纯电动汽车消防救援对策研究

0  引言

中国新能源汽车行业过去5年经历了“突飞猛进”的发展，其保有量增长了9倍有余（见图1），加之国家政策支撑、稀土储量丰富等利好因素加持，行业整体正在从萌芽期向成长期快速过度，但配套设施不完善、核心部件技术不统一、动力电池性能差异大、新型材料应用多、行业标准尚未完善等诸多问题，造成了整车致火、致毒、漏电、碰撞风险增加，为消防救援队伍参与处置新能源汽车火灾及救援带来了前所未有的挑战。对该行业开展深入研究，有助于尽快建立并完善易于基层指战员执行的新能源电动汽车火灾扑救规程，减少错误操作造成的指战员伤亡。



据消防救援局不完全统计，全国2019年发生新能源汽车火灾560余起，2020年前三季度已达到700余起。影响较大的有2019年4月上海特斯拉ModelS、西安蔚来ES8、武汉比亚迪e5，2019年9月温州威马EX5，2020年5月长沙理想ONE等自燃事件。在多类新能源汽车火灾事件中，因动力电池事故引发火灾的占比较大，北京理工大学发布的《新能源汽车与大数据安全》中统计占61%，中国汽车技术研究中心发布的《电动汽车以及动力电池的安全评价》中统计占52%，且伴随动力电池能量密度的不断提升，其热失控引发火灾的能量和破坏力也将成倍增长。

1  主流纯电动汽车电池性能对比

新能源纯电动汽车的续航、充电和安全问题很大程度上取决于其动力来源，即“电池”，其按类型可分为物理、化学和生物电池三种，若按结构可分为蓄电池和燃料电池两大类。近几年装车量靠前的有镍钴锰、镍钴铝、磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂五种动力电池，但当前及未来短期内三元材料（镍钴锰）电池和磷酸铁锂电池将是主流选择（见图2）。



1.1  三元材料电池

通常指的三元材料电池使用镍盐、钴盐、锰盐作为电池正极原料，三种元素的比例可以根据需求进行调整，其中镍可以增加材料电池的体积能密度、钴可以增加材料电池结构稳定性、锰可以提高材料电池的安全性并进一步降低材料电池成本。这类电池具有单位体积能量密度较高、耐低温性能较好、支持高倍率充放电等优势，也存在制造成本较高、安全性能较低、电池循环寿命较少、环境污染风险大等问题。目前全球销量领先的特斯拉Model3及ModelY等长续航车型基本使用三元锂电池，国内部分车企为获得新能源政策补贴，也在不断推动三元锂电池高镍低钴产品研发，从过去532发展至目前811比例，三元锂电池能量密度进一步提升，但电池自身的安全稳定性未得到有效提升，加大了电池自燃的风险。

1.2  磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池，使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，使用石墨作为负极材料。这类电池具有安全性能高、循环寿命长、无记忆效应、制造成本较低的优点，生产电池的原料中不含重金属与稀有金属，对环境污染小，属于绿色环保电池。其主要缺点在于体积能量密度较低、充电恒流比低、耐低温性差。但随着国内电池生产巨头宁德时代和新能源造车龙头企业比亚迪先后推出“CTP”技术及“刀片电池”，磷酸铁锂电池的体积能量密度得到了大幅提升，补齐了最大短板。目前国内销量领先的宏光MINIEV、特斯拉国产Model3、比亚迪汉EV车型均搭载了磷酸铁锂电池。

2  主流纯电动汽车电池热失控原因分析

2.1  机械滥用

较为常见的是汽车发生碰撞时，由于受到外力挤压作用，造成车辆单体电池或电池组发生形变、位移、破损等情况，可能引发电池隔膜破裂、电池内部短路、电解质泄露起火。一旦发生导体刺穿电池本体情况，有大概率引发电池正负极直接短路，能够在短时间内产生大量热量，引发热失控概率及程度更高。虽然在最新发布的GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中已经删除了针刺试验要求，但为验证动力电池可靠性，比亚迪、宁德时代、广汽埃安分别公开了“针刺实验”相关数据。其中比亚迪2020年3月实验时使用直径5mm的钢针以垂直方向贯穿满电状态的常规三元锂电池、普通磷酸铁锂电池、比亚迪刀片电池后，三元锂电池迅速膨胀随即起火爆炸，电池表面温度超过500摄氏度，普通磷酸铁锂电池出现冒烟现象，电池表面温度约200-400摄氏度，刀片电池表面温度约30-60摄氏度。

2.2  电滥用

通常指对动力电池使用不当，主要包括快充、过度充电、过度放电和外部短路几种类型。

2.2.1  快充

快充会导致电池内部正负极电极电势差偏离平衡电势，当电流较大时，电池负极表面的SEI膜稳定性可能发生改变，甚至发生破裂，导致电极材料破坏。同时，大电流充电时，电池内阻增大也会引起发热量增加，进而引发电解液反应分解、产气等问题。

2.2.2  过度充电

张磊等采用三元锂电池进行了过充实验，在过度充电过程中，Li+从电池正极脱离涌入负极的晶格中，如果出现过度充电，则过量的Li+嵌入到负极中，正极就会出现Li+的过度脱离结构性崩塌,即发热并伴有氧释放，可能加剧电解质分解、电池内部正压增大，进而增加热失控及爆炸风险。

2.2.3  过度放电

通常指低于门限电压继续放电，如果过放严重，最低电压的电池单体可能发生“反极”，被电池组中其他串联的电池进行反向充电，造成结构崩塌形成电阻，导致热失控。

2.2.4  外部短路

通常指由于外部环境导致电池正负极连接成为通路，造成电流过大、热量过多，电池受损。碰撞、导体污染、浸水是常见外部短路原因。

2.3  链式反应

电池单体发生热失控后可能迅速升温并最终导致燃烧、爆炸，极易对相邻电池组造成物理或化学破坏，形成“链式反应”，最终以点带面造成整体热失控。

2.4  非法改装

“慢充”改“快充”、“低能量”改“高能量”是新能源电动汽车最常见的非法改装形式。局部改装可能出现整车电路系统超负荷运行、BMS（电池管理系统）控制异常，增加电池热失控风险。

3  纯电动汽车火灾扑救对策

区别于传统燃油汽车火灾，新能源纯电动汽车起火后还存在发热量更高、发烟量更大、烟气成分更复杂、毒害性更强、触电风险更高、复燃可能性大等特点。消防救援队伍在应对处置此类警情时，应在执行燃油汽车火灾扑救处置规程的基础上针对上述特点进一步完善措施对策，强化作战行动安全管控。

3.1  强化接警调度

3.1.1  接警要详细

城市119指挥中心接警员在接到新能源纯电动汽车火灾报警后，应尽快询问起火车辆的品牌、型号、位置、状态、车内存放物品、周边环境及是否有人员被困，及时指引报警人撤离至安全区域。区别于传统燃油汽车火灾接警工作，新能源纯电动汽车品牌设计差异较大，动力电池的种类、布局、封装工艺、能量不尽相同，准确了解车辆品牌型号有助于快速调阅与之匹配的汽车服务手册及随车《救援指南》，第一时间推送至参与救援的消防指战员，提升灭火救援行动的安全性和科学性。

3.1.2  调度要充分

优先考虑调派大流量水罐泡沫车、高倍数泡沫消防车、抢险救援消防车、供气消防车等车辆，以及遥控消防水炮、水力自摆消防水炮、漏电测试仪、测温仪、热成像仪、可燃气体探测仪、有毒气体探测仪、电绝缘装具、水幕水带、无人机等器材及个人防护装备，如灾害地点处于地下停车场、隧道等密闭空间内，还要第一时间增调排烟消防车、消防机器人。如现场情况复杂、处置难度较大，还应视情联动应急、供电、公安、医疗、重型机械、供水等单位到场协助处置。

3.2  强化安全警戒

在道路实施灭火救援行动时，要打开警灯警报，设立警戒创造封闭作业区域，视情告知交管部门协助警戒，利用公众号、广播等模式发布警戒消息，实施交通管制。一般道路警戒距离不应少于200米；在高速公路上，应在救援区域前、后方500米设置声光警戒和事故警示标志，并在200米处设置二次警戒，遇到降雨、降雪、多雾天气或夜间作业，警戒区距离需扩大一倍。处置过程中还需设置安全员，全程观察现场危险区域和部位，预判可能发生的危险迹象并及时发出提示。

3.3  强化个人防护

新能源纯电动汽车电池数量多、电压高、电量大，一旦发生燃烧将导致能量集中释放，可能出现爆炸失控，加之电池组经受热分解可能释放大量有毒有害气体（一氧化碳、氟化氢、二氧化硫等）、可燃气体（一氧化碳、氢气、甲烷等），易造成指战员中毒、触电或爆炸伤害。在处置过程中，必须着全套灭火防护装备、全程佩戴空气呼吸器、使用电绝缘装具，同时设立紧急救助小组，做好应急救助和轮换作业准备。

3.4  强化侦察研判

第一时间核实车内是否有人员被困，是否存在火势蔓延趋势；充分利用漏电测试仪、测温仪、热成像仪、可燃气体探测仪、有毒气体探测仪等设备对起火车辆及周边环境开展持续监测，确认车辆是否处于充电或漏电状态，预判爆炸破坏力范围及有毒气体扩散危险半径，为疏散被困人员、设置水枪阵地提供决策依据。

3.5  强化处置对策

3.5.1  主动式灭火策略

主动式灭火通常指有人员被困的情况，该情况下应坚持“救人第一、科学施救”原则，同步开展断电、破拆、灭火、救人行动。在火灾发生的初期阶段，要优先评估车辆断电的可能性，并在安全前提下立即实施断电操作，包括但不限于切断车辆紧急响应程序一整段回路（消除切断的电线意外重新连接的风险）、切断充电桩及上级供电线路，要确保车辆处于驻车挡（P挡）上并启用驻车制动（手刹），搜寻车辆钥匙装入具有信号屏蔽功能的屏蔽袋或屏蔽箱并放置10米以外的区域；对无法快速完成断电操作车辆或火势较大危及被困人员生命安全的情况，应及时为被困人员提供呼吸保护并使用喷雾水、干粉、二氧化碳、泡沫或其他高效灭火剂对火势进行压制，为实施破拆救人创造条件；在整个救援行动中务必假定所有高压组件都处于通电状态，切割、粉碎及身体裸露部位触摸要重点避开高压组件、气压支撑杆、气囊等区域，防止触电、炸伤。

3.5.2  控制式灭火策略

控制式灭火通常指无人员被困的情况，主要采取控制范围、冷却降温的处置战术。考虑到高压电池起火处置时间可能长达数小时，用水量通常超过10吨，供水组应充分利用市政消火栓、大容量供水车保障供水不间断；灭火组应选择上风或侧上风方向距离起火车辆10至15米之外设置水枪、水炮阵地出水灭火；破拆组在符合安全要求的情况下，可举升或倾斜车辆，以便射水能有效覆盖电池区域，在无专业人员指导下严禁使用液压、切割等破拆工具对电池组、保护罩、高压线缆及车辆结构进行拆卸、剪切、扩张、穿刺等操作。如燃烧车辆处于地下停车场，应及时使用移车器转移周边车辆，迅速启动防排烟、防火卷帘等固定消防设施，并派出侦察组核实通往建筑上层楼梯间充烟情况，视情采取下步措施。

3.6  强化现场移交

与传统燃油车火灾相比，新能源纯电动汽车明火扑灭后电池仍可能持续热失控反应，存在复燃可能。灭火组应在明火扑灭后持续射水降温，直至无明显烟雾。停止射水后应使用热成像仪测量高压电池区域温度并持续监测变化趋势，经评估无复燃、爆炸等风险后才可将车辆移交给相关部门进一步处置。

4  纯电动汽车防灾对策

国家监管层面，应针对新能源纯电动汽车及相关配套设施制定出台更加严格的规范性和强制性标准；企业层面，应加强产品研发投入，生产制造工艺更加精良、性能更加卓越、安全更有保障的新能源纯电动汽车，并针对碰撞、浸水、挤压甚至穿刺等极端情况反复开展大量实验测试，切实将安全可靠的产品投放市场；物业方面，应结合项目用电负荷合理增设充电桩，可视情采取“集中停放”“错峰充电”“增设监控”“增设传感器”“增设自动灭火设施”等方式削峰填谷、减小用电压力、提升消防安全；用户层面，应避免使用不合规及超过额定功率的“充电设备”，降低电池过充、过放几率，杜绝违规改装，合理使用车辆。

5  结语

随着新能源电动汽车行业发展，与之相关的快速充电、储能电站、换电站等技术也在逐步应用，特别是集充换电、储电、加油、储油、分布式光伏于一体的充能站陆续出现，给火灾防控和消防救援工作带来了新的挑战，笔者建议防火工作者在现行《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》基础上进行探索完善，强化监测预警、初期处置、集中停放、错时充电等措施；灭火救援指战员应加强新能源电动汽车、新型电池的知识更新，强化复杂条件下的电动汽车火灾处置演练。