姜海鹏，李俊民

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

传统能源日益紧张，寻找新能源作为传统能源的替代，已经深入到各个行业及人们的日常生活之中。作为现代社会的主要交通工具，汽车是这个时代不可或缺的一部分，截至2019年，我国电动汽车的保有量已经突破350万辆，日益增长的汽车保有量和能源消耗问题，推动了电动汽车领域的发展。

传统的汽车动力源主要是燃油，通过燃烧将化学能转变为动能供汽车行驶，转化过程相对简单。电动汽车主要靠动力电池，将电能直接转变为动能驱动汽车前进，动力电池是高能量储存载体，要求能量必须以可控的方式进行转换和流动，一旦系统储存的电能、化学能、电磁能失控，在不需要外部能量激励的情况下，动力电池系统本身就能够因能量非正常状态而产生很大的破坏力。电动汽车的能动转换比传统汽车更为复杂，因此，电动汽车的火灾隐患相对高于传统能源汽车。

1 电动汽车、动力电池的种类与发展

动力电池是电动汽车的核心。在近几十年电动汽车的发展中，车用动力电池经历了漫长的发展过程，从早期的铅酸蓄电池，到20世纪90年代的镍氢蓄电池以及目前主流的三元锂电池，动力电池的电池性能、寿命年限及充放电安全性等都得到了提高。锂电池以高能量密度、大倍率充放电性能和长循环寿命等优点，成为了现在电动汽车重要的能量来源。

锂离子电池一般以石墨为负极材料，锂合金金属氧化物为正极材料，使用非水电解质。目前已经量产的锂电池，负极材料多采用石墨，主要差异存在于正极材料和电池的外形上。锂电池的正极材料对其电池性能影响很大，成为了制约动力电池发展的重要因素。

以钴酸锂为正极材料的钴酸锂电池，结构稳定、容量比高、综合性能突出，但是钴酸锂电池安全性较差、生产成本非常高，主要被使用于中小型电芯；以磷酸铁锂为正极材料的磷酸铁锂电池，储量大，经济好，热稳定性好，材料体系非常安全，可以做大容量电芯；以锰酸锂为正极材料的锰酸锂电池，能量密度与磷酸铁锂相当，高温工作时容易熔解，稳定性、安全性不如磷酸铁锂。

以镍钴锰、镍钴铝等为正极材料的三元锂电池，能量密度高，寿命长，但是200℃以上时热失控，因此三元材料一般不做大容量单体电芯。

从图1所示锂电池技术发展示意图中，可以直观地看出正极材料的发展变化，以及相对应动力电池的量产情况：第一代锂电池，正极材料以钴酸锂为主，在20世纪90年代初期进入市场；第二代锂电池，正极材料以锰酸锂和磷酸铁锂为主，在21世纪初逐步商业化；第三代锂电池，正极材料为镍钴铝三元、镍钴锰三元、改性锰酸锂等，集合了不同锂电池的特点，并加入混合材料，全面提升锂电池性能，降低成本，于近几年飞速发展。

图1 锂电池技术发展示意图

锂电池主要指标参数表 表1

表1所示为锂电池主要指标参数，可以看出各类锂电池的特性，在新能源车的早期发展阶段，大部分车辆均使用了磷酸铁锂电池作为动力储能装置。虽然磷酸铁锂电池有着寿命长、热稳定性好、成本低的优点，但是却同时存在着能量密度低的缺陷。随着我国新能源政策中对能量密度要求指标的不断提升(《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》标准的150Wh/kg)，从2017年开始，大多数汽车制造商，选用三元锂电池作为电动汽车的动力源。相比于其他电池，三元锂电池最大的优势在于其电池能量密度高，储能密度通常能达到200Wh/kg，是磷酸铁锂电池的2倍。但三元锂电池热稳定性相对较差，当发生过充电、内部短路、外部短路时，电池温度极度升高，容易发生自燃甚至爆炸。

电动汽车采用的充电技术有恒压充电法、恒流充电法、恒流恒压充电法、恒流恒压恒流充电法、脉冲式充电法、变电流间歇充电法、边电压间歇充电法等。不同的充电方式，对于电池温度、寿命的影响不同。通常情况下，充电桩充电时，会产生一定的热损，大约占充电总功率的4%～8%。电流越大，产生的热量也就越多。在车辆快速充电时，车载电池会在短时间内聚集大量的热能，如果电池管理系统或者散热系统出现故障，不能将热量及时散去，就有可能损坏电池单元，甚至发生自燃和爆炸。所以非车载充电桩的散热系统非常重要，同时充电桩所在区域的环境散热也非常重要，应该在充电桩区域，尤其是非车载充电桩区域设置独立的进排风系统，可以设置环境温度传感器联动启动风机。

2 典型电动汽车起火事故及原因分析

近两年来，我国共发生电动汽车安全事故百余起，其中，2018年8月下旬，位于四川省成都市的威马公司园区内，一辆威马新能源汽车突然起火自燃；同年8月底，一辆型号为力帆650的新能源汽车在广增城区起火自燃；2018年9月，在广东珠海某停车场内，两辆众泰云100系列共享电动汽车在充电时起火燃烧；2019年3月，一辆特斯拉在上海金桥充电站充电时着火；2019年6月，一辆蔚来ES8在湖北武汉某停车场发生燃烧起火。电动车起火事故涉及到私家车、运营乘用车、公交客车、物流车等不同车型。火灾事故的诱因错综复杂，但电池热失控是近期新能源汽车起火事故的主因之一。

据电动汽车资源网提供资料统计：纯电动车型是起火事故的主力车型，因充放电导致的起火事故超过总数的一半，成为起火事故的第一诱因；其次是碰撞起火和行驶中自燃，各占20%。

三元锂电池热稳定性较差，250～300℃就会发生分解，分解产生的氧，遇到电池中可燃的电解液后，产生的热量进一步加剧正极分解，在极短的时间内就会爆燃。因此过度充电或者充电环境散热差等情况，都会造成充电时自燃。前文已经介绍过，在车辆快速时，车载电池会在短时间内聚集大量的热能，因此充电汽车在使用大功率的直流充电桩时，电池温度通常比使用额定功率7kW的交流桩充电时温度更高。正是基于这点，我国部分省、市地区，在充电设施建设规划中明确要求，大功率直流充电桩(如最大输出60kW，120kW甚至更高)不宜安装在地下建筑内；要求充电设施需安装在利于通风的场所等。

本文将对车载动力电池在充电过程以及停车时对建筑环境的影响做分析，从而给出优化建筑设计的建议。

3 电池安全隐患在停车场建筑物中的应对措施

随着电动汽车的发展，电动汽车保有量持续增加，非车载充电设施在各大停车场、停车库安装率越来越高，电动汽车充电系统安全与否对停车场建筑的影响越来越重要。电动汽车电池充电时，温度持续上升，如果电池单体电芯之间温度不均匀、电池内局部温度升高至临界点，就会有过热燃烧甚至爆炸的风险。环境相对封闭的地下停车场，如不能进行有效的进、排风，降低环境温度，火灾风险大幅增加。因此，我国出台了一系列国家标准、地区标准和行业内相关技术措施，引导充电基础设施建设。

北京地方标准DB 11T-1455-2017《电动汽车充电基础设施规划设计标准》中对于充电基础设施的场地设计提出要求，充电设施宜靠近地面层区域、不宜设置在靠近主要出入口和公共活动场所附近，以及多尘或有腐蚀性气体的场所等。

重庆地方标准DBJ 50-218-2015《重庆市民用建筑电动汽车充电设备配套设施设计规范》中规定了停车场内设置的非车载充电机充电区，宜靠近停车场的出入口；集中充电停车位数量≤50。

在停车场建筑设计时，首先要考虑充电桩的选址。新建汽车库内配建的分散充电设施在同一防火分区内应集中布置。有条件时，尽量设置在首层、二层或三层，当地上无法设置，需设置在地下或半地下时，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，以降低火灾发生时的扑救难度。

按照GB/T 51313-2018《电动汽车分散充电设施工程技术标准》，电动汽车充电设施所在的防火单元需要独立设置，单层汽车库建筑内每个防火单元建筑面积最多不超过1 500m2。多层汽车库建筑每个防火单元建筑面积最多不超过1 250 m2。地下汽车库或高层汽车库，每个防火单元建筑面积最多不超过1 000 m2。每个防火单元应与其他防火单元和汽车库其他部位分隔，分隔可采用耐火极限≥2h的防火隔墙或防火卷帘、防火分隔水幕等防火措施。当地下、半地下和高层汽车库内配建分散充电设施时，还应设置火灾自动报警系统、排烟设施、自动喷水灭火系统、消防应急照明和疏散指示系统等。当发生火灾时，消防探测器能第一时间探测到火灾信号并反馈给消防控制室，联锁启动该防火分区内的防排烟设施，降落防火卷帘门，切断充电设备及其他非消防设备电源，点亮消防应急照明和疏散指示标志灯具。

笔者认为，除了遵循以上国家及地区规范要求外，在停车场方案设计时，就应在总平面上考虑充电车位的布局，根据建筑使用功能，将充电车车位设置在不影响整体性和通透性的边角处；设置在远离厨房、锅炉房、换热机房、变电所、柴油发电机房等危险区域的区域；以及在车库出入口等利于通风的区域。

设置充电设施的停车场建筑，其火灾报警系统与灭火系统尤为重要，需要相关专业密切配合。

与消防报警专业的配合包括：(1)每个充电桩区域应设置火灾报警探测装置，消防报警按钮和消防电话插孔应设置在充电桩附近，每个充电桩区域建议设置一处消防直通电话；(2)用于分隔充电桩防护单元的防火卷帘门应与防护单元内外的火灾报警装置(感烟、感温)联动；(3)充电桩区域的充电桩电源配电柜应设置电气火灾监控装置。建筑物内的电动汽车充电设备，其配电箱内接线端子处应设置测温式电气火灾监控探测器或在配电箱内设置热解粒子式电气火灾监控探测器，并应采用燃烧性能为不延燃线缆或不燃线缆。

与消防灭火专业的配合包括：(1)充电桩区域应按车库规范要求设置消火栓灭火系统。每个防护单元应设置覆盖到每个车位的2只消防水枪，持续出水时间>2h。(2)充电桩区域应按车库规范要求设置自动喷洒灭火系统。每辆车位上至少设置2个K115喷头，喷水强度≥10L/min·m2，持续喷水时间>1h，用于阻隔电动汽车火灾的蔓延。(3)地下车库属中危险级B类，应设置火灾灭火器。灭火器可以按消火栓位置设置或设置在消火栓组合箱内，除此外，还应根据灭火器的最大保护距离要求，在明显和便于取用的地方增设灭火器配置点，使得每个防火单元的灭火器≥2具，并确保所有位置至少在1具灭火器保护范围内。(4)当设置手提式灭火器时，保护距离<12m；设置推车式灭火器时，保护距离<24m。(5)在电动汽车防火单元内，可以设置消火栓泡沫灭火装置和喷洒泡沫灭火装置。 在系统中配置可供给泡沫混合液的设备，使固定灭火系统既可喷水又可喷泡沫。发生火灾时，消火栓启用，直接喷出泡沫；喷洒系统由闭式喷头动作，开启报警阀，消防用水充入消防管网，其中一部分水进入泡沫罐，并利用水压将泡沫液挤过控制电磁阀和比例混合器，通过消防水的引射作用，将泡沫液挤进消防水中，从喷头喷出的混合液体遇空气后形成了灭火泡沫。在湿式喷洒系统中增加了泡沫罐供水管路上的电磁阀。

除了上述火灾自动报警和灭火系统外，设置充电设施的停车场建筑电气设计时，还可通过增加温度传感器、热成像红外摄像机等方法，消除或降低安全隐患。比如，在停车场内设置环境温度传感器，当环境温度超过限定值时，连锁启动该区域的进、排风机，实现主动换气，降低环境温度，预防火灾。还可以在车位上设置带红外热成像的摄像机，通过图像分析，甄别出温度过热的充电车辆，发出报警信号及时切断故障线路电源。

智能化方面可以设置智能充电管理平台，对电池的状态进行采集、检测、评估，记录车辆信息、电池信息，对充电过程、充电历史进行数据分析对比，对非正常充电车辆及时断电、上报，从充电系统中隔离。在消防联动方面通过火灾探测器，连锁启动该区域的排烟风机，将烟气和热量尽快排出，避免高温对该事故区域的其他正常车辆造成损坏，控制火灾范围。

4 结束语