純電動汽車安全風(fēng)險(xiǎn)分析及滅火救援處置技術(shù)研究

牛小寧 牛高志

摘 要：我國能源結(jié)構(gòu)存在富煤、貧油、少氣的特點(diǎn)，為切實(shí)推動可持續(xù)發(fā)展理念，構(gòu)建人類命運(yùn)共同體，我國“十四五規(guī)劃”明確提出能源轉(zhuǎn)型“減煤、降油、增氣、加新”的發(fā)展路徑，并宣布了2030年達(dá)到“碳達(dá)峰”2060年達(dá)到“碳中和”的目標(biāo)。截止2022年初，我國新能源車保有量約800萬輛，其中純電動車保有量就有約660萬輛，占新能源汽車的82.5%。本文將介紹純電動新能源汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，結(jié)合消防實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，針對純電動汽車不同事故風(fēng)險(xiǎn)總結(jié)相應(yīng)的處置措施。

關(guān)鍵詞：純電動汽車 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn) 電池包 處置措施

近年來，為減少環(huán)境污染，我國大力研發(fā)新能源汽車并出臺許多政策來進(jìn)行扶持。產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大。新能源汽車是指采用非常規(guī)燃料作為動力來源，綜合車輛動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成技術(shù)原理先進(jìn)，具有新結(jié)構(gòu)的汽車。以其動力供應(yīng)方式的不同可分為：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、燃?xì)馄?、超級電容汽車、空氣混合動力汽車、氫動力汽車、太陽能汽車等等，其中純電動汽車的發(fā)展與應(yīng)用最為廣泛。

1 純電動汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

純電動汽車是指驅(qū)動能量完全由電能提供、由電機(jī)驅(qū)動的電動汽車，英文縮寫為EV（Electric Vehicle）或BEV（Battery Electric Vehicle）。純電動汽車的三大核心技術(shù)為“電池、電機(jī)和電控”。

1.1 動力電池

動力電池是純電動汽車的儲能裝置，其原理是利用化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。經(jīng)漫長的探索與研究發(fā)現(xiàn)，鋰金屬氧化物能夠較好地實(shí)現(xiàn)能量儲存和釋放過程中的化學(xué)穩(wěn)定性，即電池充放電的長期性和安全性，因此我國車企使用的動力電池正極材料多為磷酸鐵鋰和三元鋰，負(fù)極通常選擇石墨或其他碳材料作為活性物質(zhì)，這樣既能很好的承載能量，又相對穩(wěn)定，還能豐富的儲能，便于大規(guī)模制造。充電時(shí)在外加電場的影響下，正極材料含鋰的過渡金屬氧化物（LiTMO2 ）分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子（Li＋），在電場力的作用下，從正極移動到負(fù)極，與負(fù)極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩(wěn)定”的嵌入到負(fù)極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當(dāng)中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負(fù)極的鋰離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。放電時(shí)內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子（Li＋）從負(fù)極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子（LiCoO2），從負(fù)極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的鋰離子越多，這個電池可以釋放的能量就越多。

車用電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以正負(fù)極活性物、電解質(zhì)、隔離膜三者組成最基本的鋰離子電池既電芯，當(dāng)多個電芯被同一個外殼框架封裝在一起進(jìn)行串、并聯(lián)就形成電池模組，例如，一個電池模組使用四個單體串聯(lián)提供名義上的12V的電壓，或者多個單體并聯(lián)提供更大的容量。并聯(lián)的電池組要求每個電池電壓相同，輸出的電壓等于一個電池的電壓，并聯(lián)電池組能提供更強(qiáng)的電流。串聯(lián)電池組沒有過多的要求，只要保證電池的容量差不多即可，串聯(lián)電池組可以提供較高的電壓。電池模組一般集成在汽車底盤形成整體電池包。如圖1所示為某車企底盤式方形電池模組電池包，其單組能量能達(dá)到24.5KW/h。

1.2 驅(qū)動電機(jī)

驅(qū)動電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，它是一種利用通電線圈（定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場形成磁電動力旋轉(zhuǎn)扭矩，通過高壓配電箱將動力電池的電流分配進(jìn)來利用DC/AC逆變器升壓或降壓進(jìn)入電機(jī)，驅(qū)動汽車的四個輪子實(shí)現(xiàn)車輛的行進(jìn)。

1.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是控制動力電源與電機(jī)之間能量傳輸?shù)难b置，同時(shí)其也能控制電流到達(dá)汽車的每一項(xiàng)控制單元，例如，現(xiàn)大部分車企都將電控系統(tǒng)做成多合一的集成控制器，其優(yōu)點(diǎn)是可將整車控制器包括電機(jī)控制器、變速箱控制器、電池管理系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向油泵、制動氣泵甚至是空調(diào)控制器、加熱（冷卻）系統(tǒng)等多項(xiàng)控制單元全部集中為整塊電控系統(tǒng)，方便電能隨時(shí)輸出，操作車輛所有的控制單元。

1.4 電池充放電系統(tǒng)

充電過程中，380伏高壓充電樁或220伏市用電源通過車輛充電口輸電給高壓配電箱，經(jīng)應(yīng)急開關(guān)后對動力電池進(jìn)行充電。整個充電過程電池管理系統(tǒng)（BMS）對動力電池的溫度及電壓進(jìn)行監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部單體溫度或電壓過高，即發(fā)出預(yù)警并切斷配電箱給動力電池輸電。

放電過程，動力電池在電池管理系統(tǒng)和漏電保護(hù)器的監(jiān)控下，通過應(yīng)急開關(guān)輸電給高壓配電箱，配電箱根據(jù)實(shí)際用電情況分配電量，一部分電量流向電機(jī)控制器，用于驅(qū)動車輛行駛；一部分電量流向DC/DC變換器和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)等控制器。

2 純電動汽車事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

2.1 行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

一是因缺少頂層設(shè)計(jì)規(guī)范，不同車企、不同批次、不同品牌的設(shè)備其本質(zhì)安全性和結(jié)構(gòu)布局差異較大，尤其是高壓集成設(shè)備、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)功能性差異明顯，其低配、簡配車輛安全性較差。二是很多車企為減輕整車重量，節(jié)省空間，保證續(xù)航，整車質(zhì)量越來越輕。隨著鋰電池的廣泛應(yīng)用，許多車企為使能量密度與空間的最大化，紛紛將傳統(tǒng)弱電系統(tǒng)中的12V、24V鉛酸電池替換成小型鋰電池，加大了電池?zé)崾Э仄鸹鸨ǖ娘L(fēng)險(xiǎn)。三是不同車企的鋰電池封裝方式各不一樣，常見的有圓柱形電池、軟包電池、方形電池、刀片電池等等，其安全性能也互不相同。例如：圓柱形電池排氣泄壓口設(shè)計(jì)較小，有極高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，電池容量較小，電池芯組裝時(shí)通常適用密集排列，易造成整體熱失控，傷害高，但其成本較低，加工工藝成熟，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，因此受到廣大車企青睞；軟包電池采用鋁塑膜軟殼包裝，質(zhì)量較輕，但其封裝環(huán)節(jié)較難控制，易發(fā)生鼓脹等問題，使得產(chǎn)品一致性較差，出現(xiàn)極端情況時(shí)容易被穿刺，自我保護(hù)性能較低；方形電池目前是國內(nèi)主流封閉電池形式，安全組件較為完善，包含有NSD針刺安全裝置、OSD過充保護(hù)裝置、防爆裝置等安全結(jié)構(gòu)。殼體通常為金屬鋁制外殼，相對于上述兩種電池形式，方形電池?fù)碛懈叩目臻g利用率，電池單體體積和容量也明顯優(yōu)于其他電池形式，但并不是說就沒有解體爆炸的可能，加上金屬外殼在爆炸的能量驅(qū)動下，造成的彈片傷害更高，單體電池爆炸后的金屬外殼碎片飛濺更易導(dǎo)致鄰近電池短路或產(chǎn)生穿刺引發(fā)鏈鎖熱失控反應(yīng)，目前部分企業(yè)已開始研發(fā)采用塑封殼進(jìn)一步降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)及危害；刀片電池是目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下相對最為安全的電池，采用將電芯扁長化設(shè)計(jì)，來進(jìn)一步改進(jìn)電池包集成效率的技術(shù)。它不是某一個特定尺寸的電芯，而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列電芯，正負(fù)極設(shè)置在刀片兩端，兩端都有防爆閥。相對于已有方形鋁殼電芯方案，這個電芯最明顯的優(yōu)勢在于散熱效果好，難點(diǎn)在于整個電芯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、內(nèi)阻、注液等，尤其是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，電芯需要依靠自身來實(shí)現(xiàn)支撐。針刺實(shí)驗(yàn)過程中，刀片電池幾乎不會發(fā)生熱失控，穿刺位置沒有火花、煙霧或電解液噴出，電池電壓下降和表面溫度上升都非常輕微，其缺點(diǎn)在于刀片電池所有電芯是通過結(jié)構(gòu)膠固定在一起，意味著后期其中一個電芯壞了，維修時(shí)無法拆開單獨(dú)處理，只能通過整包更換，維修成本較高。

2.2 鋰電池風(fēng)險(xiǎn)

由于鋰金屬化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，其性能非常適合做電池，但其風(fēng)險(xiǎn)也很高，由于存在鋰金屬負(fù)極，遇水會劇烈反應(yīng)，生成氫氣等易燃易爆氣體對于存儲、運(yùn)輸環(huán)節(jié)要求較高。尤其是密閉場所，如發(fā)生事故，極易發(fā)生爆炸，形式上與金屬火災(zāi)相似。為實(shí)現(xiàn)較好的充放電過程，需要活性物質(zhì)來做電池的正負(fù)極，正負(fù)極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)有序、可控的化學(xué)反應(yīng)。不穩(wěn)定的結(jié)果就是能量劇烈釋放，化學(xué)能將變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，其沖擊力巨大且不可逆。

2.2 高壓線路和設(shè)備漏電風(fēng)險(xiǎn)

純電動汽車的高壓設(shè)備主要有直流高壓和交流高壓兩種，直流高壓主要集中在驅(qū)動系統(tǒng)和電池系統(tǒng)，電壓通常能達(dá)到300-350V，個別品牌車輛能高達(dá)800V；交流高壓主要分布在逆變器（AC/DC雙向轉(zhuǎn)換器）與驅(qū)動電機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)之間以及充電接口與車載充電器之間。電池系統(tǒng)與充電期間高壓電為持續(xù)存在，車輛運(yùn)行期間逆變器、高壓導(dǎo)線、壓縮機(jī)和加熱器等設(shè)備也存在高壓風(fēng)險(xiǎn)，換言之，車輛行駛過程中如若發(fā)生事故，即便切斷高壓電系統(tǒng)，電池包也仍然帶電，電纜或交流高壓部件中的高壓電也將會持續(xù)存在數(shù)分鐘。

2.3 高溫?zé)煻疚ｋU(xiǎn)

純電動汽車電池材料多以錳酸鋰、三元鋰電、磷酸鐵鋰等為主，統(tǒng)稱為鋰離子電池，其充放電的原理為：鋰離子充當(dāng)電能的搬運(yùn)載體，與正負(fù)極材料來回發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。

在這種往返的化學(xué)反應(yīng)過程中，很容易因溫度的升高發(fā)生熱失控。其正、負(fù)極材料可作為氧化物，電解質(zhì)與隔膜為可燃物，如內(nèi)部發(fā)生短路溫度升高電能轉(zhuǎn)化為熱能，隨即產(chǎn)生燃燒，同時(shí)電解液中的一氧化碳、烯烴、烷烴、氟化氫等有毒有害氣體大量釋放出來，其燃燒溫度可達(dá)1000-2000℃，持續(xù)時(shí)間較長。

2.4 噴射火灼傷危險(xiǎn)

由于電池包電芯熱失控后內(nèi)部集聚大量熱量，電池模組又是一個大容量的環(huán)閉式整體，電芯單體、電池包上均設(shè)計(jì)有泄爆閥。當(dāng)電池內(nèi)壓力升高時(shí)，泄爆閥打開，易燃易爆氣體呈帶壓噴射狀燃燒，人員站位不合理容易被高溫?zé)熁鹱苽?/p>

2.5 氣體爆燃爆炸

電氣線路故障后電池包瞬間發(fā)生熱失控，如盲目打水或破拆，容易使電池內(nèi)部、車體內(nèi)部釋放聚集大量易燃易爆氣體，發(fā)生氣體空間化學(xué)爆燃、爆炸。

2.6 多種物質(zhì)疊加燃燒

發(fā)生火災(zāi)事故后，包括鋰電池、液壓油、制冷液等多類物質(zhì)燃燒，疊加高壓電流電壓，且電池包串并聯(lián)初期無法斷開，易形成立體燃燒。

3 純電動汽車事故處置措施

3.1 初期控火

純電動汽車在城市地下車庫、地上停車場、充電站等地點(diǎn)因設(shè)備故障或電池質(zhì)量等原因發(fā)生火災(zāi)，火勢處于熱失控初期時(shí)，可采用滅火毯遮蓋窒息滅火。需準(zhǔn)備一塊8mx6m以上，工作溫度不低于1000℃，軟化溫度不低于1600℃的滅火毯，利用安全繩將滅火毯四個角提前固定并繃緊，操作時(shí)兩名救援人員分別拉住兩個角從上風(fēng)方向接觸車體，覆蓋住整個著火車輛，保證四個角緊貼地面，待完全隔絕氧氣進(jìn)入并至少保持20分鐘。此方法僅適用于火災(zāi)初期，如電池內(nèi)部持續(xù)發(fā)生化學(xué)燃燒，滅火毯將無法有效滅火，同時(shí)，因需要人員牽拉覆蓋，一般不適用于高于2m的車輛類型。

3.2 轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)救援理念

純電動汽車無論發(fā)生交通事故還是火災(zāi)，都要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)第一時(shí)間“剪線、破拆、打水”的救援理念。首先，高壓電池包與車身為一體化設(shè)計(jì)，通常不設(shè)置維修開關(guān)，但設(shè)有高壓互鎖，其原理是給BMS電池管理系統(tǒng)一個切斷電池包繼電器的信號，但即便切斷繼電器，也只是斷開電池包的動力輸出，電池包內(nèi)部高壓電量仍持續(xù)存在，同時(shí)電池包熱管理系統(tǒng)的高壓電也不會斷，電池包內(nèi)部電壓長時(shí)間得不到釋放反而容易升溫升壓發(fā)生燃燒爆炸；其次，純電動汽車裝配的電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等保護(hù)裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電池溫度、電壓及充放電情況，遇到故障能及時(shí)通過控制信號啟動風(fēng)冷、液冷等制冷系統(tǒng)對電池包進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，其信號來源均由12V或24V低壓電控制，如盲目切斷低壓電源，將會導(dǎo)致動力電池冷卻、管理等系統(tǒng)失效，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池超溫、超壓、過充、過放等熱失控前兆并聯(lián)動相關(guān)安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)處理。因此事故過程中斷開高壓互鎖其實(shí)是沒作用的，而低壓電纜是不能剪斷的。由于高壓電存在電擊風(fēng)險(xiǎn)，在處置過程中非必要也不能破拆車體結(jié)構(gòu)，防止因破拆車體高壓設(shè)備和電纜線路導(dǎo)致人員觸電，同時(shí)還將引起短路導(dǎo)致整個電池包發(fā)生熱失控、燃燒爆炸。更加不能認(rèn)為熄火斷電后車輛就不帶電，電池包及相關(guān)電纜、設(shè)備內(nèi)高壓電仍然存續(xù)，盲目打水將導(dǎo)致高壓電擊和整個電池包瞬間短路。

3.3 判斷合適出水時(shí)機(jī)

前文講到，純電動汽車發(fā)生火災(zāi)嚴(yán)禁盲目打水，是因?yàn)殡姵匕w帶有高壓電且不能通過人為切斷。其實(shí)電池包的高壓電是由許多電芯串聯(lián)升壓、并聯(lián)升流而來，那么，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，熱失控開始電池包是帶高壓電，但隨著火勢擴(kuò)大，通過觀察，整個電池包過火燃燒后，車體兩側(cè)泄爆閥在承受不住內(nèi)部高壓后既會打開，電池模組出現(xiàn)噴射狀火焰后，可認(rèn)為每一顆電芯模組之間熔斷器既被燒斷，這時(shí)單個模組電壓下降到安全值（36V以下），即可出水進(jìn)行冷卻滅火，這時(shí)就需要大量的水進(jìn)行冷卻，待明火撲滅后，應(yīng)持續(xù)出水對電池組進(jìn)行冷卻，并使用熱成像儀、測溫儀進(jìn)行監(jiān)測，直至電池溫度降至正常環(huán)境溫度，經(jīng)評估無復(fù)燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)后方可停水。

4 結(jié)論

純電動汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電池包容量、體積大，熱失控后能量高，在處置過程中，要嚴(yán)格落實(shí)安全防護(hù)措施，嚴(yán)防觸電、爆炸、中毒和電池電解液的噴濺灼傷，到達(dá)處置現(xiàn)場后第一時(shí)間要查清車輛品牌、動力電池種類和安裝位置等信息，電池包全面過火燃燒前嚴(yán)禁抵近偵查或出水滅火，更不得盲目破拆。水槍陣地要充分考慮電池包位置、電芯和電池包泄爆閥朝向，避開泄爆口。

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