世博园区新能源汽车火灾安全评估及其技术防范措施 - 上海市建设工程

世博园区新能源汽车火灾安全评估及其技术防范措施Fire safety assessment and technical counter measures of new energy vehicles in 2010 Expo Site左乾正（上海消防总队世博前沿指挥部 世博大道176号 邮编：200136）Zuo Qian zheng（Shanghai Fire Department of the fire headquarters at the expo Expo avenue No.176 postcode：200136）摘要：新能源汽车以绿色引领交通革命，是未来城市绿色交通发展的重要方向之一。世博园区内新能源客车作为园区内唯一的公交交通工具，为绿色世博注入了“低碳”元素，作为一项“新生”事物，跟进前端消防管理有其必要性和现实意义。本文对新能源汽车技术发展和前景做概略介绍，并从车辆构造、电池充放电等方面对电动车火灾危险性问题展开分析探讨，以提出预防火灾事故的技术防范对策和措施。Abstract: With its Leading green transportation revolution, new energy vehicles is one of the most important directions in development of urban green transport in the future. As the only means of transportation in the park, it brings low carbon element to green World Expo; as a newborn thing, to follow up it on the front fire management is necessary and will have practical significance. In this paper, in order to get the fire prevention methods and measures of technical prevention, a brief introduction of new energy development and prospects of automotive technology will be made, and the fire danger of electric vehicles will be analyzed, such as the construction of vehicles, battery charging and discharging.关键词：新能源汽车 安全评估 技术防范Keywords: new energy vehicles; fire safety assessment; technical prevention作者简介：左乾正，男，1981年生，黑龙江省双鸭山人，毕业于哈尔滨工业大学，任职于上海消防总队特勤支队，武警上尉警衔。09年8月借调消防世博前沿指挥部，联系电话：13636322789，电子邮箱：macdowellz，地址：世博大道176号，邮编：200136。1 引言2010年上海世博会“城市让生活更美好”，低碳、高效、节能、环保理念成为城市发展的主旋律。世博园区内新能源客车作为园区内唯一的公交交通工具，为绿色世博注入了“低碳”元素，成为世博科技的一大亮点。尽管迄今为止，新能源汽车由于受到各类因素的影响并没有成为城市的主导交通工具，但可以预见，在不久的将来，新能源车辆的普及使用势在必行、指日可待，同时加强对新能源汽车的安全技术研究，分析其所存在的火灾安全隐患，提出科学、有效的防范措施成为消防安全管理的一个新课题。2 园区新能源车辆分类世博园区内共有3种新能源车辆投入运行，分别是纯电动客车、超级电容车和燃料电池车。其中纯电动客车（按电池性质分为锰酸锂和磷酸铁两种）120辆,超级电容车60辆和燃料电池车3辆（非正式投入运行）。都属电动汽车，电动汽车顾名思义就是主要采用大容量电池电力驱动的汽车。2.1纯电动汽车纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车，虽已有134年的悠久历史，但由于先前使用的铅酸电池和镍氢电池普遍存在价格高、外形尺寸和重量大、充电时间长、行驶距离短等缺点，目前仅限于某些特定范围内使用，市场保有量较小。近年来因磷酸铁锂和锰酸锂电池研究有重大突破，电动汽车每公里耗电不超过1度，其采用的集中充电及更换电池的工艺方式，使得电动汽车每充满一次电全负荷状态下正常运行100公里，开足空调80公里的绝对优势，加上安全性能也进一步提升，许多国家把锂电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。2.2超级电容车超级电容车是采用一种电化学装置进行充电的汽车，这种装置是介于电池和普通电容之间的过渡部件。其充放电过程高度可逆，可进行高效率的快速（秒级）充电、放电。但由于每次充电后只能行驶3-5公里。由于受到行驶距离的影响，目前，世博园区采用此款车辆只作为公交短驳。2.3 燃料电池车燃料电池汽车被称为“地道的环保车”。其本身工作原理是使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应（这类化学反应除了电能就只产生水），从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。此次世博园区所引进的3辆燃料电池车是国家科技部和联合国开发技术署共同启动的燃料电池公共汽车商业化项目的示范车辆。但由于车身造价昂贵（价值均在1千万元以上），燃料电池车尚难以大量制造并运营，世博园区内目前只作为试运行车辆使用。3 新能源汽车火灾危险性分析新能源汽车火灾危险主要体现在电池的储存、充放电过程中。目前，越来越多的汽车厂家选择锂电池作为新能源汽车的动力电池。上海世博会运行以来，电动客车虽然总体呈现安全平稳行驶的态势，但发生了两起车辆冒烟事故：一起为电池维护管理人员错将电池极性装反造成电池过热，导致车体冒烟。一起为车辆内部极柱螺丝松动造成极柱内部铜编织高压线熔断，导致车体冒烟。3.1 汽车电池在储存、充放电等环节中的火灾危险性分析。锂离子动力电池具有能量密度大，工作温度高等方面特点，加上由于汽车动力电池工作电压是12V或24V，而单个动力锂离子电池工作电压为3.5V，因此必须由多个电池串联提高电压，如过充、过放、过热、碰撞等条件下可能产生以下安全隐患: (1)内部短路; (2)产生大电流,包括外部短路时,电池瞬间大电流放电,产生巨大热量,内部短路,隔膜穿透,温度上升,短路扩大,形成恶性循环; (3)气体排放,如有机电解液在大电流,高温条件下电解,产生气体,导致内压升高,严重时可能冲破壳体; (4)燃烧,金属锂在壳体破裂时与空气接触,导致燃烧,同时引燃电解质发生爆炸。3.2 电池极柱结构分析。园区内部分电动车的极柱属于老式结构，这种结构容易引起部件上的螺丝松动，另外，车辆在行驶途中车内进入尘土等污物,也可能腐蚀电线的绝缘层。极柱内部的铜编织高压线在受到震动、磨损的情况下发生老化或熔断等现象而失去绝缘能力，进而带来消防安全隐患。3.3 逃生、疏散设施角度分析。就目前国产客车来看，逃生安全设置不规范的问题非常突出，有的安全门前设置有座椅，通道非常狭窄，人员很难通行；有的安全门没有方便开启的手柄，开启非常困难；有的甚至未按规定设安全门，而用侧窗兼做安全出口等。一些车辆上虽然配备了安全锤，但若不经过专门的训练，一般乘客是很难用安全锤破窗逃生的。这些客车设计中的安全隐患，一旦遇到紧急情况，乘客很难安全迅速地撤离，极有可能造成严重后果。3.4 车辆内饰材料燃烧性能分析。我国在2006年出台了标准汽车内饰材料的燃烧特性(GB84102006)，对车内材料提出燃烧速度不得大于100rammin-1的要求。因为如果车厢内使用大量可燃材料进行装修，将大大降低了汽车的整体御火能力。特别在密闭的空调客车中，一旦发生火灾，易燃、可燃材料的内装修将会缩短轰燃前的预热时间。据有关方面试验数据显示，当用易燃、可燃材料进行内部装修时，轰燃在3min之内即可发生；当采用难燃材料时，轰燃在45min内发生；当使用不燃烧材料时，轰燃在68min内发生，同时，燃烧使内饰材料释放出大量有毒烟气，加速了车内人员的伤亡。3.5 车辆主动性防护设施分析。目前园区公交车虽配备随车灭火器，但由于车用灭火器本身体积小，灭火剂容量有限以及操作者对灭火器的操作水平不高等原因，车用灭火器并不能在发生火灾时真正发挥有效作用。4 新能源汽车安全防范技术及措施在现代科学技术的支撑下，新能源汽车，特别是纯电动汽车的安全防范技术也日趋成熟，通过对电池构造的完善、信息化技术集成以及疏散、防火性能的提高，做好新能源汽车的系统安全防控成为可能，关键是必须严格按流程运作，按规定检查，按要求管理。4.1 加强客车电池构造的本质安全4.1.1 改进车用锂电池组系统。在设计电动车用锂离子动力电池系统时,要重视保护电路的安全有效，并从电池材料(包括隔膜、电解液)、电芯的设计和制造(包括电池结构、安全设计、均一性)、电池系统的安全功能(包括电池管理系统、热管理系统、高压安全、外壳等)、整车安全功能等不同层面进行研究和分析,确保其在车上的安全使用。4.1.2 有效阻止电池极柱发生氧化，改进电池极柱结构设计合理性。极柱发生氧化后，正极柱往往呈墨色，而负极柱仍呈铅灰色，其原因是使用中正极析出氧气，氧化很快，电解液自正极表面覆盖的二氧化铅层中穿出，因而易产生氧化现象。极柱氧化后，易形成一层氧化皮，导电不良，大大地增加了线路电阻，致使车辆出现问题。所以有效组织极柱发生氧化对避免车辆出现故障起到了很重要的作用。另外要提高极柱结构的设计安全性，在世博园区电动车发生极柱线束燃烧后，园区电动客车迅速将新结构极柱安装到位。4.2 设置电池组监测系统此次世博园区电动车大都安装12组电池，电池安放实现机械化、自动化，一般采用前4、后8的安装方法。每组电池有自身唯一代码和编号。电池本身安装有电池监测系统，它可对在园区充电和行驶中车辆所安放电池的电池温度值、电池电压、电池电流以及剩余电量的跟踪进行时实时监测。（附园区电池故障报警解析表）电池故障报警信息解析表报警名称级别报警参数应对措施电池温度差异报警一级报警20度红灯出现车辆立即返回二级报警10度电池高温报警一级报警60度红灯出现车辆立即返回二级报警55度放电电流报警一级报警350A注意观察红灯报警红灯，一直闪烁车辆立即返回二级报警250ASOC低报警二级报警20%车辆返回并通知电技术人员三级报警30%单体过压报警一级报警3.6V通知技术人员二级报警3.5V4.2.1 设置车辆电池充、放电监控系统。充电放热、放电吸热是锂电池的一个特征，但有时候充电太快也会出现发热的现象，这是因为化学反应来不及将电能转化为化学能，放电时电池升温则是化学能来不及转化成电能所致，因此设置电池充、放电监控系统对及时发现异常情况，做好先期处置起到了很好的效果。另外园区电动公交车采用续流增磁驱动电机，其技术核心是将电机增磁绕组接入续流回路中，利用在驱动电机及其控制回路中形成的续流电流对电机进行增磁，增磁不需要消耗电能，所以在某种程度上避免了大电流放电所带来的消防安全隐患。4.2.2 充电装置自我保护系统。一是电动公交车充电站要及时接受电池的充电电压、电流和温度等数据并进行保存, 可以的条件下画出充电曲线, 显示采样点数、采样电压以及充电装状态是否正常，保证其非正常是发出报警，二是建立相应数据库, 对所有数据进行管理, 可以随时调出某一辆电动汽车所需要查看的数据和曲线。三是在异常状态下不仅要发出警告信号, 在必要时信息中心可以对充电设施进行控制（如：关闭充电、自动切断电源），同理可以应用到电动车放电的过程中。4.2.3 电池剩余电量监控。电池的荷电状态SOC( state of charge) 是电池中最重要的一个概念. 它被用来反映电池剩余容量状况, 也是充电现场工作人员重点监督的电池安全数据之一，电池剩余电量计算的总体思想如下图所示，园区电动汽车充电站工作人员根据仪器实际测量电池电流、电压、温度的数据分析并通过合理的数学计算可以较为准确地获得电池的剩余电量。SOC 在数值上等于电池剩余容量和电池总容量的一个相对量,通常把一定温度下,蓄电池充电到不能再吸收电量时的电量状态定义为SOC =100 % ,而将蓄电池再不能放出电量时的电量状态定义为SOC = 0 %.，工作人员根据此数据便可对SOC低报警的电动汽车实施应急处置措施。4.3 提升电动客车的逃生能力和防火性能4.3.1 改进逃生安全设施，加强保障人员疏散安全的技术措施。一是车内、车外设置低压控制按钮。此次世博园区所投入运营的公交车辆在驾驶员位置全部设置电源低压控制按钮，紧急情况下按下按钮，车辆将自动断电，车门门泵里的压缩空气被排除，前后车门均可依靠人力直接推开。笔者认为如果在车身外部也同样设置类似的控制按钮将会起到更加完备的效果。二是车厢两侧封闭玻璃窗改造成推拉窗。世博园区公交车的车身侧窗均可移动1/2的面积以便人员迅速逃离疏散。4.3.2 改进车身安全设计，增强车身防火性能。据统计，已发生的汽车火灾中17的起火部位驾驶室或车厢，因此，合理做好汽车车身的防火分隔，延缓火势向车厢内蔓延的速度，对及时发现和扑救汽车的初期火灾起到非常重要的作用因此通过提高车体本身的耐火极限来达到阻止火焰和热烟气蔓延的目的。参照美国NFPA556关于汽车内部安全标准的有关规定，该屏障暴露在标准火灾曲线中时，其保护时间不应小于15min。4.4 建立运营中的动态管理网络4.4.1 建立中心信息系统。世博园区在白莲泾出入口等十余处设置电动车行驶、充电信息监测系统，对园区120辆纯电动车实施24小时不间断监控（无论电动车处于充电、行驶还是闲置状态），同时还对异常情况进行紧急处理，电动车把有关自身和电池组的数据以及GPS信息发送出去，形成了园区3.28平方公里的巨大“车网”。4.4.2 设置无线远程监控系统。目前，园区电动车运行服务中心均设置有远程监控管理系统，监控系统基于GPRS网络和Internet网,通过具有CAN接口和GPRS接口的车载智能信息单元,采用无线远程数据传送方式,实现对园区所有电动汽车的监控、标定和定位,由此实现故障分析与处理、在线标定与优化、数据记录与分析、电子地图跟踪等功能。5 结束语广泛应用于2010年上海世博会的新能源汽车不仅向世人呈现了绿色、低碳、环保的和谐发展理念，同时也带来了新能源汽车防火安全的新课题。实践证明，新能源汽车的火灾安全设计总体是趋于安全和成熟的。随着新能源汽车在应用过程中不断得到创新和发展，随之进行的车辆火灾安全评估和技术措施防范必将为其在未来城市交通运输中更安全、更广泛的使用奠定坚实的安全基础。参考文献1 孙逢春,杨为琛,张承宁. 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