鉅大LARGE | 點擊量：836次 | 2019年05月23日
電動汽車安全事故及滅火機理分析
5月17日，電車資源主辦的2019中國（西安）新能源汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會在星河灣大酒店召開。中國科學院電工研究所研究員廖承林圍繞“電動汽車安全事故機理分析、電動汽車滅火機理分析、電動汽車智慧消防安全解決方案”等幾大重點，發(fā)表了“新能源汽車消防安全”專題演講。
廖承林：新能源汽車消防安全
中國科學院電工研究所研究員廖承林
以下是廖承林演講的主要內(nèi)容：
背景和意義
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2018年我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別完成了127萬輛和125.6萬輛，同比分別增長了59.9%和61.7%。預計2019年新能源汽車產(chǎn)銷量將超過200萬輛，保有量將達到450萬輛。歐陽明高院士預測，到2030年電動汽車保有量樂觀估計占比將可達50%，數(shù)量最高將可達1億輛。電動汽車快速發(fā)展，意味著電動汽車更嚴峻的安全考驗。
《中國新能源汽車大數(shù)據(jù)研究報告（2018）》顯示，新能源車在使用期間發(fā)生質(zhì)量問題的比率遠遠超過傳統(tǒng)燃油車，日故障率達到18.39%。廖承林表示，質(zhì)量問題頻發(fā)的主要原因是2014年和2015年新能源汽車激增，大量存在質(zhì)量瑕疵的產(chǎn)品涌入市場，他認為后期故障率將會逐漸下降。
業(yè)內(nèi)普遍認為，安全問題將決定整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)的成敗。中國科學院院士歐陽明高認為產(chǎn)品質(zhì)量問題是近期新能源汽車起火事件主要原因。提議提高準入門檻，實施安全年檢。國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新工程專家組組長王秉剛認為對安全監(jiān)控網(wǎng)絡流于形式。消防部門也一直在關(guān)注新能源汽車的消防安全問題。上海消防研究所十二五期間承擔了國家“863”計劃子課題“電動汽車消防安全技術(shù)規(guī)范體系研究”項目研究任務，提出了《電動汽車行業(yè)消防安全技術(shù)規(guī)范體系框架》。中國汽車工程學會和中國消防協(xié)會聯(lián)合組織了七項電動汽車消防安全團體標準。
電動汽車，尤其是公共交通出行領(lǐng)域電動汽車的消防安全問題，引起了社會的廣泛關(guān)注，對公共安全、國家消防應急管理和新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，加強消防安全保障已成為推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的當務之急和重中之重。廖承林提出基于智慧消防對電動汽車消防安全事故進行全天后監(jiān)控，提前預判并及時預警。如何控制或延緩早期安全失控事故的發(fā)生，如何提高電動汽車消防救援技術(shù)水平和能力等，既是目前的研究盲點，也是當前形勢下國家應急管理部門亟待解決的重大課題。
電動汽車安全事故機理分析
從消防的角度，電動汽車安全事故主要可以分為三類：電池熱失控引起的安全事故、車輛引起的安全事故和充電設(shè)施引起的安全事故。
電池熱失控的安全事故及機理分析：單體動力電池的熱失控過程可以分為三個階段：使用過程中電池會發(fā)熱，出現(xiàn)安全隱患后發(fā)熱增加到接近100攝氏度的位置即熱引發(fā)階段，此后進入自生熱加速期階段，從引起SEI膜分解開始，逐步產(chǎn)生隔膜閉孔、負極與電解液反應。熱失控階段發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路、正極材料分解，產(chǎn)生大量熱量引起電解液開始燃燒，電池的溫度可升高400至1000度。而電池健康狀態(tài)出現(xiàn)問題到熱失控是一個長時間的化學反應過程，因此，廖承林認為，從預警來說更多要關(guān)注熱引發(fā)之前怎么判斷出電池受損，怎么預防、報警、處理。
車輛引起的安全事故及機理分析：新能源電動汽車車輛本身也會引起安全失控，主要包括碰撞安全和電氣安全。碰撞安全方面，常規(guī)汽車主要的安全就是碰撞安全，但新能源汽車碰撞有可能導致電池熱失控，從而引起火災。電氣安全方面，主要表現(xiàn)為短路引起火災，包括使用過程中電氣線路如電機控制器和IGBT短路或暴雨積水長時間浸泡導致進水引起短路等。
充電設(shè)施引起的安全事故及機理分析：充電設(shè)備的質(zhì)量問題、規(guī)范問題、管理問題和充電設(shè)備與電動汽車之家的通信可靠性問題，都是重要的安全隱患。
廖承林表示，三類事故中，鋰離子電池起火的主要原因主要是電池過熱而造成的熱失控，這種過熱在電池充放電過程中最容易發(fā)生。如果熱量不能夠及時地快速散出，高溫會加速動力電池老化甚至出現(xiàn)熱失控，從而引發(fā)起火災、爆燃等事故。新能源車起火的顯著特點是：自帶氧、自封閉、難目測、易復燃、危害大。
電動汽車滅火機理分析
根據(jù)電池熱失控機理可知，從電池出現(xiàn)問題到熱引發(fā)階段需要較長時期，一般監(jiān)控手段無法判斷，更無法目測，需要通過對電池安全狀態(tài)建模，研究安全預警分級算法，才能給出足夠的處理時間。當熱失控不可逆到能夠目測到煙霧等信息時，一般只有幾分鐘時間。當出現(xiàn)煙霧等信息到發(fā)生猛烈燃燒，一般只有短短幾十秒。
從滅火機理而言，主要包括冷卻滅火、窒息滅火、隔離滅火、抑制燃燒連鎖反應滅火。針對電池包而言，主要是通過冷卻降溫、抑制燃燒連鎖反應和通過一些滅火器把氧氣隔絕開。2019年3月1日正式實施的交通運輸行業(yè)標準《城市公共汽電車車輛專用安全設(shè)施技術(shù)要求》（JT/T1240）中，對電池艙和電池箱滅火裝置等一系列安全設(shè)施做出了明確規(guī)定：新能源公交車應配置具有熱失控預警、火災報警及火災抑制功能的電池箱滅火裝置，裝置應在檢測到儲能裝置熱失控和火情時發(fā)出警報，并明確要求“確保熱事故信號發(fā)生后5分鐘內(nèi)沒有發(fā)生電池箱外部起火或爆炸”。
總體而言，防范電動汽車起火及爆炸，應預防為主，滅火為輔，提升監(jiān)測預警技術(shù)并介入必要的自動滅火措施。
美國國家消防協(xié)會針對電動汽車消防安全涉及的個人防護設(shè)備、消防滅火策略、火災后的最佳清理措施等研究多年。使用大量的水作為電動汽車電池熱失控的滅火劑。廖承林表示，主要可借鑒的是，使用大量的水作為電動汽車電池熱失控后消防救援時的滅火劑；使用干粉、二氧化碳、泡沫滅火劑的效果不好，因為無法與電芯直接接觸。
電動汽車智慧消防安全解決方案
消防安全不是單純說誰的事情，需要連接很多方面，所以智慧消防可以用到車聯(lián)網(wǎng)的一些理念。解決思路主要包括：從產(chǎn)品質(zhì)量入手，包括制定嚴格的安全標準和規(guī)范，提高準入條件；對新能源汽車的消防安全進行全天候無死角的實時監(jiān)控；從政策上把安全放在首位，納入城市消防體系。
廖承林提到的智慧消防的一個總體解決方案思路，實際上類似于一般物聯(lián)網(wǎng)，通過多維度全面感知，包括溫度、一氧化碳、煙霧等，利用智能終端的邊緣計算和處理能力可以實時提前判斷火災前期的產(chǎn)生和簡單處理，還可以通過遠端云平臺的智慧算法給出進一步的計算結(jié)果和處理意見。邊緣處理的部分功能實際也可以通過管理系統(tǒng)BMS來實現(xiàn)。
廖承林表示，消防平臺很重要就是要有一個專業(yè)的團隊，或者專業(yè)運維人員和企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)Υ罅繗v史數(shù)據(jù)信息處理和自動產(chǎn)生響應，而不是說有人值班的時候才可以看到。通過一些智慧消防措施，讓大數(shù)據(jù)挖掘的信息通過專業(yè)級數(shù)據(jù)庫能夠體現(xiàn)發(fā)掘出來。消防平臺還涉及到跟國家應急安全管理部門智慧消防平臺的連接，而且涉及到用戶、車主通過云平臺對接，全方位保證安全事故在全面監(jiān)控管理狀態(tài)下。智慧消防平臺的功能主要包括：車輛監(jiān)控功能、行駛位置監(jiān)控、安全預警監(jiān)控、安全預警分析功能、處置功能等。
消防平臺的核心算法要和BMS進行聯(lián)動，建立核心算法，算法更強調(diào)基于電池模型，另外是基于大量歷史數(shù)據(jù)，在平臺上進行大數(shù)據(jù)的分析挖掘，甚至建立一些專家系統(tǒng)，計算出現(xiàn)電池安全故障或者電池監(jiān)控受損的狀態(tài)，及時給出一個預警報警值，或者及時提醒相應人員進行維護和處理，更好保障安全。
廖承林表示，目前，基于智慧消防安全解決方案已經(jīng)定制了一個北京公交車車輛消防安全解決方案，在進行小批量使用，有30多臺車裝了完整系統(tǒng)，也建立了專門云平臺和核心算法。這套系統(tǒng)裝上以后很快就發(fā)揮了作用，發(fā)現(xiàn)電池連接部分出現(xiàn)了冒煙，一氧化碳濃度急劇增加，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)以后防范了重大事故發(fā)生。
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