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浅谈电动汽车起火原因分析及消防安全管理对策
18702112137 | 2024-05-07 17:04:45    阅读:144   发布文章

王晓昭

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:为提升新能源汽车消防安全管理水平,从充电桩自身故障、擅自改装或加装电气设备等方面分析了新能源汽车着火的原因,阐述了新能源汽车发生火灾的机理,提出了新能源汽车消防安全管理对策。

关键词:新能源汽车;起火原因;机理分析;消防安全

0、引言

新能源产业是发展的重要方向。近年来,新能源汽车发展迅速,选择使用新能源汽车的人越来越多。我国已成为新能源电动汽车大国,截至2022年底,我国共有机动车4.17亿辆,而新能源汽车就有1310万辆,同比增长67.13%纯电动汽车达1045万辆,占新能源汽车总数的79.78%。从规模看,我国已成为全球最大的新能源汽车市场,产销量连续8年稳居世界首位。据统计,2022年我国新能源汽车产量为705.82万辆,同比增长96.9%,2022年我国新能源汽车销量688.7万辆,同比增长93.4%,提前完成了《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》中设置的2025年的阶段性目标,进入规模扩张的爆发期和全面市场化的拓展期。

在新能源汽车快速发展的同时,其消防安全状况也面临前所未有的挑战。据应急管理部消防救援局公布的2021年全国消防接处警与火灾情况,2021年全国新能源汽车火灾共发生3000余起。严峻的火灾情况引起消费者的关注和担忧,也给新能源汽车产业的持续安全发展带来挑战,加强安全保障已成为推动新能源汽车产业持续健康发展的当务之急和重中之重,强化新能源汽车消防安全已刻不容缓。

1、新能源汽车起火原因分析

新能源汽车起火,除了车辆自身在生产过程中存在的质量或电子元器件系统程序问题外,基本上都是所搭载的动力蓄电池起火,充电桩自身故障、新能源汽车发生碰撞或托底、擅自改装或加装电气设备、涉水、长时间处于高温热环境、蓄电池单体内部短路等,均会导致新能源汽车发生火灾或电池爆炸。具体原因有:


    1. 充电桩自身故障

充电桩在被汽车用户广泛接受的同时,充电场所的管理不到位,日常安全巡查监管缺失,充电桩电气线路老化破损漏电,电压、温升监测设施不完善,对防水防腐蚀等措施不重视等问题也浮出水面。充电桩自身质量导致的故障问题成为引发火灾的重要因素之一。充电桩在对新能源汽车充电过程中,由于充电桩自身质量问题引发火灾后,火势会沿着充电线路蔓延到新能源汽车的电池,使得电池内部发生反应和快速温升,从而引发电池着火或爆炸。


    1. 碰撞和托底

新能源汽车大部分采用三元锂电池作为动力蓄电池,三元锂电池比磷酸铁锂电池有较强的续航能力,但磷酸铁锂电池的安全性能要比三元锂电池高。在车辆发生碰撞时,外力会挤压到动力蓄电池里面的单体电池,导致单体电池内部结构或隔膜受到损伤和破坏,造成正负极短路而着火或爆炸。此外,之前由于电池箱体采用的材质不同,部分采用的是铸铁材料,会有砂眼,车辆托底时,如果电池箱体刚好被撞击或刮到,就会使其防护性能受到损伤或达不到等级,造成内部进水短路,发生自燃。还有公路上减速带的影响,也会造成车辆的颠簸或托底,使电池系统的电路受损或松动造成接触不良。


    1. 随意加装“增程宝”

现在市面上有很多“增程宝”之类的产品在售卖,号称可用来增加混电动汽车的续航里程。电动汽车在生产制造时一般都要经过严格的检验和设定,加装“增程宝”有可能会破坏原本的线束结构,造成线束防护等级受损。此外,“增程宝”的电池质量无法得到保证,极易出现自燃事故。加装的电气设备也是引发火灾的一个原因。


    1. 水浸

新能源汽车的电池系统一般会有灰尘和浸水的防护等级要求,但电池箱体的密封装置在长时间的风吹日晒和热量的影响下,会有所老化或损坏,车辆在下雨天行驶过程中,由于过水电压、温升监测设施不完善,对防水防腐蚀等措施不重视等问题也浮出水面。充电桩自身质量导致的故障问题成为引发火灾的重要因素之一。充电桩在对新能源汽车充电过程中,由于充电桩自身质量问题引发火灾后,火势会沿着充电线路蔓延到新能源汽车的电池,使得电池内部发生反应和快速温升,从而引发电池着火或爆炸。

1.5高温高热环境

新能源汽车有散热装置,平时行驶过程中散热系统正常工作,可以确保电池的热量及时散发,但车辆熄火后,散热系统就停止工作。若将车辆停放在温度过高的地方,如夏天的水泥地,长时间停放会使新能源汽车底部的电池吸收大量的热量,热量积聚而又得不到及时散热,也会引起电池热失控导致火灾。

1.6蓄电池单体内部短路

锂离子电池在低温环境中或大倍率充电过程中,当一些异常情况出现,如负极可嵌入的锂离子余量不够或充电机制不当等,就会有金属锂析出,这个过程不可逆,久而久之生成的金属锂会越来越多,尖锐的金属锂会刺穿电解质隔膜,造成蓄电池单体内部短路。此外,由于生产环境或操作等原因,蓄电池单体在生产过程中也会渗入一些杂质。当电池受到外力挤压时,析锂和这些杂质可能发生针刺,引起电池单体内部短路,产生的热量集聚超过临界点后就会引起热失控,造成电池着火或爆炸。

2、新能源汽车发生火灾的机理分析

从上述六类新能源汽车发生火灾事故的原因来看,发生机理可概括成如下3类:

2.1电池自身火灾事故的机理分析

新能源电动汽车电池发生火灾或爆炸,内因是热失控。热失控是指锂离子电池内部局部或整体的温度急速上升,热量不能及时散去,大量积聚在内部并诱发进一步的副反应。热失控是一种剧烈、危害性高,常伴有电池“胀气”甚至出现起火爆炸的过程。通常这类火灾事故发生时,迅速而且破坏力大。热失控的反应过程分为3个阶段:一是热引发阶段。指电池受到机械碰撞或过充短路引起发热,热量积聚达到100℃左右的这个过程。二是热加速阶段。随着热量的集聚,温度越来越高,会引起SEI膜分解,负极与电解液反应,隔膜闭孔。三是热失控阶段。单个电池的异常温升,会影响周边其他单体的连锁反应,从而造成整个电池内部短路、正极材料分解,电解液开始分解,分解物还会与正极、负极发生反应,多种反应同时进行导致大量的热量生成,最后导致电芯膜破裂,电解液喷出,发生着火爆炸。中科大火灾科学国家重点实验室研究发现,如果电池的极耳温度达到99℃,电池就可能达到起火的临界状态。

2.2车辆碰撞及电气系统引起的火灾机理分析

新能源车辆发生碰撞或者车辆的电气系统发生故障也会引发火灾。车辆碰撞时,有可能导致电池包的针刺或挤压变形,从而引发电池热失控,这种是外力的作用导致热失控,着火机理与上文的机理一过程相似。但如果是电气系统故障,如电机控制器和IGBT短路或浸水,就会导致车辆的电气线路短路。

2.3充电设备引起的火灾事故机理分析

充电桩设备本身的质量问题、管理不规范等也会导致正在充电的新能源汽车着火,充电桩对防水、防尘、防腐蚀、漏电和过充保护、通信程序指令的设置都有着严格的安装和管理规定,电气线路老化未检修更换、监测反馈系统提示安全警告但没有及时处理等都会最终导致火灾的发生。此外,新能源汽车电池充满电后,充电过载保护系统反馈程序或设备出现故障,导致充电桩接收不到充电停止的指令,从而继续充电导致电池热失控。由过充引起的热失控可能来自两个方面:电流流过产生的热量或者阴阳极发生的副反应产生的反应热。锂离子电池在使用过程中,充放电状态SOC越高,热失控的诱发温度越低。在100%充放电状态下,电池热失控的诱发温度在100℃左右,在50%充放电状态下,温度则要140℃左右才能诱发电池的热失控。因此,充电桩自身质量问题或管理漏洞也会造成新能源汽车起火。

3、新能源汽车消防安全管理对策

确保新能源汽车更快更好发展符合国家的发展战略和人民群众的切身利益,解决新能源汽车的消防安全稳定性是必不可少的关键一环。提升新能源汽车的消防安全水平,建议从以下几个方面考虑:

3.1研发提升新能源汽车的产品质量安全

提升新能源汽车的产品质量安全是降低新能源汽车火灾的源头性课题,特别是要针对电池材料的安全性能进行突破性的改进,使其实用性能和品质、安全性得到显著提升。各新能源汽车生产企业要从产品设计研发阶段开始严格标准,注重产品质量,切实提升安全意识,充分考虑和反复验证新能源汽车的电池、电路、电气零部件等组成部分在整车处于正常运行或遇到恶劣环境过程中的协调可靠性、完整性和安全性。新能源汽车的安全性要在已有事故权威调查结果分析基础上,查找漏洞源头,切实改进安全措施并充分验证安全措施的可行性,杜绝隐患,确保万无一失。如在科研项目中设置专项经费,研究新能源汽车在暴风雨、高温、冰雪、雾霾、尘土、高原缺氧等恶劣环境下的热导系统安全稳定性和受影响程度,汽车受特定力度在正面、后面、侧面等不同方位撞击或刮碰后,评判电池是否还具备安全稳定性,是否超过了温升的标准和要求。此外,可以依据实验条件,结合实际事故原因,建立安全事故预测模型,完善具体情形下的安全措施。

3.2实现智能车载监控系统与智慧消防监管平台的信息共享

新能源汽车要坚持以预防为主的原则,完善配备智能化的车载全天候自动监控系统,保障车辆在关闭电源的情况下,也能实现对新能源汽车的安全状态特别是电池的温控情况进行实时监测,当监控系统监测到有异常情况时,应能迅速上报数据情况和报警信息到车企或电池厂商终端,同时也能及时预警,提醒告知驾驶员和车主本人进行车辆状态检查和维保。此外,车载监控系统平台还应与国家智慧消防监管平台进行有效对接,当新能源汽车作出安全警示判断时,即可将该车辆的位置信息、车辆参数、异常情况同步传输到智慧消防监管平台,为就近的消防救援力量提供第一手资料并制定有效的应急处置措施。

3.3制定更加严格的安全标准和规范

新能源汽车生产的各个环节必须严格执行新能源汽车的相关国家标准和规范,生产企业也必须熟悉并贯彻落实标准规范对新能源汽车各个分支类型各项指标的具体要求,将安全防护措施落实在各个组件和各个系统的设计生产环节中。针对技术落后、标准较低、安全性能得不到保障、不合时宜的标准规范条款,要组织全国的权威专家和技术骨干在充分调研评估的基础上进行修订完善,出台更加严格更加安全的标准和规范。

3.4细化充电桩的设置要求和强化充电桩消防安全管理

目前,社会上既有专门用于新能源车充电的集中充电场所,也有群众自行在车库或者私人场所安装的充电桩,但散装的充电桩基本与燃油汽车停放在一个区域,因此为了防止发生火灾后火势扩大,有条件的建筑物或者新建的建筑物可以考虑设置独立的新能源汽车集中充电的区域,并完善配套出台相应的法律法规和规章制度等,如视情考虑在地下停车库设置新能源汽车独立停放充电的防火分区。严格落实充电桩的过流、急停、充电枪插拔保护等措施,在充电桩上安装联网式电压实时监测及温升传感警报装置,当监测到电压或温度异常时,充电桩能自动断电并同时向车主和监测终端发出警报[4]。此外,行业主管部门应督促、检查、考评充电桩安装企业或充电桩厂主是否建立充电桩定期巡查检修制度,是否存在电气线路老化、漏电、无设置温升和电压监测装置、安全性能无保障等现象。

3.5完善责任追究机制

新能源汽车火灾安全事故发生后,要严查火灾事故原因,落实责任追究。相关安全事故主管部门要成立调查小组,对事故原因开展深入的延伸调查和分析,如原因涉及新能源汽车或电池生产厂商降低生产标准,质量把控不严,实验条件弄虚作假等原因,要加大处罚力度,追究相关公司及责任人、管理人的刑事或行政责任,并及时将涉事企业在新闻媒体进行曝光,同时将企业和相关责任人员纳入诚信惩戒体系。此外,还应将新能源汽车火灾事故纳入相关主管行业部门或协会对车企、电池厂商的年度考核或评价体系,并将其作为补贴发放的标准之一,进一步强化生产厂商的安全责任意识,倒逼企业从研发设计和生产过程等环节注重消防安全性能的提升。

3.6规范用车和科学保养

预防新能源汽车起火可以从用车和保养车的角度做起,一是在用车时避免暴力驾驶,暴力驾驶不利于电池的保养,会加剧电池的负荷,容易引起电池老化,导致电池散热不均匀的情况,以致出现电池热失控。二是不能随意改装或者加装电器,这样容易使线路出现短路。三是在充电方面,尽量选择智能充电桩和慢充,避免使用快充,快充容易使电池内部出现过流、过充和过热等情况。从保养车的角度来看,定期进行车辆的保养,检查电池的使用状况以及电控单元等,这样可以提前排查安全隐患,降低起火的风险。

4、安科瑞AcrelCloud-9000充电站运营平台

4.1平台概述

安科瑞充电站运营平台依托物联网、云计算、互联网、大数据、AI等技术,对充电站配电系统的运行、电能消耗、电能质量、充电安全和行为安全进行实时监控和预警,为充电站的可靠、安全、经济运行提供保障,并及时切除安全隐患、避免电气火灾发生,从而保障人员的生命财产安全,打造“安全、高效、舒适、绿色”的“人—车—桩—电网—互联网—多种增值业务”的智慧充电站,提升充电站的社会和经济价值。

4.2适用场合

可广泛应用于医院、学校、酒店、体育场等公共建筑;商业广场、产业园等综合园区;企业、住宅小区等场所。

4.3系统结构

平台采用分层分布式结构,主要由感知层、网络层和平台层三个部分组成,详细拓扑结构如下:

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现场设备层:连接于网络中的各类传感器,包括多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电能质量分析仪表、电气火灾探测器、限流式保护器、烟雾传感器、测温装置、智能插座、摄像头等。

网络通讯层:包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据,并可进行规约转换,数据存储,并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器,智能网关可在网络故障时将数据存储在本地,待网络恢复时从中断的位置继续上传数据,保证服务器端数据不丢失。

平台管理层:包含应用服务器和数据服务器,完成对现场所有智能设备的数据交换,可在PC端或移动端实现实时监测充电站配电系统运行状态、充电桩的工作状态、充电过程及人员行为,并完成微信、支付宝在线支付等应用。

多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电气火灾探测器、限流式保护器、智能插座可通过全网通4G通讯模组与平台直接通讯。

电能质量分析仪表、烟雾传感器和测温装置通过RS485,摄像头通过RJ45与智能网关通讯,再由智能网关通讯通过4G统一与平台通讯。

限流式保护器既可以通过4G连接平台,也可以通过RS485连接网关。

平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后,客户可以在任意能联网的地方,通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

4.4相关产品介绍

4.4.1 7KW交流充电桩AEV-AC007D

产品功能

1)智能监测:充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能,如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动控制等。

2)智能计量:输出配置智能电能表,进行充电计量,具备完善的通信功能,可将计量信息通过RS485分别上传给充电桩智能控制器和网络运营平台。

3)云平台:具备连接云平台的功能,可以实现实时监控,财务报表分析等等。

4)保护功能:具备防雷保护、过载保护、短路保护,漏电保护和接地保护等功能。

5)材质可靠:保证长期使用并抵御复杂天气环境。

6)适配车型:满足国标充电接口,适配所有符合GB/T20234.2-2015国标的电动汽车,适应不同车型的不同功率。

7)资产安全:产品全部由中国平安保险承保,充分保障设备、车辆、人员的安全。

4.4.2直流充电桩系列

4.4.3电气火灾探测器ARCM300T-Z-4G

产品功能:

1)电表由独立的专用计量芯片进行电压、电流、电能的计量;

2)LCD字段显示,支持四按键编程;

3)支持470Mhz~510MhzLora无线通讯,频道和扩频因数可设置、支持RS485通讯,波特率1200bps-9600bps可设,奇偶校验位可设、支持红外通讯;

4)支持2G、NB、4G通过直接上传平台;

5)支持监测设备主动上报停上电信息;

6)支持穿刺夹取电、磁钢取电等,满足不断电施工的技术要求;

7)支持标准的DIN35导轨安装、安装完成后可加装铅封盖,防止私自拆卸;

8)支持全电力参数测量(U、I、P、Q、S、PF、F),电压及电流不平衡度,电压电流相

4.4.4限流式保护器ASCP200

产品功能:

1)短路保护:保护器实时监测用电线路电流,当线路发生短路故障时,能在150微秒内实现快速限流保护,并发出声光报警信号;

2)过载保护:当线路电流过载且持续时间超过动作时间(3~60秒可设)时,保护器启动限流保护,并发出声光报警信号;

3)表内超温保护:当保护器内部器件工作温度过高时,保护器实施超温限流保护,并发出声光报警信号;

4)组网通讯:保护器具有1路RS485接口,可以将数据发送到后台监控系统,实现远程监控。

4.5平台功能

4.5.1首页

平台首页显示充电站的位置及在线情况,统计充电站的充电数据

4.5.2实时监控

1)充电站监控

可以按站点名称进行筛选,显示站点详情、充电枪列表、统计订单信息、故障记录,点击某个充电枪编号后在进入充电枪监控页面实时监测变压器负荷(搭配ACM300T、ADW300),当负荷超过50%时,系统会限制新增开始充电的充电桩的功率,降为50%,当变压器负荷超过80%时,系统将不允许新增充电桩开始充电,直到负荷下降为止。如图所示:

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统计当前充电站各充电桩回路的数据;通过卡片的形式展现充电桩的数据;显示故障列表;如图所示:

2)充电桩监控

显示充电桩充电数据;显示各回路的充电状态;可以对充电中的回路进行手动终止;显示订单信息、故障信息;如图所示:

3)设备监控

显示限流式保护器的状态,包括线路中的剩余电流、温度及异常报警,如图所示:

4.5.3故障管理

1)故障查询

故障查询中记录了登录用户相关联的所有故障信息。如图所示:

2)故障派发

故障派发中记录了当前待派发的故障信息。如图所示:

3)故障处理

故障处理中记录了当前待处理的故障信息。如图所示:

4.5.4能耗分析

在能耗分析中,可查看指定时段关联站点和关联桩的能耗信息并显示对应的能耗趋势图。如图所示:

4.5.5故障分析

在故障分析中,可查看相关时间内的故障数、故障状态、故障类型、趋势分析以及故障列表。如图所示:

4.5.6财务报表

在财务报表中,可根据时间查看关联站点的财务数据。如图所示:

4.5.7收益查询

在收益查询中,可查看总的收益统计、收益变化曲线图、支付占比饼图以及实际收益报表。如图所示:

5、结语

综上所述,要降低新能源汽车火灾事故的概率,需要根据新能源汽车的内部结构和动力电池的火灾特点,采取多样化的防控措施,如提升新能源汽车的产品质量安全,实现智能车载监控系统与智慧消防监管平台的信息共享,完善制定更加严格的安全标准和规范,细化充电桩的设置要求和强化充电桩消防安全管理,规范用车和科学保养等,以便新能源汽车在发生安全故障提醒及火灾事故时,能够及时预警,方便车主或厂家提前介入,有针对性地进行高效处置,最大限度地减少新能源车汽车火灾事故的发生概率。

参考文献

  1. 中国政府网.2022年我国机动车保有量达4.17亿辆

  2. 央视网.应急管理部消防救援局公布2021年全国消防接处警与火灾情况

  3. 吴志强,廖承林,李勇.新能源电动汽车消防安全现状与思考[J].消防科学与技术,2019,38(1):148-150.

  4. 朱小彤.新能源电动汽车消防安全现状与思考[J].新型工业化,2021,11(7):203-204.

  5. 黎子进.新能源汽车起火原因分析及消防安全管理对策.2096-1227(2023)11-0094-03.

  6. 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.


作者简介:作者简介:王晓昭,女,现任职于安科瑞电气股份有限公司, 产品咨询  187   0211   2137

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