純電動汽車安全風險分析及滅火救援處置技術研究

牛小寧 牛高志

摘 要：我國能源結構存在富煤、貧油、少氣的特點，為切實推動可持續發展理念，構建人類命運共同體，我國“十四五規劃”明確提出能源轉型“減煤、降油、增氣、加新”的發展路徑，并宣布了2030年達到“碳達峰”2060年達到“碳中和”的目標。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構特點及事故風險點，結合消防實戰經驗，針對純電動汽車不同事故風險總結相應的處置措施。

關鍵詞：純電動汽車 結構特點 事故風險點 電池包 處置措施

近年來，為減少環境污染，我國大力研發新能源汽車并出臺許多政策來進行扶持。產業規模日益擴大。新能源汽車是指采用非常規燃料作為動力來源，綜合車輛動力控制和驅動方面的先進技術，形成技術原理先進，具有新結構的汽車。以其動力供應方式的不同可分為：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、燃氣汽車、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展與應用最為廣泛。

1 純電動汽車結構特點

純電動汽車是指驅動能量完全由電能提供、由電機驅動的電動汽車，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為“電池、電機和電控”。

1.1 動力電池

動力電池是純電動汽車的儲能裝置，其原理是利用化學反應發電。經漫長的探索與研究發現，鋰金屬氧化物能夠較好地實現能量儲存和釋放過程中的化學穩定性，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，負極通常選擇石墨或其他碳材料作為活性物質，這樣既能很好的承載能量，又相對穩定，還能豐富的儲能，便于大規模制造。充電時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，從正極移動到負極，與負極的碳原子發生化學反應，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩定”的嵌入到負極的石墨層狀結構當中。從正極跑出來轉移到負極的鋰離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。放電時內部電場轉向，鋰離子（Li＋）從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子（LiCoO2），從負極跑出來轉移到正極的鋰離子越多，這個電池可以釋放的能量就越多。

車用電池結構特點是以正負極活性物、電解質、隔離膜三者組成最基本的鋰離子電池既電芯，當多個電芯被同一個外殼框架封裝在一起進行串、并聯就形成電池模組，例如，一個電池模組使用四個單體串聯提供名義上的12V的電壓，或者多個單體并聯提供更大的容量。并聯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，并聯電池組能提供更強的電流。串聯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，其單組能量能達到24.5KW/h。

1.2 驅動電機

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

1.3 電控系統

電控系統是控制動力電源與電機之間能量傳輸的裝置，同時其也能控制電流到達汽車的每一項控制單元，例如，現大部分車企都將電控系統做成多合一的集成控制器，其優點是可將整車控制器包括電機控制器、變速箱控制器、電池管理系統、轉向油泵、制動氣泵甚至是空調控制器、加熱（冷卻）系統等多項控制單元全部集中為整塊電控系統，方便電能隨時輸出，操作車輛所有的控制單元。

1.4 電池充放電系統

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，經應急開關后對動力電池進行充電。整個充電過程電池管理系統（BMS）對動力電池的溫度及電壓進行監測，如發現電池內部單體溫度或電壓過高，即發出預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和漏電保護器的監控下，通過應急開關輸電給高壓配電箱，配電箱根據實際用電情況分配電量，一部分電量流向電機控制器，用于驅動車輛行駛；一部分電量流向DC/DC變換器和液壓轉向系統、剎車系統、空調系統、低壓系統等控制器。

2 純電動汽車事故風險點

2.1 行業風險

一是因缺少頂層設計規范，不同車企、不同批次、不同品牌的設備其本質安全性和結構布局差異較大，尤其是高壓集成設備、電池熱管理系統功能性差異明顯，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，節省空間，保證續航，整車質量越來越輕。隨著鋰電池的廣泛應用，許多車企為使能量密度與空間的最大化，紛紛將傳統弱電系統中的12V、24V鉛酸電池替換成小型鋰電池，加大了電池熱失控起火爆炸的風險。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計較小，有極高的爆炸風險，電池容量較小，電池芯組裝時通常適用密集排列，易造成整體熱失控，傷害高，但其成本較低，加工工藝成熟，標準化程度較高，因此受到廣大車企青睞；軟包電池采用鋁塑膜軟殼包裝，質量較輕，但其封裝環節較難控制，易發生鼓脹等問題，使得產品一致性較差，出現極端情況時容易被穿刺，自我保護性能較低；方形電池目前是國內主流封閉電池形式，安全組件較為完善，包含有NSD針刺安全裝置、OSD過充保護裝置、防爆裝置等安全結構。殼體通常為金屬鋁制外殼，相對于上述兩種電池形式，方形電池擁有更高的空間利用率，電池單體體積和容量也明顯優于其他電池形式，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致鄰近電池短路或產生穿刺引發鏈鎖熱失控反應，目前部分企業已開始研發采用塑封殼進一步降低爆炸風險及危害；刀片電池是目前國內實驗狀態下相對最為安全的電池，采用將電芯扁長化設計，來進一步改進電池包集成效率的技術。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，正負極設置在刀片兩端，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勢在于散熱效果好，難點在于整個電芯的結構穩定性、內阻、注液等，尤其是結構強度方面，電芯需要依靠自身來實現支撐。針刺實驗過程中，刀片電池幾乎不會發生熱失控，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，其缺點在于刀片電池所有電芯是通過結構膠固定在一起，意味著后期其中一個電芯壞了，維修時無法拆開單獨處理，只能通過整包更換，維修成本較高。

2.2 鋰電池風險

由于鋰金屬化學性質非常活潑，其性能非常適合做電池，但其風險也很高，由于存在鋰金屬負極，遇水會劇烈反應，生成氫氣等易燃易爆氣體對于存儲、運輸環節要求較高。尤其是密閉場所，如發生事故，極易發生爆炸，形式上與金屬火災相似。為實現較好的充放電過程，需要活性物質來做電池的正負極，正負極材料不但要活潑，還要具有非常穩定的結構，才能實現有序、可控的化學反應。不穩定的結果就是能量劇烈釋放，化學能將變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，其沖擊力巨大且不可逆。

2.2 高壓線路和設備漏電風險

純電動汽車的高壓設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動系統和電池系統，電壓通常能達到300-350V，個別品牌車輛能高達800V；交流高壓主要分布在逆變器（AC/DC雙向轉換器）與驅動電機、空調系統、加熱系統之間以及充電接口與車載充電器之間。電池系統與充電期間高壓電為持續存在，車輛運行期間逆變器、高壓導線、壓縮機和加熱器等設備也存在高壓風險，換言之，車輛行駛過程中如若發生事故，即便切斷高壓電系統，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存在數分鐘。

2.3 高溫煙毒危險

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，統稱為鋰離子電池，其充放電的原理為：鋰離子充當電能的搬運載體，與正負極材料來回發生化學反應，將化學能和電能相互轉化，實現電荷的轉移。

在這種往返的化學反應過程中，很容易因溫度的升高發生熱失控。其正、負極材料可作為氧化物，電解質與隔膜為可燃物，如內部發生短路溫度升高電能轉化為熱能，隨即產生燃燒，同時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1000-2000℃，持續時間較長。

2.4 噴射火灼傷危險

由于電池包電芯熱失控后內部集聚大量熱量，電池模組又是一個大容量的環閉式整體，電芯單體、電池包上均設計有泄爆閥。當電池內壓力升高時，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煙火灼傷。

2.5 氣體爆燃爆炸

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

2.6 多種物質疊加燃燒

發生火災事故后，包括鋰電池、液壓油、制冷液等多類物質燃燒，疊加高壓電流電壓，且電池包串并聯初期無法斷開，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、充電站等地點因設備故障或電池質量等原因發生火災，火勢處于熱失控初期時，可采用滅火毯遮蓋窒息滅火。需準備一塊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，操作時兩名救援人員分別拉住兩個角從上風方向接觸車體，覆蓋住整個著火車輛，保證四個角緊貼地面，待完全隔絕氧氣進入并至少保持20分鐘。此方法僅適用于火災初期，如電池內部持續發生化學燃燒，滅火毯將無法有效滅火，同時，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 轉變傳統救援理念

純電動汽車無論發生交通事故還是火災，都要轉變傳統第一時間“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計，通常不設置維修開關，但設有高壓互鎖，其原理是給BMS電池管理系統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，電池包內部高壓電量仍持續存在，同時電池包熱管理系統的高壓電也不會斷，電池包內部電壓長時間得不到釋放反而容易升溫升壓發生燃燒爆炸；其次，純電動汽車裝配的電池管理系統、熱管理系統等保護裝置能夠實時監測電池溫度、電壓及充放電情況，遇到故障能及時通過控制信號啟動風冷、液冷等制冷系統對電池包進行強制冷卻，其信號來源均由12V或24V低壓電控制，如盲目切斷低壓電源，將會導致動力電池冷卻、管理等系統失效，無法及時發現電池超溫、超壓、過充、過放等熱失控前兆并聯動相關安全保護系統進行及時處理。因此事故過程中斷開高壓互鎖其實是沒作用的，而低壓電纜是不能剪斷的。由于高壓電存在電擊風險，在處置過程中非必要也不能破拆車體結構，防止因破拆車體高壓設備和電纜線路導致人員觸電，同時還將引起短路導致整個電池包發生熱失控、燃燒爆炸。更加不能認為熄火斷電后車輛就不帶電，電池包及相關電纜、設備內高壓電仍然存續，盲目打水將導致高壓電擊和整個電池包瞬間短路。

3.3 判斷合適出水時機

前文講到，純電動汽車發生火災嚴禁盲目打水，是因為電池包整體帶有高壓電且不能通過人為切斷。其實電池包的高壓電是由許多電芯串聯升壓、并聯升流而來，那么，在發生火災時，熱失控開始電池包是帶高壓電，但隨著火勢擴大，通過觀察，整個電池包過火燃燒后，車體兩側泄爆閥在承受不住內部高壓后既會打開，電池模組出現噴射狀火焰后，可認為每一顆電芯模組之間熔斷器既被燒斷，這時單個模組電壓下降到安全值（36V以下），即可出水進行冷卻滅火，這時就需要大量的水進行冷卻，待明火撲滅后，應持續出水對電池組進行冷卻，并使用熱成像儀、測溫儀進行監測，直至電池溫度降至正常環境溫度，經評估無復燃、爆炸風險后方可停水。

4 結論

純電動汽車結構復雜，電池包容量、體積大，熱失控后能量高，在處置過程中，要嚴格落實安全防護措施，嚴防觸電、爆炸、中毒和電池電解液的噴濺灼傷，到達處置現場后第一時間要查清車輛品牌、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。

參考文獻：

[1]李偉.比亞迪E6純電動汽車系統結構原理（一）[J]汽車維修與保養.2018，（08）.

[2]陳亞雄，周承雄，鄭業星.純電動客車事故處置技術研究[J]科技創新與生產力. 2023，44（07）.

[3]吳書龍，陳勝.淺談新能源汽車專業建設的研究[J]汽車維修與保養.2017，（12）.

[4]張書橋.電動汽車發展現狀及前景分析[J].電氣時代，2019（9）：7-10.

[5]達世亮.新能源汽車發展對制造工藝與裝備的影響[J].汽車工藝師，2016（1）：19-23.