世博園區(qū)新能源汽車火災安全評估及其技術(shù)防范措施 - 上海市建設工程

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1、 世博園區(qū)新能源汽車火災安全評估及其技術(shù)防范措施 Fire safety assessment and technical counter measures of new energy vehicles in 2010 Expo Site 左乾正 （上海消防總隊世博前沿指揮部 世博大道176號 郵編：200136） Zuo Qian zheng （Shanghai Fire Department of the fire headquarters at the expo Expo avenue No.176 postcode：200136） 摘要：新能源汽車以綠色引領

2、交通革命，是未來城市綠色交通發(fā)展的重要方向之一。世博園區(qū)內(nèi)新能源客車作為園區(qū)內(nèi)唯一的公交交通工具，為綠色世博注入了“低碳”元素，作為一項“新生”事物，跟進前端消防管理有其必要性和現(xiàn)實意義。本文對新能源汽車技術(shù)發(fā)展和前景做概略介紹，并從車輛構(gòu)造、電池充放電等方面對電動車火災危險性問題展開分析探討，以提出預防火災事故的技術(shù)防范對策和措施。 Abstract: With its Leading green transportation revolution, new energy vehicles is one of the most important directions in develop

3、ment 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 f

4、ire 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. 關(guān)鍵詞：新

5、能源汽車 安全評估 技術(shù)防范 Keywords: new energy vehicles; fire safety assessment; technical prevention 作者簡介：左乾正，男，1981年生，黑龍江省雙鴨山人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，任職于上海消防總隊特勤支隊，武警上尉警銜。09年8月借調(diào)消防世博前沿指揮部，聯(lián)系電話：13636322789，電子郵箱：macdowellz@，地址：世博大道176號，郵編：200136。 1 引言 2010年上海世博會“城市讓生活更美好”，低碳、高效、節(jié)能、環(huán)保理念成為城市發(fā)展的主旋律。世博園區(qū)內(nèi)新能源客車作為園區(qū)內(nèi)唯一的公交

6、交通工具，為綠色世博注入了“低碳”元素，成為世博科技的一大亮點。盡管迄今為止，新能源汽車由于受到各類因素的影響并沒有成為城市的主導交通工具，但可以預見，在不久的將來，新能源車輛的普及使用勢在必行、指日可待，同時加強對新能源汽車的安全技術(shù)研究，分析其所存在的火災安全隱患，提出科學、有效的防范措施成為消防安全管理的一個新課題。 2 園區(qū)新能源車輛分類 世博園區(qū)內(nèi)共有3種新能源車輛投入運行，分別是純電動客車、超級電容車和燃料電池車。其中純電動客車（按電池性質(zhì)分為錳酸鋰和磷酸鐵兩種）120輛,超級電容車60輛和燃料電池車3輛（非正式投入運行）。都屬電動汽車，電動汽車顧名思義就是主要采用大容量電池電

7、力驅(qū)動的汽車。 2.1純電動汽車 純電動汽車是指完全由動力蓄電池提供電力驅(qū)動的電動汽車，雖已有134年的悠久歷史，但由于先前使用的鉛酸電池和鎳氫電池普遍存在價格高、外形尺寸和重量大、充電時間長、行駛距離短等缺點，目前僅限于某些特定范圍內(nèi)使用，市場保有量較小。近年來因磷酸鐵鋰和錳酸鋰電池研究有重大突破，電動汽車每公里耗電不超過1度，其采用的集中充電及更換電池的工藝方式，使得電動汽車每充滿一次電全負荷狀態(tài)下正常運行100公里，開足空調(diào)80公里的絕對優(yōu)勢，加上安全性能也進一步提升，許多國家把鋰電池作為電動汽車用動力電池的主攻方向。 2.2超級電容車 超級電容車是采用一種電化學裝置進行充電的汽

8、車，這種裝置是介于電池和普通電容之間的過渡部件。其充放電過程高度可逆，可進行高效率的快速（秒級）充電、放電。但由于每次充電后只能行駛3-5公里。由于受到行駛距離的影響，目前，世博園區(qū)采用此款車輛只作為公交短駁。 2.3 燃料電池車 燃料電池汽車被稱為“地道的環(huán)保車”。其本身工作原理是使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)生化學反應（這類化學反應除了電能就只產(chǎn)生水），從而產(chǎn)生出電能啟動電動機，進而驅(qū)動汽車。此次世博園區(qū)所引進的3輛燃料電池車是國家科技部和聯(lián)合國開發(fā)技術(shù)署共同啟動的燃料電池公共汽車商業(yè)化項目的示范車輛。但由于車身造價昂貴（價值均在1千萬元以上），燃料電池車尚難以大

9、量制造并運營，世博園區(qū)內(nèi)目前只作為試運行車輛使用。 3 新能源汽車火災危險性分析? 新能源汽車火災危險主要體現(xiàn)在電池的儲存、充放電過程中。目前，越來越多的汽車廠家選擇鋰電池作為新能源汽車的動力電池。上海世博會運行以來，電動客車雖然總體呈現(xiàn)安全平穩(wěn)行駛的態(tài)勢，但發(fā)生了兩起車輛冒煙事故：一起為電池維護管理人員錯將電池極性裝反造成電池過熱，導致車體冒煙。一起為車輛內(nèi)部極柱螺絲松動造成極柱內(nèi)部銅編織高壓線熔斷，導致車體冒煙。 3.1 汽車電池在儲存、充放電等環(huán)節(jié)中的火災危險性分析。鋰離子動力電池具有能量密度大，工作溫度高等方面特點，加上由于汽車動力電池工作電壓是12V或24V，而單個動力鋰離子電

10、池工作電壓為3.5V，因此必須由多個電池串聯(lián)提高電壓，如過充、過放、過熱、碰撞等條件下可能產(chǎn)生以下安全隱患: (1)內(nèi)部短路; (2)產(chǎn)生大電流,包括外部短路時,電池瞬間大電流放電,產(chǎn)生巨大熱量,內(nèi)部短路,隔膜穿透,溫度上升,短路擴大,形成惡性循環(huán); (3)氣體排放,如有機電解液在大電流,高溫條件下電解,產(chǎn)生氣體,導致內(nèi)壓升高,嚴重時可能沖破殼體; (4)燃燒,金屬鋰在殼體破裂時與空氣接觸,導致燃燒,同時引燃電解質(zhì)發(fā)生爆炸。 3.2 電池極柱結(jié)構(gòu)分析。園區(qū)內(nèi)部分電動車的極柱屬于老式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)容易引起部件上的螺絲松動，另外，車輛在行駛途中車內(nèi)進入塵土等污物,也可能腐蝕電線的絕緣層。極柱內(nèi)部

11、的銅編織高壓線在受到震動、磨損的情況下發(fā)生老化或熔斷等現(xiàn)象而失去絕緣能力，進而帶來消防安全隱患。 3.3 逃生、疏散設施角度分析。就目前國產(chǎn)客車來看，逃生安全設置不規(guī)范的問題非常突出，有的安全門前設置有座椅，通道非常狹窄，人員很難通行；有的安全門沒有方便開啟的手柄，開啟非常困難；有的甚至未按規(guī)定設安全門，而用側(cè)窗兼做安全出口等。一些車輛上雖然配備了安全錘，但若不經(jīng)過專門的訓練，一般乘客是很難用安全錘破窗逃生的。這些客車設計中的安全隱患，一旦遇到緊急情況，乘客很難安全迅速地撤離，極有可能造成嚴重后果。 3.4 車輛內(nèi)飾材料燃燒性能分析。我國在2006年出臺了標準《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》(G

12、B8410—2006)，對車內(nèi)材料提出燃燒速度不得大于100ram·min-1的要求。因為如果車廂內(nèi)使用大量可燃材料進行裝修，將大大降低了汽車的整體御火能力。特別在密閉的空調(diào)客車中，一旦發(fā)生火災，易燃、可燃材料的內(nèi)裝修將會縮短轟燃前的預熱時間。據(jù)有關(guān)方面試驗數(shù)據(jù)顯示，當用易燃、可燃材料進行內(nèi)部裝修時，轟燃在3min之內(nèi)即可發(fā)生；當采用難燃材料時，轟燃在4—5min內(nèi)發(fā)生；當使用不燃燒材料時，轟燃在6—8min內(nèi)發(fā)生，同時，燃燒使內(nèi)飾材料釋放出大量有毒煙氣，加速了車內(nèi)人員的傷亡。 3.5 車輛主動性防護設施分析。目前園區(qū)公交車雖配備隨車滅火器，但由于車用滅火器本身體積小，滅火劑容量有限以及操作

13、者對滅火器的操作水平不高等原因，車用滅火器并不能在發(fā)生火災時真正發(fā)揮有效作用。 4 新能源汽車安全防范技術(shù)及措施 在現(xiàn)代科學技術(shù)的支撐下，新能源汽車，特別是純電動汽車的安全防范技術(shù)也日趨成熟，通過對電池構(gòu)造的完善、信息化技術(shù)集成以及疏散、防火性能的提高，做好新能源汽車的系統(tǒng)安全防控成為可能，關(guān)鍵是必須嚴格按流程運作，按規(guī)定檢查，按要求管理。 4.1 加強客車電池構(gòu)造的本質(zhì)安全 4.1.1 改進車用鋰電池組系統(tǒng)。在設計電動車用鋰離子動力電池系統(tǒng)時,要重視保護電路的安全有效，并從電池材料(包括隔膜、電解液)、電芯的設計和制造(包括電池結(jié)構(gòu)、安全設計、均一性)、電池系統(tǒng)的安全功能(包括電池管

14、理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高壓安全、外殼等)、整車安全功能等不同層面進行研究和分析,確保其在車上的安全使用。 4.1.2 有效阻止電池極柱發(fā)生氧化，改進電池極柱結(jié)構(gòu)設計合理性。極柱發(fā)生氧化后，正極柱往往呈墨色，而負極柱仍呈鉛灰色，其原因是使用中正極析出氧氣，氧化很快，電解液自正極表面覆蓋的二氧化鉛層中穿出，因而易產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。極柱氧化后，易形成一層氧化皮，導電不良，大大地增加了線路電阻，致使車輛出現(xiàn)問題。所以有效組織極柱發(fā)生氧化對避免車輛出現(xiàn)故障起到了很重要的作用。另外要提高極柱結(jié)構(gòu)的設計安全性，在世博園區(qū)電動車發(fā)生極柱線束燃燒后，園區(qū)電動客車迅速將新結(jié)構(gòu)極柱安裝到位。 4.2 設置電池組監(jiān)測系

15、統(tǒng) 此次世博園區(qū)電動車大都安裝12組電池，電池安放實現(xiàn)機械化、自動化，一般采用前4、后8的安裝方法。每組電池有自身唯一代碼和編號。電池本身安裝有電池監(jiān)測系統(tǒng)，它可對在園區(qū)充電和行駛中車輛所安放電池的電池溫度值、電池電壓、電池電流以及剩余電量的跟蹤進行時實時監(jiān)測。（附園區(qū)電池故障報警解析表） 電池故障報警信息解析表 報警名稱 級別 報警參數(shù) 應對措施 電池溫度差異報警 一級報警 20度 紅燈出現(xiàn) 車輛立即返回 二級報警 10度 電池高溫報警 一級報警 60度 紅燈出現(xiàn) 車輛立即返回 二級報警 55度 放電電流報警 一級報警 350A 注意觀察紅燈報

16、警紅燈，一直閃爍車輛立即返回 二級報警 250A SOC低報警 二級報警 20% 車輛返回 并通知電技術(shù)人員 三級報警 30% 單體過壓報警 一級報警 3.6V 通知技術(shù)人員 二級報警 3.5V 4.2.1 設置車輛電池充、放電監(jiān)控系統(tǒng)。充電放熱、放電吸熱是鋰電池的一個特征，但有時候充電太快也會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，這是因為化學反應來不及將電能轉(zhuǎn)化為化學能，放電時電池升溫則是化學能來不及轉(zhuǎn)化成電能所致，因此設置電池充、放電監(jiān)控系統(tǒng)對及時發(fā)現(xiàn)異常情況，做好先期處置起到了很好的效果。另外園區(qū)電動公交車采用續(xù)流增磁驅(qū)動電機，其技術(shù)核心是將電機增磁繞組接入續(xù)流回路中，利用

17、在驅(qū)動電機及其控制回路中形成的續(xù)流電流對電機進行增磁，增磁不需要消耗電能，所以在某種程度上避免了大電流放電所帶來的消防安全隱患。 4.2.2 充電裝置自我保護系統(tǒng)。一是電動公交車充電站要及時接受電池的充電電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)并進行保存, 可以的條件下畫出充電曲線, 顯示采樣點數(shù)、采樣電壓以及充電裝狀態(tài)是否正常，保證其非正常是發(fā)出報警，二是建立相應數(shù)據(jù)庫, 對所有數(shù)據(jù)進行管理, 可以隨時調(diào)出某一輛電動汽車所需要查看的數(shù)據(jù)和曲線。三是在異常狀態(tài)下不僅要發(fā)出警告信號, 在必要時信息中心可以對充電設施進行控制（如：關(guān)閉充電、自動切斷電源），同理可以應用到電動車放電的過程中。 4.2.3 電池剩余

18、電量監(jiān)控。電池的荷電狀態(tài)SOC( state of charge) 是電池中最重要的一個概念. 它被用來反映電池剩余容量狀況, 也是充電現(xiàn)場工作人員重點監(jiān)督的電池安全數(shù)據(jù)之一，電池剩余電量計算的總體思想如下圖所示，園區(qū)電動汽車充電站工作人員根據(jù)儀器實際測量電池電流、電壓、溫度的數(shù)據(jù)分析并通過合理的數(shù)學計算可以較為準確地獲得電池的剩余電量。SOC 在數(shù)值上等于電池剩余容量和電池總?cè)萘康囊粋€相對量,通常把一定溫度下,蓄電池充電到不能再吸收電量時的電量狀態(tài)定義為SOC =100 % ,而將蓄電池再不能放出電量時的電量狀態(tài)定義為SOC = 0 %.，工作人員根據(jù)此數(shù)據(jù)便可對SOC低報警的電動汽車實施應

19、急處置措施。 4.3 提升電動客車的逃生能力和防火性能 4.3.1 改進逃生安全設施，加強保障人員疏散安全的技術(shù)措施。一是車內(nèi)、車外設置低壓控制按鈕。此次世博園區(qū)所投入運營的公交車輛在駕駛員位置全部設置電源低壓控制按鈕，緊急情況下按下按鈕，車輛將自動斷電，車門門泵里的壓縮空氣被排除，前后車門均可依靠人力直接推開。筆者認為如果在車身外部也同樣設置類似的控制按鈕將會起到更加完備的效果。二是車廂兩側(cè)封閉玻璃窗改造成推拉窗。世博園區(qū)公交車的車身側(cè)窗均可移動1/2的面積以便人員迅速逃離疏散。 4.3.2 改進車身安全設計，增強車身防火性能。據(jù)統(tǒng)計，已發(fā)生的汽車火災中17％的起火部位駕駛室或車廂，因

20、此，合理做好汽車車身的防火分隔，延緩火勢向車廂內(nèi)蔓延的速度，對及時發(fā)現(xiàn)和撲救汽車的初期火災起到非常重要的作用因此通過提高車體本身的耐火極限來達到阻止火焰和熱煙氣蔓延的目的。參照美國NFPA556關(guān)于汽車內(nèi)部安全標準的有關(guān)規(guī)定，該屏障暴露在標準火災曲線中時，其保護時間不應小于15min。 4.4 建立運營中的動態(tài)管理網(wǎng)絡 4.4.1 建立中心信息系統(tǒng)。世博園區(qū)在白蓮涇出入口等十余處設置電動車行駛、充電信息監(jiān)測系統(tǒng)，對園區(qū)120輛純電動車實施24小時不間斷監(jiān)控（無論電動車處于充電、行駛還是閑置狀態(tài)），同時還對異常情況進行緊急處理，電動車把有關(guān)自身和電池組的數(shù)據(jù)以及GPS信息發(fā)送出去，形成了園區(qū)

21、3.28平方公里的巨大“車網(wǎng)”。 4.4.2 設置無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)。目前，園區(qū)電動車運行服務中心均設置有遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)基于GPRS網(wǎng)絡和Internet網(wǎng),通過具有CAN接口和GPRS接口的車載智能信息單元,采用無線遠程數(shù)據(jù)傳送方式,實現(xiàn)對園區(qū)所有電動汽車的監(jiān)控、標定和定位,由此實現(xiàn)故障分析與處理、在線標定與優(yōu)化、數(shù)據(jù)記錄與分析、電子地圖跟蹤等功能。 5 結(jié)束語 廣泛應用于2010年上海世博會的新能源汽車不僅向世人呈現(xiàn)了綠色、低碳、環(huán)保的和諧發(fā)展理念，同時也帶來了新能源汽車防火安全的新課題。實踐證明，新能源汽車的火災安全設計總體是趨于安全和成熟的。隨著新能源汽車在應用過程中不

22、斷得到創(chuàng)新和發(fā)展，隨之進行的車輛火災安全評估和技術(shù)措施防范必將為其在未來城市交通運輸中更安全、更廣泛的使用奠定堅實的安全基礎。 參考文獻 [1] 孫逢春,楊為琛,張承寧. BJD6100 - EV型電動公交車直流驅(qū)動系統(tǒng)研究[ J ]. 北京理工大學學報, 2002, 22 (1) :45 - 48. [2] 吳宇平, 王春榮, 姜長印, 等. 鋰離子二次電池[M] . 北京:化學工業(yè)出版社, 2002 : 3362337. [3] GB /T 1838411—2001. 電動汽車安全要求 [4] 張承寧，朱正. 電動汽車動力電池組管理系統(tǒng)設計 [J] .計算機工程與應用，2006[25]：35-37 [5] 胡玉祥，大功率蓄電池組運行狀況監(jiān)測［J］.微計算機信息2006，2- 2：232- 234