电动汽车充电站火灾防控探究

摘要：我国汽车产业的产销量实现了多年的稳定增长，新能源汽车发展态势良好。面对近年来电动车火灾事故频发的现实，其安全问题也日益凸显，新能源车本身的安全问题和停放场所的安全问题，成为了我们研究的对象。

关键词：电动汽车；电池热失控；火灾及灭火；停车场

前言

电动汽车在行驶、撞击、充电等多方面存在电池热失控火灾风险，而停放场所电动车自然现象也常见报道。新能源汽车电池起火与传统燃油车的灭火方式存在本质上的不同，给灭火救援带来困难，而且新能源汽车燃烧剧烈的程度和燃烧的危害程度超出了常规，因此，有效应对电动汽车在热失控引发导致的火灾问题，特别是停车充电场所新能源车爆燃安全问题更迫切需要得到重视。应对室外电动汽车充电火灾，本文探讨增设室外集中充电停车场所消防喷淋设施的措施。

一、电动汽车火灾特点

纯电动汽车车辆结构、动力来源和驱动方式与燃油汽车不同，动力电池包电压高，能量密度大，高压线束分布广，事故突发性强，不可控性大，易引发除事故车本身之外的火灾、爆炸等连锁反应，火灾危险性明显高于传统的燃油汽车。

电动汽车的电池起火快，易爆燃，一旦起火，一般都会火势猛烈，燃烧持续时间长，而常规灭火器也很难扑灭。动力电池发生火灾，具有火点隐蔽难控和可燃气体喷射火等多种燃烧形态，火势蔓延迅速、火焰温度高，火灾扑救技术要求高，这让消防救援技术面临新的考验。

电池火灾事故潜在危险性大，燃烧产生大量有毒有害、易燃易爆气体，伴随触电、爆炸、中毒、灼伤和腐蚀等危险，安全防护要求高，警戒范围大，导致现场处置风险很高。

新能源汽车发展迅速，传统室外停车场安全设施不足，驾驶人员对新能源车爆燃的特性认识不足，停车场管理人员对它的安全应急处置措施有限。

二、电动汽车起火的原因分析

1充电起火：电动汽车在充电时，电池内部可能产生过多的热量和气体，进而引发火灾。这可能是由于充电器故障、电池故障、电路问题或使用不当的充电器等因素引起的。此外，使用低质量的充电设备也会增加起火的风险。

2高温起火：电池内部温度过高是引发火灾的一个新的因素。除了充电过度导致高温引发爆燃外，过度放电、内部短路或外部因素也是事故多发的原因。高温的停放环境或长时间高强度行驶后，同样会导致电池内部化学反应失控，产生高热量和可燃气体，进而引发火灾。

3碰撞起火：当车辆发生碰撞时，电池可能会受到损坏，导致电池内部化学反应失控，产生大量热量和气体，进而引发火灾。此外，碰撞还可能导致电池与其他部件短路，起火亦不可预测。

4电池损伤起火：电池在使用过程中可能会遭受撞击、挤压或损坏，这些情况会导致电池内部短路或电*直接接触，它引发电池热失控随时可能发生。

5电池老化起火：随着电池使用时间的增加，电池会出现老化、膨胀、变形等现象，这些现象都会导致电池内部结构变化，使电池热失控的风险增加。据统计，充电起火占据电动汽车起火地位，在集中的停车充电场所，一台电动汽车发生火灾后，可能引燃周边其他车辆，这种连锁反应往往导致的灾害更加严重，所以关注停车充电场所的电动汽车火灾防控更具有现实意义。

三、电池热失控的危害

目前，我国大部分电动汽车都采用锂电池。在锂离子电池发生热失控时，会产生大量可燃和有毒气体。根据国内研究机构的报告，有毒气体主要包括一氧化碳（CO）、氧化氮（NO）、氟化氢（HF）、二氧化硫（SO2）、氯化氢（HCl）和氰化氢（HCN）。而易燃易爆气体则包括氢气（H2）和甲烷（CH4）等［1-3］。易燃易爆气体的爆炸性很强，爆炸下限为4.83%，爆炸上限达到73.77%［1］。当锂离子电池发生热失控时，除了产生热量外，还会产生易燃易爆气体，导致电池内部气压升高。一旦气压超过一定限度，电池表层就会破裂，并向外喷射气体以释放压力。电动汽车火灾中会释放大量有毒气体，其中，氟化氢有毒气体是锂离子电动汽车燃烧与燃油汽车燃烧释放气体的区别［2］。然而，这种严重的污染对人的健康和环境的影响尚未纳入专家的研究范围。当电池的放热温度较高时（研究表明热失控电池内部温度可达1000℃），喷射出的气体很容易被点燃，从而引发射流火现象。当狭小空间内存在多个电池时，单个电池的热失控可能导致其他电池的温度上升，进而引发连锁反应。这种多米诺骨牌效应会叠加能量，使燃烧迅速蔓延，人们应对的时间非常有限。在国内的实验研究中，发现单片（单个电池模块）或少量电池热失控过程中的化学能与燃烧热之和分别为其储存电能的3～4倍。电池热失控过程包括电池膨胀、射流火和稳定燃烧等阶段。在热失控过程中，充电状态（SOC）位100%时的电池火焰温度可达1500℃，且高SOC的电池具有更高的火灾危险性。高SOC的电池在相同热源下具有更短的热失控触发时间和更剧烈的燃烧现象。面对新能源汽车一旦爆燃就无法解决的问题，事故车环境危害方面的研究相对有限。这些都给新能源车火灾事故时，空间换安全提出了更高的要求。

1. 现有灭火器对新能源车电池火灾作用有限

我国目前主流灭火器种类及使用要求如下：

1水基型灭火器：能迅速降低火场温度，隔离氧气来进行灭火，适用于扑灭A类火灾。

2干粉式灭火器：主要通过化学来进行灭火的，同时也可起到隔绝氧气，进而窒息灭火，适用扑救A类、B类、C类火灾。

3二氧化碳灭火器：二氧化碳灭火器一是窒息作用，二是冷却作用，适用扑灭A类。

4洁净气体灭火器：洁净气体灭火器中的灭火剂与火焰接触时发生一系列物理、化学反应，使燃烧中断，适用于B类、C类火灾以及E类的初期火灾。结合新能源车热失控机理，我们认为，面对不需要氧气参与的持续剧烈燃爆，目前这些灭火剂都不能有效阻止电池内部的化学反应。事故发生后如何防止火灾的扩大蔓延和有效止损才是我们应该关注的问题。因此，对停车场所重新进行安全设计与安全配置才是我们现在要做的工作。涉及到健康产品的企业更应该积极参与研究。

1. 空旷场地上电动汽车电池热失控的常规操作

因为电池热失控整个过程不需要氧气，就能持续放热及喷射易燃易爆气体，造成目前全世界尚未找到有效的灭火剂；传统上的灭火剂的灭火机理都是通过降温、窒息（隔绝氧气）、化学抑*等手段；常规的降温也不能有效阻止电池热失控持续释放能量。消防研究基金会进行的燃烧试验表明，除非可充电电池被充分冷却，热失控过程被停止，否则，锂离子电池*易发生复燃。对此，汽车工程学会团体标准T/CSAE84-2018《电动汽车火灾事故救援规程》规定：当高压电池着火时应使用大量、持续的水灭火。广东省的《电动汽车充电基础设施建设技术规程》、河北省的《电动汽车充电站消防安全技术标准》等多个地方标准都规定：灭火器宜采用水基型手提式灭火器；在充电基础设施附近，宜增加配置灭火剂充装量不小于60L的推车式水基型灭火器或推车式水喷雾灭火器。2022年3月12日至13日，清华合肥院联合海南省消防救援总队、安徽省消防救援总队、科技大学火灾科学实验室、合肥科大立安安全技术有限责任公司等单位，在合肥市开展了全尺寸电动汽车燃烧实验。实验结果表明，电池舱需要大量冷却液冷却防止复燃［3］。

特斯拉的应急救援手册中对电动汽车电池火灾作出明确规定：如果高电压电池在火灾中弯曲、扭曲、损坏，灭火时消防用水要有足够的量。常规灭火剂可熄灭电池的明火，但目前并没有一种适用于所有外部环境、电池状态，以及电池材料的灭火剂［4］。研究表明，水仍然是目前有效的抑制剂，可以扑灭火焰并冷却电池。在未来，更多的电动汽车和充电站也应该具备更好的消防系统。

1. 室外充电场所安装自动喷水灭火系统的可行性

电池热失控新的应对措施未研发出来前，采用持续水降温是个阻止电池热失控放缓或停止发生的有效办法。因此，改造传统停车场所，适应新能源车安全的新型停车场所应该是我们亟待解决的问题。在设备配置上，对地上电动汽车集中停放充电场所安装自动喷水系统，持续用水对起火电动汽车降温阻止电池热失控放缓或停止是可行的，也是经济有效的。当室外电动汽车停车充电场所安装了消防自动喷水系统时，当充电汽车起火时，通过感烟或感温探测器的信号反馈，喷头开启并开始自动喷水灭火。自动喷水系统在电动汽车热失控火灾时能够体现多方面的优势：一是灭火时不需要大量人员就可自动持续完成灭火任务，从根本上提高了灭火效率；二是灭火迅速，电池热失控时，提前有效控制火灾扩大蔓延，避免损失进一步扩大，降低了环境污染；三是不存在救援人员的触电、中毒、灼伤等一系列安全风险；四是灭火可不需要专业的消防队伍支援，节约了人力物力资源。

七、安科瑞智慧消防云平台

1平台概述

安科瑞智慧消防云平台依托物联网、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、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。

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。

3组网架构

平台采用分层分布式结构，主要由终端感知设备、边缘计算网关和能效管理平台层三个部分组成，详细拓扑结构如下：

4参考选型

5相关产品介绍

5.1 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/T 20234.2-2015国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。

（7）资产安全：产品全部由平安保险承保，充分保障设备、车辆、人员的安全。

5.2 直流充电桩系列

5.3电气火灾探测器ARCM300-Z

5.4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。

6平台功能

6.1 登录

6.2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

6.3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：

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：

6.4 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：

6.5能耗分析

在能耗分析中，可查看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：

6.6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：

6.7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：

6.8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：

7案例实景

八、结语

室外停车充电场所电池热失控早期现场人员可用干粉灭火器进行应急喷洒扑救，一旦电池发生热失控，车上及周边人员应尽快撤离起火灾车辆现场，确保人身安全。室外集中停车充电场所电动汽车电池热失控后，室外充电场所使用消防喷淋系统对起火电动汽车持续进行冷却，可以防止火灾蔓延扩大，且是目前可行和有效的措施。

参考文献

［1］陈钦佩,王学辉,米文忠.电动汽车锂离子电池系统热失控气体毒害及爆炸特性研究[J].储能科学与技术,2023,12(7):2256-2262.

［2］杨晓菡,张怡,邓玲,等.锂离子电池汽车全尺寸火灾试验研究进展综述[J].消防科学与技术,2024,43(1):29-33.

［3］清华大学合肥公共安全研究院.清华合肥院组织开展电动汽车消防安全关键技术交流会议暨电动汽车燃烧实验[EB/OL].(2024-05-02)[2023-04-24]

［4］贾子润,王震坡,王秋诗,等.新能源汽车动力电池热失控机理和安全风险管控方法的研究[J].汽车工程,2022,44(11):1689-1705.

［5］朱明生，李培，杨浩，程丽.室外集中停车充电场所电动汽车火灾灭火探究.湖北中烟工业有限责任公司广水卷烟厂，湖北广水432799

[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册2019.11版