电动车辆试验室的火灾预防与处置研究

霍启飞

摘要：为了预防和减轻电动车辆试验室火灾造成的危害，结合高校与研究所等科研机构电动车辆研发过程中的试验现状，从试验设备因素、人为因素等方面分析了电动车辆试验室发生火灾的原因。从试验室管理、试验设备布局、试验人员操作等方面提出了预防火灾发生的措施。并针对试验室复杂环境提出了火灾发生后的应急处置方式与灭火策略，对降低科研人员开展电动车辆相关试验发生火灾的概率、保证科研人员人身安全与设备安全、提升科研人员对火灾风险点的辨识能力具有重要意义。

关键词：电动车辆；试验室；锂电池；防火措施；灭火策略

当前全球面临着能源短缺的危机，同时，大气污染也是亟待解决的难题。新能源汽车是解决该问题的重要途径之一，在此形势下，世界各国的汽车制造商都投入了大量资金研发电动汽车[1]。电动汽车分为：纯电动汽车、混合动力汽车、氢燃料电池汽车等。纯电动汽车和混合动力汽车的能量存储装置都是动力电池，特别是纯电动汽车，整车厂商为了增加车辆续驶里程，消除消费者对电动汽车的行驶里程焦虑问题，都搭载了大容量的电池。这一做法在改善电动汽车性能的同时，也给车辆增加了很多消防隐患。在电动汽车发生碰撞、动力电池老化、电动汽车线路故障、动力电池过充过放等情况下，电动汽车电池很容易发生火灾。

相比于已经上市销售的电动汽车，处于试验阶段的电动车辆发生火灾的可能性更大，危险性更高。上市销售的电动汽车造成火灾的因素相对较少，一般为碰撞导致电池短路发生火灾，或者电池过充过放导致电池热失控发生火灾等。相对而言，处于试验阶段的电动车辆发生火灾的因素较多。试验设备因素、人员因素、外部环境因素等可能对试验中的电动车辆造成影响，从而引发火灾[2]。

1 电动车辆试验室火灾原因分析

电动车辆试验室发生火灾的原因有很多，本文从试验使用的电池老化、试验人员操作不当、试验过程控制方法不当、试验设备缺少必要的状态监控设备、电气系统故障等方面阐述电动车辆试验室发生火灾的原因。

1.1  试验用电池老化

电动车辆使用的动力电池分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂电池。值得一提的是，氢燃料电池不是电能存储装置，而是电能转换装置，与二次电池比起来，有一个很大的优势，就是可以在很短时间（小于5min）内给电池加满燃料，而不是等上几个小时来充满电。氢燃料电池充入的是氢气，而最终产生水分，也没有废旧电池回收的问题，所以，氢燃料电池汽车可以说是真正的新能源汽车。

锂电池是二次电池，可以循环充电，能量密度较高，同样，当锂离子电池发生碰撞时容易发生火灾[3]。处于试验研究阶段的电动汽车，由于科研经费受限、废旧电池循环使用等原因，经常会存在电池老化后仍然在使用的现象，这是电池起火的重要原因。

1.2  试验人员操作不当

电动车辆是机械、电气、化学、材料、控制等多学科多专业交叉融合的复杂机械设备。而研发电动车辆的工程设计人员不可能对各学科的专业知识都有深入了解。在试验准备阶段，电动车辆系统高压线路连接、动力电池与驱动装置正负极、驱动装置与整车控制连接等；在试验进行过程中，各个试验设备启动顺序、各个高压电路开关闭合顺序、试验过程加载顺序等；试验结束后，各个试验进程结束顺序、高压电路断开顺序等，任何方面出现问题都会导致试验失败，严重的有可能导致电气故障，甚至发生火灾。

不同于传统汽车研发流程，电动车辆研发过程中的试验对试验人员专业素质要求较高。高校在进行電动车辆试验过程中，让没有进行过系统培训和学习的学生来开展试验是很危险的，很容易由于误操作导致系统电气故障，甚至发生火灾。

1.3  试验过程中控制方法不合理

电动车辆试验既包括传统车辆性能试验，如加速性能、爬坡性能、最高车辆性能、制动性能、转向性能、燃油经济性等，还包含电动车辆独有的试验，如百公里耗电量和制动能量回收率等。电动车辆研发很重要的一部分内容是整车能量管理控制，目的是提高系统效率、合理分配动力电池电能、进行整车发热与散热均衡，保持动力电池处于正常工作状态。

电动车辆驱动系统在试验室开展的重要试验是验证整车控制策略，包括车辆驱动制动控制、热管理控制等。纯电动汽车的主要动力部件包括动力电池、驱动电机、驱动电机控制器、减速器、超级电容、高低压电力变换装置等；混合动力电动汽车结构更加复杂，除了包含纯电动汽车的所有动力部件外，还有可能包括发动机、发电机、发电机控制器等部件。电动汽车的动力部中，各种控制器、动力电池和超级电容都是主要的能量源，各种发电机和电机都是主要的热源，当车辆在不同环境和不同工况下使用时，会导致车辆发热不同，一旦整车热管理出问题，电池能量很容易失控发生火灾。因此，电动车辆试验阶段控制方法不合理是导致发生火灾的重要原因。

1.4  试验设备缺少必要的状态监控设备

动力电池的主要状态表征参数包括单体电压、工作电压范围、充电截止电压、标准充电温度、工作温度、标准放电电流、最大放电电流、电池模组温度、电池模组内各单体电压均衡情况、电池荷电状态、电池健康状况、电池充放电次数等[4]。在电动车辆上，上述动力电池参数是通过电池管理系统来进行监测和管理的。电动汽车电池管理系统（BMS）是用来连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，可以对电池的一些参数进行实时监控，同时可以对电池的充放电进行控制等。通过电池管理系统对上述参数进行监测、对电池充放电进行管理，可以有效防止动力电池过充、过放、单体电压失去均衡、热失控等现象发生。

配备有电池管理系统的动力电池组一般价格较高，高校、研究所等科研机构受限于科研经费，经常会采用没有电池管理系统的电池组进行电动车辆试验。同时，试验室也缺少动力电池组状态监控传感器，试验过程中，动力电池电压处于什么状态、电池电量处于什么状态、电池组温度是多少、应该充电还是应该放电，完全无法确定。这很容易导致动力电池过充、过放、热失控现象发生，从而引发火灾。

1.5  电气系统故障

电动车辆试验过程中，电气系统故障也是发生火灾的重要原因。电动车辆电气系统的故障总体上可分为电气设备故障、线路故障。

1.5.1  电气设备故障

电动车辆电气设备较多，包括电池、电机、电机控制器、高压配电设备、高压电力转换装置、电动风扇、电动水泵、空调等。电动车辆中任何电气设备出现故障都有可能造成短路、发热严重，甚至起火。纯电动汽车和混合动力电动汽车的电气故障发生原因很多，故障种类也很多，在试验室中进行试验的纯电动汽车和混合动力电动汽车电气故障种类和概率更多。引起纯电动汽车和混合动力电动汽车电气设备故障的原因包括控制策略不合理、试验设备可靠性差、驾驶员或者试验操作员操作失误等。

1.5.2  电气线路故障

电气线路故障包括电动车辆中高压电气线路的开路、短路、高压接插件松动、高压线缆破损、高压线缆绝缘不良，低压电气线路的开路、短路、接插件松动、低压线缆破损等，电动汽车和混合动力汽车的电气化程度特别高，包含的电气部件和高低压电缆也多，因此电气线路故障时常发生。一旦某处电气线路发生故障，将导致整个车辆电气部件无法正常工作、各种控制器损坏、电机烧坏甚至发生火灾等严重事故。电动车辆中动力电池高压线路老化破损、高压屏蔽线与导电线接通、控制器软硬件故障、车辆散热系统故障等，都有可能导致电动车辆系统短路、热失控发生，严重的还会导致起火。

2 预防电动车辆试验室火灾的措施

防止电动车辆试验室发生火灾的措施有很多，本文从试验室管理、试验室设备布局、试验操作人员与设备间隔离等方面进行介绍。

2.1  试验室管理上不可忽视对电动车相关试验室的监督管理

高等院校与科研机构的试验室消防安全是管理机构的重要任务，试验室管理部门一般对油料库、火药库、化学材料存储库等的管理较严格，却经常忽视电动车辆试验室的消防管理。基于电动车辆锂电池的危险性及其引发火灾后造成的危害性，对电动车辆试验室、电池试验室的消防安全管理要特别重视。

相关试验人员必须经过专业技术能力培训和考核，方可在电动车辆试验室操作试验设备；不得在试验室饮食、娱乐、使用化妆品；试验室及其走廊禁止吸烟；特别是靠近燃油的场所，禁止烟火。

科研人员在电动车辆试验室结束试验后，必须按照试验室规章制度和试验大纲中要求的操作流程关闭机械部件动力源，例如发动机、电动机等。关闭机械部件动力源的顺序是先停止旋转的机械部件，然后熄火发动机或关闭电动机；关闭电气部件高低压电源开关的顺序是先关闭高压电气开关，待高压下电完成后，再关闭低压电气开关。关闭机械部件和电气开关后，试验室负责人或者某项试验负责人要到现场检查一下试验设备和被试验设备是否有漏油、漏水现象，如果存在该类现象要及时处理，防止造成其他损害。试验刚结束时试验设备的温度一般比较高，试验人员在检查现场时一定不能用手触摸各种部件，防止烫伤。

2.2  试验设备空间布置上要将电池、燃油等进行分离

电池车辆试验室里一般会有动力电池、高压电柜、电机、控制器、加载设备，设置会有发动机、燃油箱等，在进行试验室内设备布局时，动力电池要远离油箱、高压电柜等易燃物和起火后会造成电力系统连锁反应的设备。

在电动车辆试验室，特别是靠近电池的位置，试验室负责人与试验室安全员必须配备一定数量和一定种类的消防器材。試验室负责人与试验室安全员要定期检查消防器材的有效期和有效性，并且要将消防器材摆放在明显的位置，以便发生火灾时取用。试验室负责人与试验室安全员要对试验人员开展试验前的安全培训，并传授火情发生后的应急处置措施，例如，除了实施灭火外，还要保护好试验现场，及时报告上级。

2.3  试验人员操作间与试验设备空间上的隔离

由于锂电池从热失控、冒烟到起火，整个过程持续时间非常短，几乎是瞬间发生，为了保证人员安全，试验设备与试验人员要在空间上做好隔离，并且起火后要保证试验设备放置间的烟灰不能进入人员操控间，为试验人员撤离留足时间，因此，试验操作间和试验设备放置位置不能在一个房间。

3 电动车辆试验室发生火灾后的处置措施

本文从紧急断开试验室高压电柜与试验设备连接、电动汽车试验室灭火要选用合适灭火剂、电动车辆试验室灭火策略等方面介绍电动车辆试验室发生火灾后的处置措施。

3.1  断开试验室高压电柜与试验设备连接

如果动力电池等部件在电动车辆试验过程中发生故障，则需要马上切断试验室高压电柜与试验设备上的所有电源连接。一般操作是紧急按下试验室控制间的急停按钮，此时电闸会立刻断开。试验室特别是电动车辆试验室的急停按钮，基本作用就是切断高压电源与试验室试验设备的电气连接，使车辆不产生通电[5]。现在研发的电动汽车的母线电压一般都高达400～800V，而人体所能承受的安全电压仅为36V，所以，为了保证人员安全，试验过程中出现问题最关键的步骤就是切断电源。

3.2  电动汽车试验室灭火要选用合适灭火剂

目前，市场上的消防灭火剂分为干粉灭火剂、细水雾灭火剂、氢氟碳类灭火剂、惰性气体灭火剂以及热气溶胶灭火剂等。电动车辆试验室中的火灾风险点主要为动力电池、超级电容、燃油等物品和燃料，当电动车辆试验室中的被试验件发生火灾或者有发生火灾的迹象时，一般不能使用水或泡沫灭火剂进行灭火，可以用二氧化碳或干粉灭火剂进行灭火，以保证初期火灾得到有效控制。当动力电池和超级电容发生火灾或者即将发生火灾时，断开电源线路连接是首要操作，同时不能急于靠近着火点，这是因为动力电池为能量存储装置，有可能发生爆燃、爆炸等异常情况。随着电动汽车的发展，针对电动汽车动力电池组的灭火剂也得到了快速研发，但对于动力电池组火灾方面的处理经验仍显不足，缺乏针对性的灭火计划与具体的灭火剂类型。

3.3  电动车辆试验室灭火策略

电动车辆试验室起火不同于其他火灾现场，试验室一般是在很小的空间里布置大量的试验设备，特别是电动车辆试验室，包括高压电气设备、燃油动力设备、旋转机械设备等，还有可能包括燃油等可燃液体。因此，电动车辆试验室灭火前一定要询问当事人试验室是否断开高压电源、高压电源柜所在位置、有多少块电池、是否有燃油、在什么位置等详细信息。

灭火过程中，要通过观察烟量、烟色、明火或者试验室数据动态监测动力电池状态[6]，采用测温设备远距离监测动力电池温度变化，若起火电池组处于密闭室内环境，必须首先采取排烟措施，可以采取沙子覆盖的方式达到控制动力电池组起火范围的目的，并及时分离起火电池。

4 结语

电动车辆动力系统及整车试验安全研究是电动车辆研发与应用的重要组成部分。本文通过对电动车辆试验室可能导致火灾发生的原因进行分析研究，提出了预防电动车辆试验室火灾的方法及火灾处置措施，以期为我国电动车辆试验过程中的消防安全管理提供参考。

參考文献：

[1]曹立波，白中浩，谢飞.电动汽车动力系统及整车安全性能研究[J].当代汽车，2003（2）：42-44.

[2]赵凯，罗柳萍.汽车试验室消防安全管理对策研究[J].时代汽车，2021（10）：197-198.

[3]付晋，雍艾华，黄勇.电动汽车锂电池灭火技术研究[J].消防科学与技术，2020，39（3）：374-377.

[4]陈文博，颜健，孟凌杰，等.电动汽车动力锂电池火灾危险性的研究进展[J].电源技术，2021，45（2）：270-273.

[5]李垣翰，周广英，张金专.汽车电气系统火灾原因分析及调查方法[J].武警学院学报，2019，35（10）：57-62.

[6]姜连瑞，李梦雨.锂电池火灾扑救战术方法研究[J].消防技术与产品信息，2017（12）：33-36.

Research on fire prevention and disposal of electric vehicle in laboratories

Huo Qifei

（Zibo Municipal Fire and Rescue Brigade， Shandong Zibo 255000）

Abstract： In order to prevent and reduce the harm caused by electric vehicle fires in laboratories， the paper analyzes the causes of fires in electric vehicle laboratories from the aspects of test equipment factors and human factors. Based on the test status of electric vehicle research and development in universities， research institutes and other scientific research institutions. Measures to prevent fire are put forward from the aspects of laboratory management， test equipment layout， and test personnel operation. According to the complex environment of the laboratory， emergency response methods and fire fighting strategies are put forward after a fire. It is of great significance to reduce the probability of fire in electric vehicle-related tests， ensure the personal safety and equipment safety of scientific researchers， and improve the ability of scientific researchers to identify fire risk points.

Keywords： electric vehicle; laboratory; lithium battery; fire prevention measure; fire fighting strategy