纯电动汽车安全风险分析及灭火救援处置技术研究

牛小宁 牛高志

摘 要：我国能源结构存在富煤、贫油、少气的特点，为切实推动可持续发展理念，构建人类命运共同体，我国“十四五规划”明确提出能源转型“减煤、降油、增气、加新”的发展路径，并宣布了2030年达到“碳达峰”2060年达到“碳中和”的目标。截止2022年初，我国新能源车保有量约800万辆，其中纯电动车保有量就有约660万辆，占新能源汽车的82.5%。本文将介绍纯电动新能源汽车的结构特点及事故风险点，结合消防实战经验，针对纯电动汽车不同事故风险总结相应的处置措施。

关键词：纯电动汽车 结构特点 事故风险点 电池包 处置措施

近年来，为减少环境污染，我国大力研发新能源汽车并出台许多政策来进行扶持。产业规模日益扩大。新能源汽车是指采用非常规燃料作为动力来源，综合车辆动力控制和驱动方面的先进技术，形成技术原理先进，具有新结构的汽车。以其动力供应方式的不同可分为：纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、燃气汽车、超级电容汽车、空气混合动力汽车、氢动力汽车、太阳能汽车等等，其中纯电动汽车的发展与应用最为广泛。

1 纯电动汽车结构特点

纯电动汽车是指驱动能量完全由电能提供、由电机驱动的电动汽车，英文缩写为EV（Electric Vehicle）或BEV（Battery Electric Vehicle）。纯电动汽车的三大核心技术为“电池、电机和电控”。

1.1 动力电池

动力电池是纯电动汽车的储能装置，其原理是利用化学反应发电。经漫长的探索与研究发现，锂金属氧化物能够较好地实现能量储存和释放过程中的化学稳定性，即电池充放电的长期性和安全性，因此我国车企使用的动力电池正极材料多为磷酸铁锂和三元锂，负极通常选择石墨或其他碳材料作为活性物质，这样既能很好的承载能量，又相对稳定，还能丰富的储能，便于大规模制造。充电时在外加电场的影响下，正极材料含锂的过渡金属氧化物（LiTMO2 ）分子里面的锂元素脱离出来，变成带正电荷的锂离子（Li＋），在电场力的作用下，从正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6，于是从正极跑出来的锂离子就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构当中。从正极跑出来转移到负极的锂离子越多，这个电池可以存储的能量就越多。放电时内部电场转向，锂离子（Li＋）从负极脱离出来，順着电场的方向，又跑回到正极，重新变成钴酸锂分子（LiCoO2），从负极跑出来转移到正极的锂离子越多，这个电池可以释放的能量就越多。

车用电池结构特点是以正负极活性物、电解质、隔离膜三者组成最基本的锂离子电池既电芯，当多个电芯被同一个外壳框架封装在一起进行串、并联就形成电池模组，例如，一个电池模组使用四个单体串联提供名义上的12V的电压，或者多个单体并联提供更大的容量。并联的电池组要求每个电池电压相同，输出的电压等于一个电池的电压，并联电池组能提供更强的电流。串联电池组没有过多的要求，只要保证电池的容量差不多即可，串联电池组可以提供较高的电压。电池模组一般集成在汽车底盘形成整体电池包。如图1所示为某车企底盘式方形电池模组电池包，其单组能量能达到24.5KW/h。

1.2 驱动电机

驱动电机是将电能转化为机械能或者将机械能转化为电能的一种装置，它是一种利用通电线圈（定子绕组）产生旋转磁场形成磁电动力旋转扭矩，通过高压配电箱将动力电池的电流分配进来利用DC/AC逆变器升压或降压进入电机，驱动汽车的四个轮子实现车辆的行进。

1.3 电控系统

电控系统是控制动力电源与电机之间能量传输的装置，同时其也能控制电流到达汽车的每一项控制单元，例如，现大部分车企都将电控系统做成多合一的集成控制器，其优点是可将整车控制器包括电机控制器、变速箱控制器、电池管理系统、转向油泵、制动气泵甚至是空调控制器、加热（冷却）系统等多项控制单元全部集中为整块电控系统，方便电能随时输出，操作车辆所有的控制单元。

1.4 电池充放电系统

充电过程中，380伏高压充电桩或220伏市用电源通过车辆充电口输电给高压配电箱，经应急开关后对动力电池进行充电。整个充电过程电池管理系统（BMS）对动力电池的温度及电压进行监测，如发现电池内部单体温度或电压过高，即发出预警并切断配电箱给动力电池输电。

放电过程，动力电池在电池管理系统和漏电保护器的监控下，通过应急开关输电给高压配电箱，配电箱根据实际用电情况分配电量，一部分电量流向电机控制器，用于驱动车辆行驶；一部分电量流向DC/DC变换器和液压转向系统、刹车系统、空调系统、低压系统等控制器。

2 纯电动汽车事故风险点

2.1 行业风险

一是因缺少顶层设计规范，不同车企、不同批次、不同品牌的设备其本质安全性和结构布局差异较大，尤其是高压集成设备、电池热管理系统功能性差异明显，其低配、简配车辆安全性较差。二是很多车企为减轻整车重量，节省空间，保证续航，整车质量越来越轻。随着锂电池的广泛应用，许多车企为使能量密度与空间的最大化，纷纷将传统弱电系统中的12V、24V铅酸电池替换成小型锂电池，加大了电池热失控起火爆炸的风险。三是不同车企的锂电池封装方式各不一样，常见的有圆柱形电池、软包电池、方形电池、刀片电池等等，其安全性能也互不相同。例如：圆柱形电池排气泄压口设计较小，有极高的爆炸风险，电池容量较小，电池芯组装时通常适用密集排列，易造成整体热失控，伤害高，但其成本较低，加工工艺成熟，标准化程度较高，因此受到广大车企青睐；软包电池采用铝塑膜软壳包装，质量较轻，但其封装环节较难控制，易发生鼓胀等问题，使得产品一致性较差，出现极端情况时容易被穿刺，自我保护性能较低；方形电池目前是国内主流封闭电池形式，安全组件较为完善，包含有NSD针刺安全装置、OSD过充保护装置、防爆装置等安全结构。壳体通常为金属铝制外壳，相对于上述两种电池形式，方形电池拥有更高的空间利用率，电池单体体积和容量也明显优于其他电池形式，但并不是说就没有解体爆炸的可能，加上金属外壳在爆炸的能量驱动下，造成的弹片伤害更高，单体电池爆炸后的金属外壳碎片飞溅更易导致邻近电池短路或产生穿刺引发链锁热失控反应，目前部分企业已开始研发采用塑封壳进一步降低爆炸风险及危害；刀片电池是目前国内实验状态下相对最为安全的电池，采用将电芯扁长化设计，来进一步改进电池包集成效率的技术。它不是某一个特定尺寸的电芯，而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列电芯，正负极设置在刀片两端，两端都有防爆阀。相对于已有方形铝壳电芯方案，这个电芯最明显的优势在于散热效果好，难点在于整个电芯的结构稳定性、内阻、注液等，尤其是结构强度方面，电芯需要依靠自身来实现支撑。针刺实验过程中，刀片电池几乎不会发生热失控，穿刺位置没有火花、烟雾或电解液喷出，电池电压下降和表面温度上升都非常轻微，其缺点在于刀片电池所有电芯是通过结构胶固定在一起，意味着后期其中一个电芯坏了，维修时无法拆开单独处理，只能通过整包更换，维修成本较高。

2.2 锂电池风险

由于锂金属化学性质非常活泼，其性能非常适合做电池，但其风险也很高，由于存在锂金属负极，遇水会剧烈反应，生成氢气等易燃易爆气体对于存储、运输环节要求较高。尤其是密闭场所，如发生事故，极易发生爆炸，形式上与金属火灾相似。为实现较好的充放电过程，需要活性物质来做电池的正负极，正负极材料不但要活泼，还要具有非常稳定的结构，才能实现有序、可控的化学反应。不稳定的结果就是能量剧烈释放，化学能将变成了热能，一次性把能量释放完毕，其冲击力巨大且不可逆。

2.2 高压线路和设备漏电风险

纯电动汽车的高压设备主要有直流高压和交流高压两种，直流高压主要集中在驱动系统和电池系统，电压通常能达到300-350V，个别品牌车辆能高达800V；交流高压主要分布在逆变器（AC/DC双向转换器）与驱动电机、空调系统、加热系统之间以及充电接口与车载充电器之间。电池系统与充电期间高压电为持续存在，车辆运行期间逆变器、高压导线、压缩机和加热器等设备也存在高压风险，换言之，车辆行驶过程中如若发生事故，即便切断高压电系统，电池包也仍然带电，电缆或交流高压部件中的高压电也将会持续存在数分钟。

2.3 高温烟毒危险

纯电动汽车电池材料多以锰酸锂、三元锂电、磷酸铁锂等为主，统称为锂离子电池，其充放电的原理为：锂离子充当电能的搬运载体，与正负极材料来回发生化学反应，将化学能和电能相互转化，实现电荷的转移。

在这种往返的化学反应过程中，很容易因温度的升高发生热失控。其正、负极材料可作为氧化物，电解质与隔膜为可燃物，如内部发生短路温度升高电能转化为热能，随即产生燃烧，同时电解液中的一氧化碳、烯烃、烷烃、氟化氢等有毒有害气体大量释放出来，其燃烧温度可达1000-2000℃，持续时间较长。

2.4 喷射火灼伤危险

由于电池包电芯热失控后内部集聚大量热量，电池模组又是一个大容量的环闭式整体，电芯单体、电池包上均设计有泄爆阀。当电池内压力升高时，泄爆阀打开，易燃易爆气体呈带压喷射状燃烧，人员站位不合理容易被高温烟火灼伤。

2.5 气体爆燃爆炸

电气线路故障后电池包瞬间发生热失控，如盲目打水或破拆，容易使电池内部、车体内部释放聚集大量易燃易爆气体，发生气体空间化学爆燃、爆炸。

2.6 多种物质叠加燃烧

发生火灾事故后，包括锂电池、液压油、制冷液等多类物质燃烧，叠加高压电流电压，且电池包串并联初期无法断开，易形成立体燃烧。

3 纯电动汽车事故处置措施

3.1 初期控火

纯电动汽车在城市地下车库、地上停车场、充电站等地点因设备故障或电池质量等原因发生火灾，火势处于热失控初期时，可采用灭火毯遮盖窒息灭火。需准备一块8mx6m以上，工作温度不低于1000℃，软化温度不低于1600℃的灭火毯，利用安全绳将灭火毯四个角提前固定并绷紧，操作时两名救援人员分别拉住两个角从上风方向接触车体，覆盖住整个着火车辆，保证四个角紧贴地面，待完全隔绝氧气进入并至少保持20分钟。此方法仅适用于火灾初期，如电池内部持续发生化学燃烧，灭火毯将无法有效灭火，同时，因需要人员牵拉覆盖，一般不适用于高于2m的车辆类型。

3.2 转变传统救援理念

纯电动汽车无论发生交通事故还是火灾，都要转变传统第一时间“剪线、破拆、打水”的救援理念。首先，高压电池包与车身为一体化设计，通常不设置维修开关，但设有高压互锁，其原理是给BMS电池管理系统一个切断电池包继电器的信号，但即便切断继电器，也只是断开电池包的动力输出，电池包内部高压电量仍持续存在，同时电池包热管理系统的高压电也不会断，电池包内部电压长时间得不到释放反而容易升温升压发生燃烧爆炸；其次，纯电动汽车装配的电池管理系统、热管理系统等保护装置能够实时监测电池温度、电压及充放电情况，遇到故障能及时通过控制信号启动风冷、液冷等制冷系统对电池包进行强制冷却，其信号来源均由12V或24V低压电控制，如盲目切断低压电源，将会导致动力电池冷却、管理等系统失效，无法及时发现电池超温、超压、过充、过放等热失控前兆并联动相关安全保护系统进行及时处理。因此事故过程中断开高压互锁其实是没作用的，而低压电缆是不能剪断的。由于高压电存在电击风险，在处置过程中非必要也不能破拆车体结构，防止因破拆车体高压设备和电缆线路导致人员触电，同时还将引起短路导致整个电池包发生热失控、燃烧爆炸。更加不能认为熄火断电后车辆就不带电，电池包及相关电缆、设备内高压电仍然存续，盲目打水将导致高压电击和整个电池包瞬间短路。

3.3 判断合适出水时机

前文讲到，纯电动汽车发生火灾严禁盲目打水，是因为电池包整体带有高压电且不能通过人为切断。其实电池包的高压电是由许多电芯串联升压、并联升流而来，那么，在发生火灾时，热失控开始电池包是带高压电，但随着火势扩大，通过观察，整个电池包过火燃烧后，车体两侧泄爆阀在承受不住内部高压后既会打开，电池模组出现喷射状火焰后，可认为每一颗电芯模组之间熔断器既被烧断，这时单个模组电压下降到安全值（36V以下），即可出水进行冷却灭火，这时就需要大量的水进行冷却，待明火扑灭后，应持续出水对电池组进行冷却，并使用热成像仪、测温仪进行监测，直至电池温度降至正常环境温度，经评估无复燃、爆炸风险后方可停水。

4 结论

纯电动汽车结构复杂，电池包容量、体积大，热失控后能量高，在处置过程中，要严格落实安全防护措施，严防触电、爆炸、中毒和电池电解液的喷溅灼伤，到达处置现场后第一时间要查清车辆品牌、动力电池种类和安装位置等信息，电池包全面过火燃烧前严禁抵近侦查或出水灭火，更不得盲目破拆。水枪阵地要充分考虑电池包位置、电芯和电池包泄爆阀朝向，避开泄爆口。

参考文献：

[1]李伟.比亚迪E6纯电动汽车系统结构原理（一）[J]汽车维修与保养.2018，（08）.

[2]陈亚雄，周承雄，郑业星.纯电动客车事故处置技术研究[J]科技创新与生产力. 2023，44（07）.

[3]吴书龙，陈胜.浅谈新能源汽车专业建设的研究[J]汽车维修与保养.2017，（12）.

[4]张书桥.电动汽车发展现状及前景分析[J].电气时代，2019（9）：7-10.

[5]達世亮.新能源汽车发展对制造工艺与装备的影响[J].汽车工艺师，2016（1）：19-23.