BMS、充電樁、充電樁與BMS對話機制、現(xiàn)場管理等多要素。電池的安全狀態(tài)是主要因素，電池的管理系統(tǒng)與充電樁控制邏輯是次要因素。加油站對充電設備設施和現(xiàn)場的安全管理的控制相對容易，其安全策略首先應考慮設備選型，即選擇充電樁技術；其次，由于BMS和充電樁的穩(wěn)定狀態(tài)由設計、材料和制造工藝決定，應考慮相關產(chǎn)品質(zhì)量。[7-9]