新能源汽车充电桩火灾处置技战术研究
付沛松
（国家消防救援局昆明训练总队，云南昆明 650000）
[摘 要] 目前在我国将“碳中和”“碳达峰”作为近年能源发展战略的大背景下，各部门、行业对新能源的重视程度日益提高，新能汽车产业链蓬勃发展。当前新能源汽车主要使用能源为电能，通过电网布设，对汽车用电池进行充电。由于国内新能源汽车产业发展速度较快，相应的行业安全标准，特别是消防标准还未完善，同时依托高能量密度电池提供电力的生产供能模式又有较高的火灾风险性。本文拟对新能源汽车充电桩火灾进行处置技战术研究，旨在提高此类火灾处置效率，减少财产损失，为新能源汽车火灾事故处置参考和借鉴。
[关键词]：新能源汽车；基础设施；充电桩；灭火处置
[中图分类号]
[文献标识码] [文章编号]
[收稿日期]年-月-日
[作者简介]付沛松(1992-)，男，岳阳人，硕士研究生，主要研究方向为消防装备、灭火战术。
Research on fire disposal technology and tactics of new energy vehicle
Charging station
Fupeisong
(Kunming
Training Corps, National Fire and Rescue Administration, Kunming 650000, China)
Abstract：Against the backdrop of China's recent energy
development strategy of "carbon neutrality" and "carbon
peaking", various departments and industries are increasingly attaching importance
to new energy, and the new energy vehicle industry chain is thriving.
Currently, new energy vehicles mainly use electricity as the energy source,
which is charged through the deployment of the power grid to charge the
vehicle's batteries. Due to the rapid development of the domestic new energy
vehicle industry, the corresponding industry safety standards, especially fire
safety standards, are not yet perfect. At the same time, relying on high energy
density batteries to provide electricity for production and energy supply mode
also has a high fire risk. This paper plans to conduct technical and tactical
research on the disposal of new energy vehicle Charging station fires, aiming
to improve the efficiency of such fire disposal, reduce property losses, and
provide reference for the disposal of new energy vehicle fire accidents.
Key words: new energy vehicles; infrastructure;
charging station; fire extinguishing disposal
1 行业发展背景
我国的能源产业结构是“富煤贫油”，且光伏、水力、风力发电产业完善，基础较好，相比于传统的化石能源，无论是从能源安全的角度，还是在减少碳排放的国际背景下，都更适宜发展以电力为核心的新能源产业。新能源产业蓬勃发展，新能源汽车保有量不断攀升，充电桩作为电网至用户终端的接口，也受此影响，呈高速建设状态。
早在2015年，国家发改委就联合国家能源局、工业和信息化部、住房城乡建设部等相关部门印发《电动汽车充电基础设施发展指南（2015－2020年）》，指出“进一步大力推进充电基础设施建设，是当前加快电动汽车推广应用的紧迫任务，也是推进能源消费革命的一项重要战略举措”，明确“到2020年，新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求”。
充电桩规模、数量的飞速发展也带来了一系列火灾隐患的问题，充电设施火灾数量频发，个别还造成较严重的财产损失和社会影响。2022年相关部门出台了《国家发展改革委等部门关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》，其中明确提出“强化汽车、电池和充电设施生产企业产品质量安全责任，严格建设、设计、施工、监理单位建设安装安全把关”“建立火灾事故调查处理、溯源机制，鼓励相关安全责任保险推广应用”，进一步压实了充电桩厂家、使用单位的消防安全责任，并探索实行火灾事故溯源机制[1]。
2 充电桩类型分析
充电基础设施即充电桩可根据其充电模式、规模、安装地点的防护等级进行分类，其火灾危险性也各不同，具体分类如下：
2.1 充电模式分类
2.1.1 交流充电桩
交流充电桩即输出交流电为电动汽车进行充电，一般安装在固定场所，与电网相连，为电动汽车车载充电设备提供可控制的单向交流电源或三相交流电源的供电。由于电流的限制，交流充电桩不能直接为汽车电池进行充电，而是要现通过连接电动汽车车载充电设备进行转换。由于车载充电设备功率较小（一般为7 kW、10kW、15 kW等功率），交流充电速度较慢，一般需要6-10小时才能充满。
2.1.2 直流充电桩
直流充电桩即内置了交流直流转换装置的充电桩，与电网相连，体积较大，一般集中固定安装。直流充电桩可直接为电动汽车的电池充电，采用三相四线制或三相三线制供电，输出的电压和电流可调范围大，直接输出大功率直流电为电动汽车电池充电，功率较大（一般大于120kW），1-2小时即可为电动汽车充满电。
2.1.3 安全性能差别
对于交流充电，充电功率较小，对电池的损耗也相应较小，同时会在即将充满电时给电池组各单个电池进行电量均衡，使得最后保证每个电池电量都是满电，对保护电池和延长电池寿命有一定的好处；对于直流充电，充电功率大，充电速度快，过快的充电速度会导致电池组内电量的不平衡，对单节电池的刺激和冲击也较大，若无进一步平衡电量的技术措施，长期使用会有热失衡的风险，容易产生泄露、火灾、爆炸风险。
2.2 充电桩规模分类
根据充电区域的规模、数量以及安装管理方式，可将充电区域分为集中建设的充电站和独立充电桩两类。
充电站一般按照《电动汽车充电站设计规范 GB50966-2014》标准进行建设，规划合理，且远离重点单位，具有较完善的固定消防设施和配套管理制度，一般安排专人进行运营管理，并在政府有个部门备案、接受定期检查。
独立充电桩一般设立在公共建筑或居民住宅的地下车库中，主要为个人使用的电动车进行供能充电，依照个人申请—物业、电力部门审批—报请安装的程序进行设置。单个充电桩自发性的火灾危险性不高，主要风险点在于车主未按规程操作以及相关的防护措施、配套设施不完善，以及设施有被外力破坏的风险。
2.3安装地点分类
根据安装地点的不同，充电桩可以分为室外充电桩和室内充电桩两类。对于室外充电桩，由于需要面临较恶劣的露天环境和天气影响，需要在设计、安装时注意绝缘性防护，同时提高防雷避雷等级以及相应的安全防护等级。室内充电桩为节约空间，一般采用壁挂式安装，如若发生火灾，可操作空间较小，容易引发邻近车辆着火。
3 充电桩火灾风险分析
新能源汽车火灾主要可分为动力电池火灾、电气线路火灾以及其他原因导致的火灾（如外部火源、雷击等）。目前国内新能源汽车动力电池厂家品牌繁多，质量参差不齐，特别是2015年以前生产的动力电池，普遍存在安全隐患较大的情况，存在安全隐患的电池充电时容易因性能失衡破环内部结构导致温度急剧升高起火；动力电池遭受外力撞击或遇水渗透会导致内部短路起火；动力电池使用年限过长、维护保养不到位也会导致内部线路故障起火；遇到雷击或外部火源引燃也会导致起火事故。
国内发生的新能源汽车充电桩火灾大部分是由于充电过程中动力电池故障引起的，这给国内充电桩（充电站）的安全运营提出了更高的挑战。深圳市新能源车辆占比较高，配套的充电设施覆盖率也较高，在发生多起新能源汽车火灾事故后，深圳市于2018年11月12日印发了《深圳市新能源汽车充电设施管理暂行办法》，开启了国内新能源汽车及配套设施的安全管理规章制度完善之路。
2020年，深圳市印发了《关于加强新能源纯电动货车运营安全的紧急通知》。
2020年，国家标准委员会制定了《电动汽车充电桩运行管理规范》。
2022年，国家能源局联合相关部委印发了《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》。
4 充电桩火灾处置技战术研究
充电桩火灾多发生于新能源汽车充电使用过程中，尽管电动汽车起火的原因很复杂，但其中一个主要原因是锂电池自然。研究此类火灾处置应同时按带电设施和电动汽车两种火灾场景来考虑[2]。
4.1 国外对充电桩火灾灭火技战术研究
美国联邦航空管理局开展了扑灭锂电池火灾的有效灭火剂筛选实验，通过火灾模拟实验和灭火降温效果实验评价了它们的有效性。结果表明，水基灭火剂具有良好的降温效果。随着灭火剂的用量增加，降温效果更为显著。即使是小用量的水基灭火剂对冷却效果的影响也有显著意义。但非水基灭火剂的降温效果并不明显，随着灭火剂的用量增加、冷却能力变化不大。水基灭火剂的冷却能力由大至小依次为AF-31、AF-21、A-B-D和Novec 1230[3]。
在对灭火剂冷却效果进行实验研究的基础上，美国联邦航空局开展了新能源汽车锂电池火灾实验。实验采用18650型锂离子电池（电池容量为2600mAh）。首先，打开管式炉加热器，然后当第一个电池的温度加热到100℃时，打开己烷加热器。在电池热失衡燃烧后，喷洒了灭火剂。当灭火剂为液体时，如水、AF-31、AF-21、A-B-D和Novec123，用500ml手持瓶喷洒。其他非液体灭火剂，如Halon211、Halotron、I、FM-200、FE-36、CO2，使用气瓶释放。灭火结束后，加热器关闭，记录了大约20分钟的灭火过程。结果表明，锂电池的所有热失控都是在没有引火源的情况下发生并蔓延的，只有500ml的液体灭火剂才能有效抑制锂离子电池火灾的扩散，非液体灭火剂对锂离子电池火灾蔓延没有控制作用。通过对该项目的研究，美国联邦航空局对灭火剂冷却效果的实验结果如下：进一步证明了灭火剂是防止锂电池火灾蔓延的关键因素。水基灭火剂对锂电池火灾的抑制效果最好，而气体灭火剂和干粉灭火剂在抑制锂电池火灾方面是无效的。
4.2 国内对充电桩火灾灭火技战术研究
为了降低新能源汽车火灾的风险，中国船级社武汉研究所[4]开展了锂电池灭火剂灭火效果的研究。他们分析了二氧化碳、干粉和七氟丙烷的灭火效果。他们从从灭火时间、再燃率和烟气效果三个方面进行了综合研究。二氧化碳的灭火效果不佳，导致火灾复燃。干粉灭火剂对锂电池火灾的影响很小，甚至在实验过程中也发生了爆炸。对电池起火效果最佳是七氟丙烷。
中国科技大学[5]开展了干粉、二氧化碳等灭火剂的灭火有效性研究。发现七氟丙烷具有良好的效果，但也出现了火灾复燃的情况。
应急管理部天津消防研究所[6]用干粉、二氧化碳和水成膜泡沫灭火剂及细水雾技术进行灭火效果测试。结果表明二氧化碳、干粉、3%水成膜泡沫可扑灭18650型锂离子电池的明火。但由于锂离子电池的热失控，会持续释放热量、可燃气体和氧气。上述几种灭火剂均不能完全扑灭火灾。全部出现了复燃的现象。随着灭火剂冷却能力的提高，复燃出现的时间延长。
4.3 细水雾添加剂在充电桩火灾中的灭火应用
关于细水雾添加剂技术应用在充电桩及锂电池火灾的研究文献较少。现有的研究主要集中在西方国家，主要应用了F-500微胶囊材料技术，这是一种新型的高效灭火、防爆和环保技术，由美国危险品控制艺术公司（HCT）开发。2009年，Bosch测试了水的、泡沫、粉末和F-500对锂电池起火的灭火效果。测试发现，F-500是锂电池起火的首选灭火剂。
2013年4月，德国机动车检验协会（DEKRA）选择了三种灭火剂研究了电动汽车动力锂电池火灾的灭火效果[7]。根据车辆锂电池的电气结构，使用正庚烷点燃锂电池，并建立了火灾模型。他们比较了F-500、水、粉末灭火剂对扑灭锂电池火灾的作用。消防员在正庚烷燃烧约20分钟后开始灭火。通过仿真实验，DEKRA发现水可以成功扑灭电动汽车的锂电池火灾。但是还有许多其他问题，如耗水量大、灭火时间长等。F-500灭火剂可以提高扑灭锂电池火灾效率。含1%F-500灭火剂的灭火时间只有14秒，大大降低了用水量。作为一种微细胞制剂，F-500能有效抑制D类（金属）火灾。当水用于D类（金属）火灾时，高温会使水转化为氢气和氧气，容易发生复燃和爆炸。粉末灭火剂不能冷却锂电池火灾，火灾将再次发生。同时F-500可以降低水的表面张力，较小的液滴形成可以渗入锂电池内部，起到了渗透灭火的作用。F-500型添加剂在水面上形成一层保护膜，形成一个球形的微胶囊“化学茧”。燃烧的电池元件被包裹在抑制燃烧的微胶囊中。F-500的快速冷却能力可以快速扑灭火灾，防止火灾再次发生。这些特性使得F-500不仅适用于金属镁、金属钛等D类火灾，也适用于锂电池火灾。
4.4 充电桩火灾处置流程
4.4.1 接警调度
指挥中心接警后，按照事故等级就近调派力量赶赴现场。指挥中心值班作战助理、安全助理查阅发生事故充电桩（站）规模、型号，将相关安全注意事项实时通报给现场指挥员。同时调集电力、环保、公安、气象等联动部门协同进行处置。出警力量应携带电绝缘装具、绝缘剪断钳、漏电探测仪、测温仪、可燃气体探测仪以及破拆装备。
4.4.2 风险评估
现场指挥员在采取处置措施前应查明充电桩起火部位基本情况以及被困人员情况。查明火势对周边车辆、建筑、人员的威胁情况。查明火灾地点附近危险源情况。判断发生事故充电桩、车辆电路系统受损情况以及现场是否切断电源。
4.4.3 现场管控
依照事故发生等级以及气象情况划分警戒区域，疏散无关人员。利用可燃气体探测仪和测温仪实时监控风险，适时调整警戒范围。
4.4.4 安全防护
现场处置人员应着个人防护装备全套，佩戴空气呼吸器，并根据现场带电情况使用绝缘装备。
4.4.5 处置措施
对有人员被困的情况，应果断坚持“救人第一，科学施救”原则，快速救人，并同步开展灭火、破拆、排烟措施。无法实施断电操作时，应使用喷雾水或接地使用直流水进行冷却降温。根据现场情况，判断是否采用吊升、稳固措施。充电桩高压供电源附近一般有保护性构件，发生火灾时难以直达火点，应使用大量的水对构件外部进行降温操作。
参考文献
[1]徐权张煜.新能源汽车火灾处置对策研究[J].中国应急救援, 2022(1):54-57.
[2]邵啸峰.电动汽车火灾中的灭火剂选择与灭火战术研究[C]//2017中国消防协会科学技术年会.0[2023-06-12].
[3]Maloney,
T., 2014. Extinguishment of Lithium-Ion and Lithium-Metal Battery Fires, US
Department of Transportation, Federal Aviation Administration.p. 46–51
[4]
Rao, H., Huang, Z., Zhang, H., et al. 2015. Study of fire tests and fire safety
measures on lithiumion battery used on ships, International Conference on
Transportation Information and Safety,p. 46–51.
[5]Wang,
Q., Shao, G., Duan, Q., et al. 2015. The Efficiency of Heptafluoropropane Fire
Extinguishing Agent on Suppressing the Lithium Titanate Battery Fire, Fire
Technology, p.1-10.
[6]Li,Yi,
Yu, Dongxing, Zhang, Shaoyu, et al. 2015. A typical lithium-ion battery fire
extinguishing test, Journal of safety and environment, p. 15 (6): 120-125.
[7]
Egelhaaf, M., Kress, D., Wolpert, D., et al. 2013. Fire Fighting of Li-Ion
Traction Batteries, SAE International Journal of Alternative Powertrains,p.
2(2013-01-0213): 37-48.
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