文章來(lái)源:深圳市安和威-張玥灝、中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)-劉永東
前言
據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局公布2021年全國(guó)消防接處警與火災(zāi)情況,全年新能源汽車火災(zāi)共發(fā)生3000余起,隨著保有量的迅速增長(zhǎng),自燃、起火事故頻發(fā),引起了大家對(duì)新能源汽車在安全方面的關(guān)注。中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,多起發(fā)生在場(chǎng)站的電動(dòng)汽車著火的安全事故,引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注和消費(fèi)者的擔(dān)憂,對(duì)國(guó)家消防應(yīng)急管理和新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
摘要:新能源汽車充電安全問(wèn)題,公共充電場(chǎng)站的充電終端應(yīng)采用大功率充電,減少終端數(shù)量,多點(diǎn)布置方式,充電模式應(yīng)采取快充快補(bǔ)方式,避免建設(shè)大型特別是超大型的集中式充電站。大規(guī)模集中建設(shè)充電樁還是要慎重考慮,畢竟安全問(wèn)題只有1次和0次。充電站場(chǎng)出的事故不僅是消費(fèi)者生命財(cái)產(chǎn)的安全問(wèn)題,更是社會(huì)公共安全問(wèn)題。
一. 新能源汽車電池安全事故問(wèn)題
安全是行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提,隨著新能源汽車的繁榮,安全事故已經(jīng)成為阻礙新能源汽車的發(fā)展和普及。新能源汽車安全事故到底是什么原因造成的?眾所周知,新能源汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)的革新(動(dòng)力電池),而傳統(tǒng)汽車各模塊相對(duì)成熟可靠,那么動(dòng)力電池原因是新能源汽車起火事故或安全事故的主要原因,“零部件故障、充電、浸水、外力破壞”等導(dǎo)致短路或電氣功能故障與電池系統(tǒng)都有一定的關(guān)聯(lián)。
與新能源汽車動(dòng)力電池安全事故相關(guān)的原因包括動(dòng)力電池系統(tǒng)的缺陷(含電化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題)、電池材料不過(guò)關(guān)、電池使用不當(dāng),外力破環(huán)等。動(dòng)力電池引發(fā)的新能源汽車自燃案例主要由機(jī)械安全、電氣安全、和化學(xué)安全導(dǎo)致,其中電氣安全和化學(xué)安全為典型,更多體現(xiàn)在新能源汽車靜態(tài)放置情況下,而功能安全也越來(lái)越受重視。在汽車電子化程度越來(lái)越高的今天,電氣安全相對(duì)而言更加成熟,但是功能安全和化學(xué)安全為新的課題。比如,功能安全方面電池系統(tǒng)管理不完善而不能夠提前監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警故障,從而將導(dǎo)致電池過(guò)充、短路、漏液,最終引發(fā)起熱失控、自燃、起火。
一般來(lái)說(shuō),新能源汽車電池?zé)崾Э匾鸬陌踩鹿手袉误w動(dòng)力電池的熱失控過(guò)程可以分為三個(gè)階段:使用過(guò)程中電池會(huì)發(fā)熱,出現(xiàn)安全隱患后發(fā)熱增加到接近100攝氏度的位置即熱引發(fā)階段,此后進(jìn)入自生熱加速期階段,從引起SEI膜分解開(kāi)始,逐步產(chǎn)生隔膜閉孔、負(fù)極與電解液反應(yīng)。熱失控階段發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路、正極材料分解,產(chǎn)生大量熱量引起電解液開(kāi)始燃燒,電池的溫度可升高400至1000度。當(dāng)然熱失控時(shí)候的溫度與不同材料體系是相關(guān)的,不同材料體系,熱失控的溫度不一樣。
另外,新能源汽車車輛本身也會(huì)引起安全失控,主要包括碰撞安全和電氣安全。碰撞安全方面,常規(guī)汽車主要的安全就是碰撞安全,但新能源汽車碰撞有可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э,從而引起火?zāi)。電氣安全方面,主要表現(xiàn)為短路引起火災(zāi),包括使用過(guò)程中電氣線路如電機(jī)控制器和IGBT短路或暴雨積水長(zhǎng)時(shí)間浸泡導(dǎo)致進(jìn)水引起短路等。
二.新能源汽車充電樁安全隱患
與動(dòng)力電池相對(duì)的還有另一個(gè)我們關(guān)注的重點(diǎn)——充電樁。新能源汽車與充電樁之間存在某些安全隱患,這些隱患可以引起汽車自燃。電動(dòng)車是通過(guò)充電樁充電,充電時(shí)如果長(zhǎng)時(shí)間電流過(guò)大,不受控制,電池也會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱、膨脹乃至爆炸等情況;尤其是對(duì)于沒(méi)有電池保護(hù)系統(tǒng)或者電池保護(hù)系統(tǒng)不完善的新能源汽車,這個(gè)問(wèn)題甚至是致命的。目前新能源汽車充電頻率最高的車主,是一些出行服務(wù)從業(yè)人員、運(yùn)輸人員,如網(wǎng)約車應(yīng)用車輛和貨拉拉這類運(yùn)輸用車,以及一些共享汽車使用頻率較高的地區(qū),這些地區(qū)里的新能源共享汽車的充電頻率是相當(dāng)高的。而這些新能源汽車,可見(jiàn)的大多是一些入門級(jí)的新能源汽車,如新能源共享車、網(wǎng)約車?yán)锏木o湊型新能源轎車,以及一些供貨運(yùn)需求的新能源微型貨車,這些車每天都需要快充1-2次才能滿足他們的工作需求。這就涉及到兩個(gè)容易被人忽略的安全盲區(qū),第一個(gè)是這些入門級(jí)的新能源汽車所搭載的電池安全技術(shù),能否支撐起其長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)差別快充需求;第二個(gè)是快充樁對(duì)于這些車型的適用性有多廣。從第一個(gè)問(wèn)題層面來(lái)看,這里涉及到兩個(gè)方向,一是車輛是否有相應(yīng)完善的電池保護(hù)系統(tǒng),能在不同的充電設(shè)備下調(diào)整電池充電的速率,保證電池充電時(shí)的安全性,這就涉及到新能源汽車的電控管理,,目前市面上的新能源汽車在電池保護(hù)系統(tǒng)方面還沒(méi)做到完全的透明化。就如上述的一些高頻率使用快充車型,它們大多數(shù)入門級(jí)車型,在成本方面的管控也比較嚴(yán)格,對(duì)于電池安全技術(shù)究竟能應(yīng)用到什么程度呢?這點(diǎn)值得我們思考。二是長(zhǎng)時(shí)間快充的承受能力,對(duì)于新能源汽車而言,快速充電意味著動(dòng)力電池要承受更高的電流,尤其是在高頻率的快充情況下,動(dòng)力電池所擔(dān)負(fù)的壓力尤其巨大。而且這里還有一個(gè)值得我們關(guān)注的另一個(gè)問(wèn)題重點(diǎn)-充電樁的充電性能。
不知大家在充電時(shí)是否會(huì)關(guān)注充電樁的充電功率,實(shí)際上不同功率的充電樁會(huì)有不同的充電能力,這點(diǎn)對(duì)于快充樁而言尤其明顯。目前大多的直流快充都是30kW-180kW、200V-750V,換算下來(lái),輸出電流在60A-250A之間,這基本可以保證大部分新能源汽車的充電需求。隨著新能源汽車的快速發(fā)展,電池的性能上不斷升級(jí),5~10分鐘充電,續(xù)航里程可達(dá)200公里以上的新能源車已經(jīng)開(kāi)始推廣,對(duì)應(yīng)的480~600kw、500A電流、1000V的超級(jí)充電樁也已開(kāi)始布置。由于充電功率大,充電的時(shí)間少,這樣布置的小型超級(jí)充電站,讓電動(dòng)車迅速充電、迅速駛離,既增加站場(chǎng)使用效率,降低站場(chǎng)建設(shè)成本,增加運(yùn)營(yíng)收益;又避免充電車輛長(zhǎng)時(shí)間集中,車輛燃燒所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)范圍就更容易得到控制。對(duì)于現(xiàn)有的新能源車的充電需求,超級(jí)充電站也是可以兼顧的,充電設(shè)備選用群控群充的方式,功率可靈活調(diào)配,對(duì)各種新能源車輛的快充、慢充均可以提供服務(wù)。為了提高設(shè)備使用效率,建議車輛補(bǔ)電到電池容量的80%,充電樁就停止提供服務(wù)。
三,建設(shè)大型、超大型充電站的安全問(wèn)題思考
近年來(lái),國(guó)家圍繞低碳節(jié)能出臺(tái)相關(guān)政策,鼓勵(lì)、支持各行各業(yè)、全社會(huì)使用清潔能源。全國(guó)各地不斷加快充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè),服務(wù)新能源發(fā)展,圍繞落實(shí)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),秉承“低碳環(huán)保、綠色出行”理念,協(xié)助政府超前規(guī)劃,主動(dòng)服務(wù)電動(dòng)汽車推廣及充電設(shè)施建設(shè)。全國(guó)各地都興建了集中式電動(dòng)汽車大功率充電站,旨在加強(qiáng)充電樁安裝建設(shè)的統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)籌協(xié)調(diào),同時(shí)最大程度從源頭上消除安全隱患。
隨著電池充電倍率的不斷提升,集中式充電站能夠以近似于加油的時(shí)間滿足用戶充電需求,用燃油車時(shí)代的加油站模式來(lái)大規(guī)模推廣集中式充電站,既能夠在不改變習(xí)慣的前提下較好地滿足用戶需求,也能減少投入和浪費(fèi),同時(shí)有利于維護(hù)管理,保證充電安全。
大型充電站場(chǎng)管理使用及安全需引起重視。大量的充電樁集中鋪設(shè)集中,車與車都緊緊靠著;電池著火后,是無(wú)法迅速撲滅的,一旦發(fā)生電池起火,將牽涉周邊的車輛,可謂是一車自燃,周遭車輛俱焚,所以大量的車集中在一起充電,風(fēng)險(xiǎn)極大,這種情況需要我們認(rèn)真對(duì)待。因此大規(guī)模集中建設(shè)充電樁還是要慎重考慮,畢竟安全問(wèn)題只有1次和0次。充電站場(chǎng)出的事故不僅是消費(fèi)者生命財(cái)產(chǎn)的安全問(wèn)題,更是社會(huì)公共安全問(wèn)題。
除此之外,大規(guī)模集中建設(shè)充電樁還帶來(lái)一系列的交通問(wèn)題,據(jù)報(bào)道,南方某市的關(guān)口集中式充電站,站內(nèi)共有快充樁450個(gè),每天進(jìn)場(chǎng)充電車輛排隊(duì)已經(jīng)占據(jù)了主要街道,造成了交通擁堵,周邊居民苦不堪言,據(jù)記者調(diào)查,因?yàn)槌潆姌哆^(guò)于集中導(dǎo)致大量電動(dòng)汽車扎堆,調(diào)查結(jié)果顯示,包括排隊(duì)時(shí)間在內(nèi),受訪司機(jī)中在“每天大約需花多少時(shí)間用于電動(dòng)車充電”問(wèn)題上,“3小時(shí)以上”與“3小時(shí)以下”的比例接近對(duì)半。而在“是否有因?yàn)槌潆娪绊懙饺粘I(yíng)運(yùn)”問(wèn)題上,有86%的受訪司機(jī)選擇了“是”。在運(yùn)營(yíng)轄區(qū)內(nèi)充電樁的分布和數(shù)量是否滿意方面,有80%的受訪司機(jī)選擇“不滿意”。
四、相關(guān)發(fā)展建議
隨著新能源汽車的快速發(fā)展,充電帶來(lái)的安全問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題成為汽車行業(yè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)某知名咨詢公司做的市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,多數(shù)用戶電量在20%左右會(huì)去補(bǔ)電,這也符合實(shí)際的用車場(chǎng)景,對(duì)于新能源純電動(dòng)汽車剩多少電量再充電比較合適的問(wèn)題,報(bào)告顯示,最佳的充電電量是在30%~80%區(qū)間,在80%~100%區(qū)間耗費(fèi)充電時(shí)間最長(zhǎng),占到了整個(gè)充電時(shí)間的50%,當(dāng)電池余量低于20%時(shí)滿充耗費(fèi)時(shí)間最久,電池滿充產(chǎn)生自燃機(jī)會(huì)也大,在車輛過(guò)于集中的場(chǎng)站,車輛自燃很容易引起重大事故。
在傳統(tǒng)汽車與新能源汽車并存發(fā)展的新時(shí)期,新能源汽車在場(chǎng)站充電造成的安全事故會(huì)使消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車安全性的疑慮進(jìn)一步加深。因此,對(duì)于新能源汽車充電安全問(wèn)題,政府必須高度重視、企業(yè)必須高度擔(dān)當(dāng),同時(shí)可以考慮如下建議:
風(fēng)險(xiǎn)源頭規(guī)避,避免建設(shè)大型特別是超大型的集中式充電站。理清新能源汽車充電安全事故潛在的隱患源頭,在新能源汽車充電站建設(shè)伊始就充分考慮潛在的風(fēng)險(xiǎn)并積極應(yīng)對(duì),即使事故發(fā)生,能在可控范圍。在場(chǎng)站建設(shè)中采取大功率終端,終端數(shù)少,多點(diǎn)布置的小型超級(jí)充電站,充電模式采取快充快補(bǔ)方式(即充電時(shí)間限制在10分鐘左右,或充、補(bǔ)電到電池容量的80%)。由于充電功率大,充電的時(shí)間少,這樣布置的小型超級(jí)充電站,讓電動(dòng)車迅速充電、迅速駛離,既增加站場(chǎng)使用效率,降低站場(chǎng)建設(shè)成本,增加運(yùn)營(yíng)收益;又避免充電車輛長(zhǎng)時(shí)間集中,車輛燃燒所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)范圍就更容易得到控制。對(duì)于現(xiàn)有的新能源車的充電需求,這類超級(jí)充電站也是可以兼顧的,充電設(shè)備選用群控群充的方式,功率可靈活調(diào)配,對(duì)各種新能源車輛的快充、慢充均可以提供服務(wù)。為了提高設(shè)備使用效率,建議車輛補(bǔ)電到電池容量的80%,充電樁就停止提供服務(wù)。
編者按:隨著新能源汽車的普及,為了方便車主,很多住宅小區(qū),購(gòu)物中心等都在地下車庫(kù)安裝了充電樁,存在一定的安全隱患,很多地下車庫(kù)電動(dòng)車和燃油車沒(méi)有分開(kāi),且車道擁堵,有的車輛停放在通道上,車庫(kù)內(nèi)雖然有消防設(shè)施,這些裝置不一定能撲滅電池著火產(chǎn)生的火災(zāi)。晚上電動(dòng)車充電,如果發(fā)生火災(zāi),消防車可能難以進(jìn)入地下車庫(kù)及時(shí)處理災(zāi)情,后果不堪設(shè)想。這些問(wèn)題都值得大家深思。
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