浅谈电动汽车分散充电设施火灾风险及防范措施

闻什益 2024-10-18 198

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摘要：近年来，随着环境保护意识的不断增强，新能源汽车逐渐成为未来的发展趋势。电动汽车作为新能源汽车中的代表力量，集环保、省钱、噪音小、能源消耗低等优势于一体，发展空间巨大。随着我国电动汽车产业及其配套充电设施技术的发展，电动汽车的人均保有量逐年递增，但火灾事故也随之逐年上升。如何在满足人们正常使用需求的情况下，有效针对这些早期建设的充电设施进行消防安全改造，亟须予以研究规范。本文通过对既有公共建筑地下停车库的电动汽车分散充电设施及其充电过程中的火灾风险进行分析调研，提出相应对策。

关键词：电动汽车充电设施火灾防范

0引言

根据新能源汽车大数据联盟2019年8月18日发布的《新能源汽车监管平台大数据安全监管成果报告》，当年5~8月，全国新能源汽车发生的安全事故有79起，涉及车辆96辆，58%的车辆起火源于电池问题，其他为车辆碰撞、浸水、零部件故障、使用问题等原因。

1电动汽车及充电设施的火灾风险分析

1.1电动汽车的火灾特点

一是火灾发生较为突然，行驶或充电过程中均有可能；二是火灾发展速度快，起火后往往几分钟就形成猛烈燃烧，极易引燃周边停放的车辆；三是燃烧产物具有毒性，锂电池组燃烧时可能会有爆炸或电池液喷溅现象，对周边人员或停放车辆影响较大；四是容易复燃，锂电池组起火被扑灭后，内部仍处于热失控状态，存在升温引发复燃的可能。

1.2电动汽车的火灾特点

根据相关文献资料，电动汽车起火主要原因为动力电池组故障引发火灾，主要有以下几方面：

1.2.1过充电：电动汽车的动力电池组充放电的过程中温度会上升，尤其是处于过充电时，电池温度上升较快，导致电解液发生分解反应，产生的热量会加快电池温度上升，使电池发生热失控而引发火灾。

1.2.2热冲击：高温环境下，锂离子电池内的SEI膜因受热而分解，导致电池液与电极发生反应，产生大量可燃气体，放热使电池燃烧。

1.2.3短路：发生短路时，锂电池大流量放电，使电池产生放热反应，电解液喷溅，溢出可燃气体，引起燃烧甚至爆炸。

1.2.4其他因素：一是穿刺、震动、碰撞、挤压等机械动作引起的电池短路；二是随着电池反复充、放电，电池不断膨胀、收缩，使原先吸附于电极表面的导电微尘受到挤压而刺穿隔膜，引发燃烧。

2设有电动汽车分散充电设施的地下车库火灾隐患分析

2.1火灾隐患分析

2.1.1部分电动汽车分散充电设施的设置部位不符合消防技术标准要求：根据《电动汽车分散充电设施工程技术标准》(GB/T51313-2018)[1]6.1.5条规定，电动汽车分散充电设施设置在地下车库时，宜布置在地下车库的首层，不应布置在地下建筑四层及以下。但从实际情况看，既有的电动汽车分散充电设施均有设在地下四层的情况。

2.1.2电动汽车分散充电设施未集中布置，与其他场所无防火分隔措施：电动汽车分散充电设施停车位与一般停车位之间，或与其他部位之间均未采用耐火极限为2h的防火隔墙或防火卷帘、防火分隔水幕等进行分隔。

2.1.3部分集中布置电动汽车分散充电设施的区域未按标准要求划分防火分隔单元：地下停车库内的电动汽车分散充电设施采取了集中布置在同一防火分区内的措施，但未在防火分区内按不大于1000m2的标准采用2h防火隔墙或防火卷帘、防火分隔水幕等防火措施划分防火单元。

2.2消防设施及灭火器材方面

目前设有电动汽车分散充电设施的地下车库均已设置室内消火栓系统、自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统和机械排烟系统，但自动喷水灭火系统是按《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB50067)，以下简称《汽车库防火规范》)和《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084)要求设置的。《汽车库防火规范》的适用范围是由内燃机驱动且无轨道的汽车，其火灾风险、热荷载与电动汽车的火灾风险、热荷载不同，因此按此规范要求配置的中危险Ⅱ级自动喷水灭火系统并不适用于以锂电池组为动能驱动的电动汽车库。同样的，按中危险级配置基准来配置设有电动汽车分散充电设施地下车库的灭火器也是不适用的。

2.3 供电系统方面

2.3.1充电设施配电支线跨越防火分区：充电桩的配电支线跨越防火分区，发生火灾时，不能有效切断着火区域的充电桩电源，影响其他区域的正常供电。

2.3.2充电设施功率和断路器不匹配：线路过负荷运行，导致线路发热引起电气火灾。

2.3.3大功率充电设施设在建筑物的地下层：根据标准图集《电动汽车充电基础设施设计与安装》(18D705-2)的3.8.2条，大功率的充电设施(如非车载充电机、充电主机系统)不宜设在建筑物的地下层，宜集中设在地上区域并满足消防要求。从目前停车库来看，地下一层至地下四层大多设置了电动汽车充电桩，有的还大量使用功率为60kW及以上的直流充电桩。这些大功率充电设施的使用势必增加电缆的载流量和横截面积，对充电设备的散热、绝缘要求更高，一旦绝缘保护损坏散热不及时，势必引发火灾。

2.3.4充电桩配电线路未采用低烟无卤型：高卤型电缆具有高发烟率和较高的毒性指数，发生火灾使人呼吸困难，对人员的生命安全造成的威胁。

2.3.5充电设施生锈：充电设施未及时维护而生锈，连接头接触不良，导致接触电阻过大发热，形成直流电弧。

2.3.6未设置电动汽车充电设施监控系统：电动汽车充电设施监控系统可对停车场充电设备运行进行实时监控、信号采集、车辆就位自动侦检、全站安防视频监控等功能，在本地或远程监控室实现对充电设备、配电设备及其他设备的集中监视和控制管理，提高工作效率和充电安全性能[3]。目前，大多数设置电动汽车充电设施的地下停车库内均未设置电动汽车充电设施监控系统，缺失及时有效的安全故障警告，监控力不足。

2.4消防安全管理方面

2.4.1相对于普通车库，充电车位涉及的管理主体更为复杂，充电柱和车位、配电设施等属于不同管理主体。一些车位售出后，充电车位位于各业主单位的各自区域，不便于集中设置充电车位和统一管理。

2.4.2停车库内有吸烟、乱扔烟头的现象，吸烟人将矿泉水瓶用作烟缸，未盖瓶盖放置于充电柱上，存在充电设施进水短路的风险。

2.4.3消火栓箱安装在立柱背向车道一侧，标识不明显；与车位距离较小，容易造成消火栓箱门开启角度不足。

2.4.4消防设施、器材未保持完好，如疏散指示标识损坏，管道保温材料破损、外露等现象。

2.4.5杂物间或保洁工具间、休息间等与停车位同层，可燃物堆放在车位旁，有的停车库充电柱旁堆放购物车等杂物。

3　电动汽车分散充电设施的主要防控措施

3.1规范充电设施改造行为，加强源头管理

在既有地下车库内增设、改造电动汽车分散充电设施不仅增设电动汽车分散充电设施(如充电桩及相关供配电设施等)，还应当对原有地下车库防火单元进行改造，增设防火卷帘、防火门、防火隔墙等防火分隔构件，调整防烟分区划分并改造机械排烟设施，同时应根据新增的防火卷帘、防烟分区和机械排烟系统来调整火灾报警系统的联动逻辑关系。因此，应当加大对管理使用单位的宣传引导，引导单位在既有汽车库内新增、改造电动汽车分散充电设施时，聘请有资质的设计、施工单位严格按《电动汽车分散充电设施工程技术标准》(GB/T51313-2018)[1]的要求进行设计、施工，在安装、调试结束后应组织设计、施工和设施供应商共同对新增、改造的电动汽车分散充电设施进行验收，自验收合格后方可投入使用，并将自验收的相关资料存档以备检查、维护保养[4]。相关部门对此类场所核发许可文件时，应对该场所的消防安全现状进行检查，以确保消防安全。

3.2落实消防技术措施，整改火灾隐患

3.2.1建筑防火方面

(1)电动汽车分散充电设施设置在地下车库时，其充电设施单台额定输出功率不应大于60kW；当采用直流充电桩时，不宜设置在地下二层及以下楼层，并宜设置在地下车库的出入口附近，便于消防救援。

(2)除直流充电桩外，电动汽车分散充电设施应集中布置在同一防火分区内，并应设置独立的防火单元，地下每个防火单元的大允许建筑面积不应大于1000m2；防火单元之间应采用耐火极限不小于2.0h的防火隔墙、乙级防火门或防火卷帘、防火分隔水幕等与汽车库其他部位分隔。

(3)设置直流充电桩的停车位应在同一防火分区集中布置，并与汽车库其他部位之间采取防火分隔措施；直流充电桩设置在地下一层时，其防火单元面积不宜大于500m2。

3.2.2消防设施及灭火器材方面

(1)设置电动汽车分散充电设施的地下车库应设置室内消火栓系统、自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统和机械排烟系统；确认火灾后立即切断相应区域充电桩的电源。

(2)除直流充电桩外，I、Ⅱ类汽车库内设有电动汽车分散充电设施的防火单元自动喷水灭火系统应按严重危险级I级设计，每个电动汽车停车位上应设置喷头保护，并采用快速响应喷头。

(3)I、Ⅱ类汽车库设有直流充电桩的防火单元应按严重危险级Ⅱ级要求设置雨淋系统。

(4)在电动汽车充电桩配置箱的进线处应安装带过载保护、短路保护、剩余电流保护于一体的多功能低压断路器和电气火灾监控装置。

(5)设有电动汽车充电设施的防火分区灭火器应按严重危险级的要求配置，并增配60L推车式泡沫灭火器或50kg推车式ABC干粉灭火器。

3.2.3供电系统方面

(1)合理规划用电内容，其供配电回路不应跨越防火分区；应聘请有资质的设计单位合理设计用电设备，选用经产品质量认证合格的产品，使用前对充电桩做好检测工作，确认低压控制装置、电线、电缆的型号是否正确，负荷电流是否能满足设备的额定电流等；根据建筑内增设自动消防设施的情况，校核消防供电回路能否满足增设消防用电设备的需求。

(2)充电设施电源进线的规格型号应符合标准，至少满足7kW充电设施的功率需求；线缆应在电缆桥架、电缆保护管内敷设，不得明敷或直埋敷设；管线桥架穿过地板、墙壁、屋顶、隔墙等建筑构件时，其孔隙应按等同建筑构件耐火极限要求进行防火封堵。

(3)充电设施应根据现场情况，选用落地式或壁挂式安装；充电设施应布置在停车位旁，便于充电车辆停放和充电人员操作，且不应妨碍其他车辆正常地停车、充电和通行；充电设施安装高度应便于操作[5]。

(4)地下停车库每个防火分区内均应设置配电间，配电间至所在防火分区内任一车位的直线距离不应大于60m。

3.3加强消防安全管理，做好维护保养

3.3.1落实消防安全责任制，地下车库产权、使用单位和电动汽车分散充电设施日常运营维护单位之间应签订消防安全协议，明确各自的消防安全责任。

3.3.2涉及不同管理主体的停车库，需建立快速有效的应急预案体系，在车库或车位相应位置标明紧急联系人和联系方式。

3.3.3在充电车位设置明显标志，写明充电安全注意事项；采用智能技术对电动汽车分散充电设施进行监控，并对已建好的充电柱智能监控平台加强管理和日常运营维护，及时掌控充电信息数据，防止过充和带故障运行。

3.3.4保持充电车位和充电设施与其他部位的防火分隔，合理设置杂物间、工具间、休息室等有人员活动的区域。

3.3.5按照标准设置消防设施、灭火器材，做好维护保养，确保其完好有效，并应设置明显标识标志和使用提示。

3.3.6强日常巡查、检查，及时清理杂物、垃圾，警示和制止吸烟行为，保障充电设施不受热源、火源、可燃物、腐蚀物及潮湿、撞击等影响。

3.4提升技术防范措施，确保安全运营

3.4.1设置基于热成像应用的高精度、快速反应的电动汽车充电监测系统：在充电桩集中区安装热成像摄像机，通过网络将视频图像和报警信号传到平台客户端，平台以图像、短信、邮件等方式及时发送给监管人员，尽早处理火情隐患。

3.4.2设置电动汽车电池箱智能火灾预警及消防防护系统：该系统具有动力电池热失控预警、报警信号输出、灭火器自动启动等功能，达到动力电池火灾防控目的。

3.4.3充电桩配电箱内部设置热气溶胶自动灭火装置、火探管自动灭火装置等：配电箱内部安装无线灭火装置的自动预警灭火系统，可采用热气溶胶自动灭火装置或火探管灭火装置，对于人员不能及时巡查且重要的充电桩配电设施等进行辅助监控、及时预警和扑灭火灾[6]。

4 安科瑞电气火灾监控云系统架构和硬件选型

安科瑞电气推出的电气火灾监控云系统采用的剩余电流互感器、温度传感器和电气火灾探测器、故障电弧探测器和电气防火限流式保护器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流、剩余电流、故障电弧等）进行不间断的数据与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给用户，用户可根据时间的排查和治理，达到潜在电气火灾隐患，实现“防患于未然”的目的。

用户可以利用PC、手机、平板电脑等多种终端实现对平台的访问，查询包括系统信息、实时数据、报记录等在内的各种信息，使用方便。利用该系统为用户提供的低成本服务，能有提升消防管理和电气设备水平，防范重大恶性火灾财产损失、尤其是重大恶性人员伤亡责任的发生。

本系统的整体结构如图所示：

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4.1子平台概述

安科瑞AcrelCloud-9000充电站运营平台依托物联网、云计算、互联网、大数据、AI等技术，对充电站配电系统的运行、电能消耗、电能质量、充电安全和行为安全进行实时监控和预警，为充电站的可靠、安全、经济运行提供保障，并及时切除安全隐患、避免电气火灾发生，从而保障人员的生命财产安全，打造“安全、高效、舒适、绿色”的“人—车—桩—电网—互联网—多种增值业务”的智慧充电站，提升充电站的社会和经济价值。

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4.2适用场合

可广泛应用于医院、学校、酒店、体育场等公共建筑；商业广场、产业园等综合园区；企业、住宅小区等场所。

4.3系统简介

平台采用分层分布式结构，主要由感知层、网络层和平台层三个部分组成，详细拓扑结构如下：

现场设备层：连接于网络中的各类传感器，包括多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电能质量分析仪表、电气火灾探测器、限流式保护器、烟雾传感器、测温装置、智能插座、摄像头等。

网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

平台管理层：包含应用服务器和数据服务器，完成对现场所有智能设备的数据交换，可在PC端或移动端实现实时监测充电站配电系统运行状态、充电桩的工作状态、充电过程及人员行为，并完成微信、支付宝在线支付等应用。

多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电气火灾探测器、限流式保护器、智能插座可通过全网通4G通讯模组与平台直接通讯。

电能质量分析仪表、烟雾传感器和测温装置通过RS485，摄像头通过RJ45与智能网关通讯，再由智能网关通讯通过4G统一与平台通讯。

限流式保护器既可以通过4G连接平台，也可以通过RS485连接网关。

平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能联网的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

4.4硬件选型：

1	智慧消防云平台	EIOT	一些小场景如出租户、商铺、公寓、作坊等，需要电力抄表数据托管（一般30台表以下）可选择数据托管模式或者买断模式	可选
2	电气火灾监控设备（含软件）	Acrel-6000/B3(A)	适用于1~4条通信总线多可连接256个探测器，可适用于壁挂安装的场所。	可选
3	充电站运营平台	AcrelCloud-9000	可在PC端或移动端实现实时监测充电站配电系统运行状态、充电桩的工作状态、充电过程及人员行为，并完成微信、支付宝在线支付等应用。	可选
4	充电桩	AEV200系列	充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能，如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动控制等。	可选
5	限流式保护器	ASCP系列	短路限流保护、过载保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测，1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯，额定电流为0-63A可设。	可选
6	智慧用电保护器	ARCM300系列	三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），视在电能、四象限电能计算，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，2路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，1路独立RS485/Modbus通讯，支持4G/NB等多种无线上传方案，支持断电报警上传功能通讯。
6	漏电互感器	AKH-0.66L系列	剩余电流互感器，采集剩余电流信号。	可选
7	温度传感器	ARCM-NTC	温度传感器，采集线缆或配电箱体温度。	可选