電動(dòng)車輛試驗(yàn)室的火災(zāi)預(yù)防與處置研究

霍啟飛

摘要：為了預(yù)防和減輕電動(dòng)車輛試驗(yàn)室火災(zāi)造成的危害，結(jié)合高校與研究所等科研機(jī)構(gòu)電動(dòng)車輛研發(fā)過程中的試驗(yàn)現(xiàn)狀，從試驗(yàn)設(shè)備因素、人為因素等方面分析了電動(dòng)車輛試驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)的原因。從試驗(yàn)室管理、試驗(yàn)設(shè)備布局、試驗(yàn)人員操作等方面提出了預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的措施。并針對(duì)試驗(yàn)室復(fù)雜環(huán)境提出了火災(zāi)發(fā)生后的應(yīng)急處置方式與滅火策略，對(duì)降低科研人員開展電動(dòng)車輛相關(guān)試驗(yàn)發(fā)生火災(zāi)的概率、保證科研人員人身安全與設(shè)備安全、提升科研人員對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的辨識(shí)能力具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車輛；試驗(yàn)室；鋰電池；防火措施；滅火策略

當(dāng)前全球面臨著能源短缺的危機(jī)，同時(shí)，大氣污染也是亟待解決的難題。新能源汽車是解決該問題的重要途徑之一，在此形勢(shì)下，世界各國的汽車制造商都投入了大量資金研發(fā)電動(dòng)汽車[1]。電動(dòng)汽車分為：純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、氫燃料電池汽車等。純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的能量存儲(chǔ)裝置都是動(dòng)力電池，特別是純電動(dòng)汽車，整車廠商為了增加車輛續(xù)駛里程，消除消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車的行駛里程焦慮問題，都搭載了大容量的電池。這一做法在改善電動(dòng)汽車性能的同時(shí)，也給車輛增加了很多消防隱患。在電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞、動(dòng)力電池老化、電動(dòng)汽車線路故障、動(dòng)力電池過充過放等情況下，電動(dòng)汽車電池很容易發(fā)生火災(zāi)。

相比于已經(jīng)上市銷售的電動(dòng)汽車，處于試驗(yàn)階段的電動(dòng)車輛發(fā)生火災(zāi)的可能性更大，危險(xiǎn)性更高。上市銷售的電動(dòng)汽車造成火災(zāi)的因素相對(duì)較少，一般為碰撞導(dǎo)致電池短路發(fā)生火災(zāi)，或者電池過充過放導(dǎo)致電池?zé)崾Э匕l(fā)生火災(zāi)等。相對(duì)而言，處于試驗(yàn)階段的電動(dòng)車輛發(fā)生火災(zāi)的因素較多。試驗(yàn)設(shè)備因素、人員因素、外部環(huán)境因素等可能對(duì)試驗(yàn)中的電動(dòng)車輛造成影響，從而引發(fā)火災(zāi)[2]。

1 電動(dòng)車輛試驗(yàn)室火災(zāi)原因分析

電動(dòng)車輛試驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)的原因有很多，本文從試驗(yàn)使用的電池老化、試驗(yàn)人員操作不當(dāng)、試驗(yàn)過程控制方法不當(dāng)、試驗(yàn)設(shè)備缺少必要的狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備、電氣系統(tǒng)故障等方面闡述電動(dòng)車輛試驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)的原因。

1.1? 試驗(yàn)用電池老化

電動(dòng)車輛使用的動(dòng)力電池分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及鋰電池。值得一提的是，氫燃料電池不是電能存儲(chǔ)裝置，而是電能轉(zhuǎn)換裝置，與二次電池比起來，有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，就是可以在很短時(shí)間（小于5min）內(nèi)給電池加滿燃料，而不是等上幾個(gè)小時(shí)來充滿電。氫燃料電池充入的是氫氣，而最終產(chǎn)生水分，也沒有廢舊電池回收的問題，所以，氫燃料電池汽車可以說是真正的新能源汽車。

鋰電池是二次電池，可以循環(huán)充電，能量密度較高，同樣，當(dāng)鋰離子電池發(fā)生碰撞時(shí)容易發(fā)生火災(zāi)[3]。處于試驗(yàn)研究階段的電動(dòng)汽車，由于科研經(jīng)費(fèi)受限、廢舊電池循環(huán)使用等原因，經(jīng)常會(huì)存在電池老化后仍然在使用的現(xiàn)象，這是電池起火的重要原因。

1.2? 試驗(yàn)人員操作不當(dāng)

電動(dòng)車輛是機(jī)械、電氣、化學(xué)、材料、控制等多學(xué)科多專業(yè)交叉融合的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備。而研發(fā)電動(dòng)車輛的工程設(shè)計(jì)人員不可能對(duì)各學(xué)科的專業(yè)知識(shí)都有深入了解。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，電動(dòng)車輛系統(tǒng)高壓線路連接、動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)裝置正負(fù)極、驅(qū)動(dòng)裝置與整車控制連接等；在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，各個(gè)試驗(yàn)設(shè)備啟動(dòng)順序、各個(gè)高壓電路開關(guān)閉合順序、試驗(yàn)過程加載順序等；試驗(yàn)結(jié)束后，各個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程結(jié)束順序、高壓電路斷開順序等，任何方面出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，嚴(yán)重的有可能導(dǎo)致電氣故障，甚至發(fā)生火災(zāi)。

不同于傳統(tǒng)汽車研發(fā)流程，電動(dòng)車輛研發(fā)過程中的試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)人員專業(yè)素質(zhì)要求較高。高校在進(jìn)行電動(dòng)車輛試驗(yàn)過程中，讓沒有進(jìn)行過系統(tǒng)培訓(xùn)和學(xué)習(xí)的學(xué)生來開展試驗(yàn)是很危險(xiǎn)的，很容易由于誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)電氣故障，甚至發(fā)生火災(zāi)。

1.3? 試驗(yàn)過程中控制方法不合理

電動(dòng)車輛試驗(yàn)既包括傳統(tǒng)車輛性能試驗(yàn)，如加速性能、爬坡性能、最高車輛性能、制動(dòng)性能、轉(zhuǎn)向性能、燃油經(jīng)濟(jì)性等，還包含電動(dòng)車輛獨(dú)有的試驗(yàn)，如百公里耗電量和制動(dòng)能量回收率等。電動(dòng)車輛研發(fā)很重要的一部分內(nèi)容是整車能量管理控制，目的是提高系統(tǒng)效率、合理分配動(dòng)力電池電能、進(jìn)行整車發(fā)熱與散熱均衡，保持動(dòng)力電池處于正常工作狀態(tài)。

電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在試驗(yàn)室開展的重要試驗(yàn)是驗(yàn)證整車控制策略，包括車輛驅(qū)動(dòng)制動(dòng)控制、熱管理控制等。純電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿Σ考▌?dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、減速器、超級(jí)電容、高低壓電力變換裝置等；混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，除了包含純電動(dòng)汽車的所有動(dòng)力部件外，還有可能包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器等部件。電動(dòng)汽車的動(dòng)力部中，各種控制器、動(dòng)力電池和超級(jí)電容都是主要的能量源，各種發(fā)電機(jī)和電機(jī)都是主要的熱源，當(dāng)車輛在不同環(huán)境和不同工況下使用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車輛發(fā)熱不同，一旦整車熱管理出問題，電池能量很容易失控發(fā)生火災(zāi)。因此，電動(dòng)車輛試驗(yàn)階段控制方法不合理是導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的重要原因。

1.4? 試驗(yàn)設(shè)備缺少必要的狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備

動(dòng)力電池的主要狀態(tài)表征參數(shù)包括單體電壓、工作電壓范圍、充電截止電壓、標(biāo)準(zhǔn)充電溫度、工作溫度、標(biāo)準(zhǔn)放電電流、最大放電電流、電池模組溫度、電池模組內(nèi)各單體電壓均衡情況、電池荷電狀態(tài)、電池健康狀況、電池充放電次數(shù)等[4]。在電動(dòng)車輛上，上述動(dòng)力電池參數(shù)是通過電池管理系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理的。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）是用來連接車載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶，可以對(duì)電池的一些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以對(duì)電池的充放電進(jìn)行控制等。通過電池管理系統(tǒng)對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)電池充放電進(jìn)行管理，可以有效防止動(dòng)力電池過充、過放、單體電壓失去均衡、熱失控等現(xiàn)象發(fā)生。

配備有電池管理系統(tǒng)的動(dòng)力電池組一般價(jià)格較高，高校、研究所等科研機(jī)構(gòu)受限于科研經(jīng)費(fèi)，經(jīng)常會(huì)采用沒有電池管理系統(tǒng)的電池組進(jìn)行電動(dòng)車輛試驗(yàn)。同時(shí)，試驗(yàn)室也缺少動(dòng)力電池組狀態(tài)監(jiān)控傳感器，試驗(yàn)過程中，動(dòng)力電池電壓處于什么狀態(tài)、電池電量處于什么狀態(tài)、電池組溫度是多少、應(yīng)該充電還是應(yīng)該放電，完全無法確定。這很容易導(dǎo)致動(dòng)力電池過充、過放、熱失控現(xiàn)象發(fā)生，從而引發(fā)火災(zāi)。

1.5? 電氣系統(tǒng)故障

電動(dòng)車輛試驗(yàn)過程中，電氣系統(tǒng)故障也是發(fā)生火災(zāi)的重要原因。電動(dòng)車輛電氣系統(tǒng)的故障總體上可分為電氣設(shè)備故障、線路故障。

1.5.1? 電氣設(shè)備故障

電動(dòng)車輛電氣設(shè)備較多，包括電池、電機(jī)、電機(jī)控制器、高壓配電設(shè)備、高壓電力轉(zhuǎn)換裝置、電動(dòng)風(fēng)扇、電動(dòng)水泵、空調(diào)等。電動(dòng)車輛中任何電氣設(shè)備出現(xiàn)故障都有可能造成短路、發(fā)熱嚴(yán)重，甚至起火。純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電氣故障發(fā)生原因很多，故障種類也很多，在試驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)的純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電氣故障種類和概率更多。引起純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電氣設(shè)備故障的原因包括控制策略不合理、試驗(yàn)設(shè)備可靠性差、駕駛員或者試驗(yàn)操作員操作失誤等。

1.5.2? 電氣線路故障

電氣線路故障包括電動(dòng)車輛中高壓電氣線路的開路、短路、高壓接插件松動(dòng)、高壓線纜破損、高壓線纜絕緣不良，低壓電氣線路的開路、短路、接插件松動(dòng)、低壓線纜破損等，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電氣化程度特別高，包含的電氣部件和高低壓電纜也多，因此電氣線路故障時(shí)常發(fā)生。一旦某處電氣線路發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)車輛電氣部件無法正常工作、各種控制器損壞、電機(jī)燒壞甚至發(fā)生火災(zāi)等嚴(yán)重事故。電動(dòng)車輛中動(dòng)力電池高壓線路老化破損、高壓屏蔽線與導(dǎo)電線接通、控制器軟硬件故障、車輛散熱系統(tǒng)故障等，都有可能導(dǎo)致電動(dòng)車輛系統(tǒng)短路、熱失控發(fā)生，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致起火。

2 預(yù)防電動(dòng)車輛試驗(yàn)室火災(zāi)的措施

防止電動(dòng)車輛試驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)的措施有很多，本文從試驗(yàn)室管理、試驗(yàn)室設(shè)備布局、試驗(yàn)操作人員與設(shè)備間隔離等方面進(jìn)行介紹。

2.1? 試驗(yàn)室管理上不可忽視對(duì)電動(dòng)車相關(guān)試驗(yàn)室的監(jiān)督管理

高等院校與科研機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)室消防安全是管理機(jī)構(gòu)的重要任務(wù)，試驗(yàn)室管理部門一般對(duì)油料庫、火藥庫、化學(xué)材料存儲(chǔ)庫等的管理較嚴(yán)格，卻經(jīng)常忽視電動(dòng)車輛試驗(yàn)室的消防管理。基于電動(dòng)車輛鋰電池的危險(xiǎn)性及其引發(fā)火災(zāi)后造成的危害性，對(duì)電動(dòng)車輛試驗(yàn)室、電池試驗(yàn)室的消防安全管理要特別重視。

相關(guān)試驗(yàn)人員必須經(jīng)過專業(yè)技術(shù)能力培訓(xùn)和考核，方可在電動(dòng)車輛試驗(yàn)室操作試驗(yàn)設(shè)備；不得在試驗(yàn)室飲食、娛樂、使用化妝品；試驗(yàn)室及其走廊禁止吸煙；特別是靠近燃油的場(chǎng)所，禁止煙火。

科研人員在電動(dòng)車輛試驗(yàn)室結(jié)束試驗(yàn)后，必須按照試驗(yàn)室規(guī)章制度和試驗(yàn)大綱中要求的操作流程關(guān)閉機(jī)械部件動(dòng)力源，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。關(guān)閉機(jī)械部件動(dòng)力源的順序是先停止旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，然后熄火發(fā)動(dòng)機(jī)或關(guān)閉電動(dòng)機(jī)；關(guān)閉電氣部件高低壓電源開關(guān)的順序是先關(guān)閉高壓電氣開關(guān)，待高壓下電完成后，再關(guān)閉低壓電氣開關(guān)。關(guān)閉機(jī)械部件和電氣開關(guān)后，試驗(yàn)室負(fù)責(zé)人或者某項(xiàng)試驗(yàn)負(fù)責(zé)人要到現(xiàn)場(chǎng)檢查一下試驗(yàn)設(shè)備和被試驗(yàn)設(shè)備是否有漏油、漏水現(xiàn)象，如果存在該類現(xiàn)象要及時(shí)處理，防止造成其他損害。試驗(yàn)剛結(jié)束時(shí)試驗(yàn)設(shè)備的溫度一般比較高，試驗(yàn)人員在檢查現(xiàn)場(chǎng)時(shí)一定不能用手觸摸各種部件，防止?fàn)C傷。

2.2? 試驗(yàn)設(shè)備空間布置上要將電池、燃油等進(jìn)行分離

電池車輛試驗(yàn)室里一般會(huì)有動(dòng)力電池、高壓電柜、電機(jī)、控制器、加載設(shè)備，設(shè)置會(huì)有發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油箱等，在進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備布局時(shí)，動(dòng)力電池要遠(yuǎn)離油箱、高壓電柜等易燃物和起火后會(huì)造成電力系統(tǒng)連鎖反應(yīng)的設(shè)備。

在電動(dòng)車輛試驗(yàn)室，特別是靠近電池的位置，試驗(yàn)室負(fù)責(zé)人與試驗(yàn)室安全員必須配備一定數(shù)量和一定種類的消防器材。試驗(yàn)室負(fù)責(zé)人與試驗(yàn)室安全員要定期檢查消防器材的有效期和有效性，并且要將消防器材擺放在明顯的位置，以便發(fā)生火災(zāi)時(shí)取用。試驗(yàn)室負(fù)責(zé)人與試驗(yàn)室安全員要對(duì)試驗(yàn)人員開展試驗(yàn)前的安全培訓(xùn)，并傳授火情發(fā)生后的應(yīng)急處置措施，例如，除了實(shí)施滅火外，還要保護(hù)好試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)報(bào)告上級(jí)。

2.3? 試驗(yàn)人員操作間與試驗(yàn)設(shè)備空間上的隔離

由于鋰電池從熱失控、冒煙到起火，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間非常短，幾乎是瞬間發(fā)生，為了保證人員安全，試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)人員要在空間上做好隔離，并且起火后要保證試驗(yàn)設(shè)備放置間的煙灰不能進(jìn)入人員操控間，為試驗(yàn)人員撤離留足時(shí)間，因此，試驗(yàn)操作間和試驗(yàn)設(shè)備放置位置不能在一個(gè)房間。

3 電動(dòng)車輛試驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)后的處置措施

本文從緊急斷開試驗(yàn)室高壓電柜與試驗(yàn)設(shè)備連接、電動(dòng)汽車試驗(yàn)室滅火要選用合適滅火劑、電動(dòng)車輛試驗(yàn)室滅火策略等方面介紹電動(dòng)車輛試驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)后的處置措施。

3.1? 斷開試驗(yàn)室高壓電柜與試驗(yàn)設(shè)備連接

如果動(dòng)力電池等部件在電動(dòng)車輛試驗(yàn)過程中發(fā)生故障，則需要馬上切斷試驗(yàn)室高壓電柜與試驗(yàn)設(shè)備上的所有電源連接。一般操作是緊急按下試驗(yàn)室控制間的急停按鈕，此時(shí)電閘會(huì)立刻斷開。試驗(yàn)室特別是電動(dòng)車輛試驗(yàn)室的急停按鈕，基本作用就是切斷高壓電源與試驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備的電氣連接，使車輛不產(chǎn)生通電[5]?，F(xiàn)在研發(fā)的電動(dòng)汽車的母線電壓一般都高達(dá)400～800V，而人體所能承受的安全電壓僅為36V，所以，為了保證人員安全，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題最關(guān)鍵的步驟就是切斷電源。

3.2? 電動(dòng)汽車試驗(yàn)室滅火要選用合適滅火劑

目前，市場(chǎng)上的消防滅火劑分為干粉滅火劑、細(xì)水霧滅火劑、氫氟碳類滅火劑、惰性氣體滅火劑以及熱氣溶膠滅火劑等。電動(dòng)車輛試驗(yàn)室中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要為動(dòng)力電池、超級(jí)電容、燃油等物品和燃料，當(dāng)電動(dòng)車輛試驗(yàn)室中的被試驗(yàn)件發(fā)生火災(zāi)或者有發(fā)生火災(zāi)的跡象時(shí)，一般不能使用水或泡沫滅火劑進(jìn)行滅火，可以用二氧化碳或干粉滅火劑進(jìn)行滅火，以保證初期火災(zāi)得到有效控制。當(dāng)動(dòng)力電池和超級(jí)電容發(fā)生火災(zāi)或者即將發(fā)生火災(zāi)時(shí)，斷開電源線路連接是首要操作，同時(shí)不能急于靠近著火點(diǎn)，這是因?yàn)閯?dòng)力電池為能量存儲(chǔ)裝置，有可能發(fā)生爆燃、爆炸等異常情況。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的滅火劑也得到了快速研發(fā)，但對(duì)于動(dòng)力電池組火災(zāi)方面的處理經(jīng)驗(yàn)仍顯不足，缺乏針對(duì)性的滅火計(jì)劃與具體的滅火劑類型。

3.3? 電動(dòng)車輛試驗(yàn)室滅火策略

電動(dòng)車輛試驗(yàn)室起火不同于其他火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)室一般是在很小的空間里布置大量的試驗(yàn)設(shè)備，特別是電動(dòng)車輛試驗(yàn)室，包括高壓電氣設(shè)備、燃油動(dòng)力設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備等，還有可能包括燃油等可燃液體。因此，電動(dòng)車輛試驗(yàn)室滅火前一定要詢問當(dāng)事人試驗(yàn)室是否斷開高壓電源、高壓電源柜所在位置、有多少塊電池、是否有燃油、在什么位置等詳細(xì)信息。

滅火過程中，要通過觀察煙量、煙色、明火或者試驗(yàn)室數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池狀態(tài)[6]，采用測(cè)溫設(shè)備遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池溫度變化，若起火電池組處于密閉室內(nèi)環(huán)境，必須首先采取排煙措施，可以采取沙子覆蓋的方式達(dá)到控制動(dòng)力電池組起火范圍的目的，并及時(shí)分離起火電池。

4 結(jié)語

電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)及整車試驗(yàn)安全研究是電動(dòng)車輛研發(fā)與應(yīng)用的重要組成部分。本文通過對(duì)電動(dòng)車輛試驗(yàn)室可能導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的原因進(jìn)行分析研究，提出了預(yù)防電動(dòng)車輛試驗(yàn)室火災(zāi)的方法及火災(zāi)處置措施，以期為我國電動(dòng)車輛試驗(yàn)過程中的消防安全管理提供參考。

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Research on fire prevention and disposal of electric vehicle in laboratories

Huo Qifei

（Zibo Municipal Fire and Rescue Brigade， Shandong Zibo 255000）

Abstract： In order to prevent and reduce the harm caused by electric vehicle fires in laboratories， the paper analyzes the causes of fires in electric vehicle laboratories from the aspects of test equipment factors and human factors. Based on the test status of electric vehicle research and development in universities， research institutes and other scientific research institutions. Measures to prevent fire are put forward from the aspects of laboratory management， test equipment layout， and test personnel operation. According to the complex environment of the laboratory， emergency response methods and fire fighting strategies are put forward after a fire. It is of great significance to reduce the probability of fire in electric vehicle-related tests， ensure the personal safety and equipment safety of scientific researchers， and improve the ability of scientific researchers to identify fire risk points.

Keywords： electric vehicle; laboratory; lithium battery; fire prevention measure; fire fighting strategy