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建設大型充電站場安全隱患的思考
發布時間:2022-06-20

  

  文章來源:深圳市安和威-張玥灝、中國電力企業聯合會-劉永東

                       

前言

據應急管理部消防救援局公布2021年全國消防接處警與火災情況,全年新能源汽車火災共發生3000余起,隨著保有量的迅速增長,自燃、起火事故頻發,引起了大家對新能源汽車在安全方面的關注。中國電動汽車產業飛速發展,多起發生在場站的電動汽車著火的安全事故,引起了社會的廣泛關注和消費者的擔憂,對國家消防應急管理和新能源汽車產業發展帶來了嚴峻挑戰。

摘要:新能源汽車充電安全問題,公共充電場站的充電終端應采用大功率充電,減少終端數量,多點布置方式,充電模式應采取快充快補方式,避免建設大型特別是超大型的集中式充電站。大規模集中建設充電樁還是要慎重考慮,畢竟安全問題只有1次和0次。充電站場出的事故不僅是消費者生命財產的安全問題,更是社會公共安全問題。

一. 新能源汽車電池安全事故問題

安全是行業發展的基礎和前提,隨著新能源汽車的繁榮,安全事故已經成為阻礙新能源汽車的發展和普及。新能源汽車安全事故到底是什么原因造成的?眾所周知,新能源汽車與傳統汽車最大的區別在于動力系統的革新(動力電池),而傳統汽車各模塊相對成熟可靠,那么動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”等導致短路或電氣功能故障與電池系統都有一定的關聯。

與新能源汽車動力電池安全事故相關的原因包括動力電池系統的缺陷(含電化學反應問題)、電池材料不過關、電池使用不當,外力破環等。動力電池引發的新能源汽車自燃案例主要由機械安全、電氣安全、和化學安全導致,其中電氣安全和化學安全為典型,更多體現在新能源汽車靜態放置情況下,而功能安全也越來越受重視。在汽車電子化程度越來越高的今天,電氣安全相對而言更加成熟,但是功能安全和化學安全為新的課題。比如,功能安全方面電池系統管理不完善而不能夠提前監測、控制、報警故障,從而將導致電池過充、短路、漏液,最終引發起熱失控、自燃、起火。

一般來說,新能源汽車電池熱失控引起的安全事故中單體動力電池的熱失控過程可以分為三個階段:使用過程中電池會發熱,出現安全隱患后發熱增加到接近100攝氏度的位置即熱引發階段,此后進入自生熱加速期階段,從引起SEI膜分解開始,逐步產生隔膜閉孔、負極與電解液反應。熱失控階段發生大規模內短路、正極材料分解,產生大量熱量引起電解液開始燃燒,電池的溫度可升高400至1000度。當然熱失控時候的溫度與不同材料體系是相關的,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致電池熱失控,從而引起火災。電氣安全方面,主要表現為短路引起火災,包括使用過程中電氣線路如電機控制器和IGBT短路或暴雨積水長時間浸泡導致進水引起短路等。

        

二.新能源汽車充電樁安全隱患

與動力電池相對的還有另一個我們關注的重點——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。電動車是通過充電樁充電,充電時如果長時間電流過大,不受控制,電池也會出現發熱、膨脹乃至爆炸等情況;尤其是對于沒有電池保護系統或者電池保護系統不完善的新能源汽車,這個問題甚至是致命的。目前新能源汽車充電頻率最高的車主,是一些出行服務從業人員、運輸人員,如網約車應用車輛和貨拉拉這類運輸用車,以及一些共享汽車使用頻率較高的地區,這些地區里的新能源共享汽車的充電頻率是相當高的。而這些新能源汽車,可見的大多是一些入門級的新能源汽車,如新能源共享車、網約車里的緊湊型新能源轎車,以及一些供貨運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。這就涉及到兩個容易被人忽略的安全盲區,第一個是這些入門級的新能源汽車所搭載的電池安全技術,能否支撐起其長時間的無差別快充需求;第二個是快充樁對于這些車型的適用性有多廣。從第一個問題層面來看,這里涉及到兩個方向,一是車輛是否有相應完善的電池保護系統,能在不同的充電設備下調整電池充電的速率,保證電池充電時的安全性,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系統方面還沒做到完全的透明化。就如上述的一些高頻率使用快充車型,它們大多數入門級車型,在成本方面的管控也比較嚴格,對于電池安全技術究竟能應用到什么程度呢?這點值得我們思考。二是長時間快充的承受能力,對于新能源汽車而言,快速充電意味著動力電池要承受更高的電流,尤其是在高頻率的快充情況下,動力電池所擔負的壓力尤其巨大。而且這里還有一個值得我們關注的另一個問題重點-充電樁的充電性能。

不知大家在充電時是否會關注充電樁的充電功率,實際上不同功率的充電樁會有不同的充電能力,這點對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,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展,電池的性能上不斷升級,5~10分鐘充電,續航里程可達200公里以上的新能源車已經開始推廣,對應的480~600kw、500A電流、1000V的超級充電樁也已開始布置。由于充電功率大,充電的時間少,這樣布置的小型超級充電站,讓電動車迅速充電、迅速駛離,既增加站場使用效率,降低站場建設成本,增加運營收益;又避免充電車輛長時間集中,車輛燃燒所產生的風險范圍就更容易得到控制。對于現有的新能源車的充電需求,超級充電站也是可以兼顧的,充電設備選用群控群充的方式,功率可靈活調配,對各種新能源車輛的快充、慢充均可以提供服務。為了提高設備使用效率,建議車輛補電到電池容量的80%,充電樁就停止提供服務。

                     

三,建設大型、超大型充電站的安全問題思考

近年來,國家圍繞低碳節能出臺相關政策,鼓勵、支持各行各業、全社會使用清潔能源。全國各地不斷加快充電設施網絡規劃與建設,服務新能源發展,圍繞落實“碳達峰、碳中和”目標,秉承“低碳環保、綠色出行”理念,協助政府超前規劃,主動服務電動汽車推廣及充電設施建設。全國各地都興建了集中式電動汽車大功率充電站,旨在加強充電樁安裝建設的統一規劃和統籌協調,同時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間滿足用戶充電需求,用燃油車時代的加油站模式來大規模推廣集中式充電站,既能夠在不改變習慣的前提下較好地滿足用戶需求,也能減少投入和浪費,同時有利于維護管理,保證充電安全。

大型充電站場管理使用及安全需引起重視。大量的充電樁集中鋪設集中,車與車都緊緊靠著;電池著火后,是無法迅速撲滅的,一旦發生電池起火,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,風險極大,這種情況需要我們認真對待。因此大規模集中建設充電樁還是要慎重考慮,畢竟安全問題只有1次和0次。充電站場出的事故不僅是消費者生命財產的安全問題,更是社會公共安全問題。

除此之外,大規模集中建設充電樁還帶來一系列的交通問題,據報道,南方某市的關口集中式充電站,站內共有快充樁450個,每天進場充電車輛排隊已經占據了主要街道,造成了交通擁堵,周邊居民苦不堪言,據記者調查,因為充電樁過于集中導致大量電動汽車扎堆,調查結果顯示,包括排隊時間在內,受訪司機中在“每天大約需花多少時間用于電動車充電”問題上,“3小時以上”與“3小時以下”的比例接近對半。而在“是否有因為充電影響到日常營運”問題上,有86%的受訪司機選擇了“是”。在運營轄區內充電樁的分布和數量是否滿意方面,有80%的受訪司機選擇“不滿意”。

四、相關發展建議

隨著新能源汽車的快速發展,充電帶來的安全問題和社會問題成為汽車行業的熱點和難點。根據國內某知名咨詢公司做的市場調研數據,結果顯示,多數用戶電量在20%左右會去補電,這也符合實際的用車場景,對于新能源純電動汽車剩多少電量再充電比較合適的問題,報告顯示,最佳的充電電量是在30%~80%區間,在80%~100%區間耗費充電時間最長,占到了整個充電時間的50%,當電池余量低于20%時滿充耗費時間最久,電池滿充產生自燃機會也大,在車輛過于集中的場站,車輛自燃很容易引起重大事故。

在傳統汽車與新能源汽車并存發展的新時期,新能源汽車在場站充電造成的安全事故會使消費者對電動汽車安全性的疑慮進一步加深。因此,對于新能源汽車充電安全問題,政府必須高度重視、企業必須高度擔當,同時可以考慮如下建議:

風險源頭規避,避免建設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伊始就充分考慮潛在的風險并積極應對,即使事故發生,能在可控范圍。在場站建設中采取大功率終端,終端數少,多點布置的小型超級充電站,充電模式采取快充快補方式(即充電時間限制在10分鐘左右,或充、補電到電池容量的80%)。由于充電功率大,充電的時間少,這樣布置的小型超級充電站,讓電動車迅速充電、迅速駛離,既增加站場使用效率,降低站場建設成本,增加運營收益;又避免充電車輛長時間集中,車輛燃燒所產生的風險范圍就更容易得到控制。對于現有的新能源車的充電需求,這類超級充電站也是可以兼顧的,充電設備選用群控群充的方式,功率可靈活調配,對各種新能源車輛的快充、慢充均可以提供服務。為了提高設備使用效率,建議車輛補電到電池容量的80%,充電樁就停止提供服務。

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,購物中心等都在地下車庫安裝了充電樁,存在一定的安全隱患,很多地下車庫電動車和燃油車沒有分開,且車道擁堵,有的車輛停放在通道上,車庫內雖然有消防設施,這些裝置不一定能撲滅電池著火產生的火災。晚上電動車充電,如果發生火災,消防車可能難以進入地下車庫及時處理災情,后果不堪設想。這些問題都值得大家深思。


參考文獻:

1.廖承林:新能源汽車消防安全(電車資源)

2.吳志強:新能源電動汽車消防安全現狀與思考

3.彭紅濤,李崢,朱禹,梁緣,汪斌:關于我國新能源汽車的發展現狀和一些思考

4.我國新能源汽車應用現狀及安全問題分析(智電汽車)

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