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吴志强,应急管理部 廖承林,中国科学院电工研究所 李勇,上海申瑞达新能源汽车运营有限公司
摘要：中国电动汽车产业飞速发展，但是近期发生多起电动汽车着火的重大安全事故，引起了社会的广泛关注和消费者的担忧，对国家消防应急管理和新能源汽车产业发展带来了严峻挑战。通过分析电动汽车安全事故分类及其安全失控机理，以及业界目前提出的各种安全解决思路，考虑及时报警、控制或延缓失控过程和及时共享安全事故原因等影响新能源电动汽车消防救援的关键因素，提出了新能源汽车智慧消防安全解决方案，从新能源汽车安全的全天候无死角实时监控技术，控制或延缓热失控过程的“防火墙”技术，到将新能源汽车的消防安全问题纳入到城市智慧消防体系，形成比较完备的一体化解决方案。 关键词：电动汽车；动力电池；安全；消防； 引言 习近平总书记在上汽集团考察时曾指出，发展新能源汽车是中国从汽车大国走向汽车强国的必由之路。近年来，中国电动汽车产业飞速发展，趋势已不可逆转。中国汽车工业协会发布最新数据显示，国内9月车市整体遇冷，新能源车销量却创历史新高；1～9月，我国新能源汽车产销分别完成73.5万辆和72.1万辆，比上年同期分别增长73%和81.1%[1]。全球来看，根据EV Sales网站公布的数据，1～9月全球电动汽车销量同比激增61%，首次突破20万辆创历史新高，1～9月全球电动汽车累计销量近130万辆，全年有望超过200万辆。根据麦肯锡的电动汽车指数，去年全球新车销量首次超过120万辆(见图1)，按照目前的增长轨迹，到2020年，电动汽车制造商的销量可能会翻两番，达到450万辆，约占全球轻型汽车市场的5%[2]。而根据欧阳明高院士预测，到2030年电动汽车保有量占比最高将达50%，数量最高将达1亿辆。
图1 麦肯锡的电动汽车指数 电动汽车产业在迎来发展机遇的同时，也面临着严峻的消防安全问题。2017年北京蟹岛发生严重的新能源大巴起火事故，导致数十辆车着火烧损。今年7月以来，国内又密集发生多起电动汽车着火的重大安全事故，消防安全问题引起了社会的广泛关注，也引起了业界和消费者的担忧，对国家消防应急管理和新能源汽车产业发展带来了严峻挑战，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。2017年马凯副总理在北京调研时提出“三个统筹”，其中第三个统筹为“发展和安全统筹”，要求以发展促安全、以安全保发展，加快技术支撑、标准规范、运行监控、安全责任和安全法规五大体系建设。可以看出国家领导对电动汽车行业的安全非常之重视，并就行业安全做出了明确指示。 面对今年中期以来新能源电动汽车，特别是电动公交物流等公共交通出行领域消防安全的严峻形势，工信部9月紧急印发了《关于开展新能源乘用车、载货汽车安全隐患专项排查工作的通知》和《关于开展新能源客车安全隐患专项排查工作的通知》，在全国范围内开展电动汽车产品安全大排查。学术界和产业界集中研讨了引起电动汽车安全失控的因素，并提出建立从标准、技术、设计、制造到行业监管的一整套安全预防体系，以减少安全事故的发生几率。但是，如何基于智慧消防对电动汽车消防安全事故进行全天候监测，提前预判并及时预警，以及如何控制或延缓早期安全失控事故的发生，为消防争取到宝贵时间并提供数据支持，既是目前的研究盲点，也是当前形势下国家应急管理部门亟待解决的重大课题。开展新能源电动汽车的智慧消防安全研究，具有十分重要的科学价值、社会价值和经济意义。 新能源电动汽车安全问题现状 虽然电动汽车频繁起火已经成为当前关注电动汽车安全的首要问题，大家也公认电动汽车的安全将决定整个新能源汽车产业的成败。但是对于新能源电动汽车消防安全问题，目前还基本处于九龙治水，各管一头的状态。 新能源汽车产业界普遍认为，产品质量问题是安全事故频发的罪魁祸首。9月20日，在2018全球未来出行大会上，中国科学院院士欧阳明高认为产品质量问题是近期新能源汽车起火事件主要原因，企业过分追求补贴技术指标，导致了技术验证不足、工程解决方案不成熟，给产品质量埋下了巨大隐患[3]。 国家新能源汽车技术创新工程专家组组长王秉刚认为，电动汽车安全问题重视程度还很不够，所有从事与新能源汽车相关工作的人员都应将安全放在首位。他还认为对安全监控网络要注重实效，部分火灾发生前其监控网已提前显示警告信息，但未引起关注与采取措施，说明安全责任不清，监控网站流于形式 [4]。 消防部门也一直在关注新能源汽车的消防安全问题。上海消防研究所承担了国家“863”计划“下一代高性能纯电动轿车动力系统平台研发”项目的子课题“电动汽车消防安全技术规范体系研究”项目研究任务，提出了《电动汽车行业消防安全技术规范体系框架》，规划了系列火灾防控技术规范[5]。 新能源电动汽车安全事故类别及机理分析 电动汽车产生安全事故的影响因素很多，发生的场景很多，机理非常复杂。但从消防的角度，需要关心的是电动汽车安全事故分类及其安全失控机理。从已发生的电动汽车安全事故来看，主要可以分为三类事故：电池本身引起的安全事故、车辆引起的安全事故和充电设施引起的安全事故。 （1）电池本身的安全事故及机理分析 新能源电动汽车的安全事故大都表现为引起火灾，内因是热失控大量生热导致着火安全事故，其诱因一般有三种：机械滥用（碰撞等）、电滥用（过充、内断路等）以及热滥用，最终都可以从热失控反应过程中找到其失控机理，从而进一步找出控制或延缓这个反应过程的方法，或者找出消防灭火的有效措施。从图2可以看出，单体动力电池的热失控过程可以分为三个阶段[6]：使用过程中电池会生热，出现安全隐患后生热到接近100摄氏度的位置即热引发阶段，此后进入自生热加速期阶段，从引起SEI膜分解开始，逐步产生隔膜闭孔、负极与电解液反应，到热失控阶段发生大规模内短路、正极材料分解，产生大量热量引起电解液开始燃烧，电池的温度可升高400—1000度。中科大火灾科学国家重点实验室研究发现，结合电池火灾实验结果，可以由电池极耳温度是否超过99℃来判定电池是否已经接近起火的临界状态[7]。锂离子电池发生热失控的温度值低于公共安全行业标准GA/T536.3-2005中所要求的140℃[8]。
图2电动汽车动力电池热失控反应过程示意图 电动汽车的电池包都是由大量的单体电池构成。一个单体电池热失控之后会在电池包中发生扩散，容易导致整个电池包发生热失控。因此如何控制单体电池的热失控，甚至建立单体电池之间的“防火墙”，对电池包的消防安全就非常重要。 从电池的安全失控机理可以看出，电池发生燃烧是一个长期的化学反应过程，而且失控的电池都在防护等级较高的电池包中，对其进行消防救援存在较大的困难，具体设备和措施也需要进一步研究。 （2）车辆引起的安全事故及机理分析 新能源电动汽车车辆本身也会引起安全失控，主要包括碰撞安全和电气安全。一是碰撞安全，常规汽车主要的安全就是碰撞安全，但新能源汽车碰撞有可能导致电池热失控，从而引起火灾。二是电气安全，主要表现为短路引起火灾，包括使用过程中电气线路如电机控制器和IGBT短路或暴雨积水长时间浸泡导致进水引起短路等。 从车辆引起的安全失控机理分析可以看出，如果是间接引起电池安全失控而导致火灾，那么其最终过程与电池本身的安全失控过程相同，如果是直接引起火灾但电池并没有热失控，那么消防救援措施就完全不同。 （3）充电设施引起的安全事故及机理分析 充电设备引起电动汽车火灾事故也是目前的主要安全问题之一。充电设备的质量问题、规范问题、管理问题和充电设备与电动汽车之家的通信可靠性问题，都是重要的安全隐患。质量问题包括防水、防尘、防腐蚀、漏电、短路保护、通信机制不完善等，管理问题如用户飞线充电引起充电线路着火、线路老化后没有按规定进行更换、监控已提示安全隐患但没有管理机制进行处理等。 从充电设施引起的安全失控机理分析可以看出，一般都是充电设施自身先着火，但如果不及时救援就会引起车辆甚至电池着火。 新能源汽车智慧消防安全解决方案分析 总的来看，新能源电动汽车的安全问题已经引起了广泛关注，高度重视新能源电动汽车安全将是未来的发展趋势，目前已形成的解决思路主要包括五个方面： （1）从产品质量入手。电动汽车的安全要以预防为主，要从产品的设计做起，并严格控制生产过程质量。 （2）制定严格的安全标准和规范，提高准入条件。应尽快出台电动车安全年检规范，以及电动车黑匣子、电池包消防安全接口等规范。应制定更加严格的新能源客车安全标准，为满足新的标准增加成本是必要的。 （3）让现有新能源汽车监控网络产生实效。有些电动汽车发生火灾前监控网络已经产生对电池的警告信息，但未能起到实际效果。 （4） 在新能源汽车上安装车载消防灭火装置，当出现安全事故时立即进行灭火。由于新能源汽车安全着火事故的机理比较特殊，车载消防灭火装置难以发挥重要作用。 （5）从政策上把安全放在首位。安全考核已成为2019年补贴政策讨论方向，能量密度和价格指标将排在安全之后考核，企业也将会更加重视电动车安全问题。 从应急管理部门的角度，上述五个方面的解决思路还不完备，甚至可能存在较大的漏洞：一是现有新能源汽车监控平台在车辆下电以后的静置期间不能收到车辆信息，即使车辆发生了安全事故，监控平台也无法及时报警；其次是现有监控平台是一个独立的平台，并没有跟国家的智慧消防平台进行对接，即使新能源汽车监控平台发现车辆着火了，也不能对消防救援带来帮助；第三是当前的车载消防装置难以发挥作用，应考虑根据新能源汽车的安全失控机理研制新型车载消防安全装置，其目标主要是预警和控制延缓着火过程，为消防救援争取宝贵时间。 从前文三类安全事故的机理分析也可以看出，影响新能源电动汽车消防救援的核心因素主要有：及时报警、控制或延缓失控过程和及时了解安全事故原因。由此可以看出，对新能源汽车的消防安全进行全天候无死角的实时监控，根据电池的热失控机理研制热失控“防火墙”技术，并将新能源汽车的消防安全问题纳入到城市智慧消防体系，是比较完备的解决方案。
图3新能源汽车智慧消防安全解决方案示意图 从图3可以看出，新能源汽车智慧消防安全解决方案主要有五条冗余线保障整体消防安全和及时救援： 一是永远在线的智能车载全天候TBOX，即使车辆下电、人员休息之后，也一直低功耗监测新能源汽车的安全状态，一旦发现安全事故或隐患，立刻上报全部车辆信息和告警信息； 二是新能源汽车消防安全数据平台与国家智慧消防数据平台无缝连接，一旦准确判断出车辆有安全事故或隐患发生，立刻将全部车辆信息、地理信息、人员及货物信息等必要信息共享给国家智慧消防数据平台，便于应急管理部门及时制定救援措施及时救援； 三是智能车载电池消防设备永远在线，其作用主要是建立电池单体“防火墙”和打开车载灭火设备，控制或延缓单体热失控过程，为消防救援争取宝贵时间。 四是专业的企业消防安全数据库和专业运维人员永远在线，当新能源汽车发生安全事故或隐患时，为用户、车辆所有者、救援人员提供专业的分析服务。 五是新能源汽车消防安全数据云平台通过移动互联网为用户、车辆所有者、救援人员提供及时可靠的车辆实时信息。 通过上述五条冗余线路，可以确保安全事故或隐患无死角和遗漏， 可以确保应急管理部门能100%及时接到新能源汽车的消防事故报警，可以确保所有与消防救援的数据能共享至国家智慧消防数据平台，为消防救援预案制定提供实时帮助。 总结 中国电动汽车产业飞速发展，已成为世界领先的新能源电动汽车大国。但是近期国内发生多起电动汽车着火的重大安全事故，引起了社会的广泛关注和消费者的担忧，对国家消防应急管理和新能源汽车产业发展带来了严峻挑战，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。 分析了电动汽车安全事故类别及其安全失控机理，以及业界目前提出的各种安全解决思路，考虑及时报警、控制或延缓失控过程和及时共享安全事故原因等影响新能源电动汽车消防救援的核心因素，提出了新能源汽车智慧消防安全解决方案，从新能源汽车安全的全天候无死角实时监控技术，控制或延缓热失控过程的“防火墙”技术，和将新能源汽车的消防安全问题纳入到城市智慧消防体系等三个方面形成比较完备的一体化解决方案，可通过五条冗余线路保障新能源电动汽车的整体消防安全和及时救援。 参考文献
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