油品销售企业充电业务发展安全风险研究

闫德林，张诗晨

(中国石化销售股份有限公司北京石油分公司，北京 100022)

0 前言

近年来，随着化石能源的日益紧缺及人们对环保的更高要求，汽车的动力燃料也由传统的油气能源向更清洁低碳的电能过渡，电动汽车的生产及应用呈爆发式增长趋势[1]。截至2021年底，全国新能源汽车整车制造企业有198家，相关企业33.2×104家，纯电动专用车型1 148个，燃料电池车138个。车型数量的显著增加给充电服务带来较大挑战，同时充电技术水平参差不齐、电流安全标准难以统一、电池软硬件存在巨大差异，等等原因引发了诸多安全问题导致电动车充电引发的事故屡见不鲜。

锂离子电池作为电动汽车的主要风险源，在受到自身设计缺陷、高温、环境等各种因素的影响下，可能会出现燃烧爆炸，进而导致整车起火事故。因此，亟需深入研究电动汽车充电的安全风险及其与传统油气能源相结合所带来的叠加风险，为油品销售企业充电业务发展过程中的安全设计、消防应急、安全管理等方面提供可靠的技术支撑。

1 国内外典型事故分析

电动车问世以来，锂离子电池的安全问题就受到广泛关注。表1列举了国内外几起锂离子动力电池事故案例及事故原因。

从表1可知，电池热失效是电动车起火的主要原因，电池管理系统无法准确检测是导致故障无法检出、造成事故的主要原因。

根据我国电动车事故统计分析，近几年烧车事故数量持续增多，根据不完全统计，2021年，媒体报道的烧车事故共276起，比2020年增长了123%；5～12月的事故数量相比2020年同比增长93.9%，车辆保有量增长了69%，事故率增长30%[2]，电动车保有量和事故数量增长趋势见图1。2019—2021年月度行业电动车烧车事故统计见图2。

由图2可见，由于夏季环境气温高，2021年6～8月的事故数占全年事故总数的43 %，6～8月是烧车事故的高发期。

表1 锂离子动力电池事故案例[3]

图1 电动车保有量和事故数量增长趋势

图2 2019—2021年月度行业电动车烧车事故统计

按照车辆状态进行分析，根据目前统计的行业内烧车事故，在充电中、行驶中、静置时3个状态中车辆起火占比基本一致。电动车辆起火状态统计见图3。

图3 电动车辆起火状态统计

从国家监管平台监控的事故统计数据来看，电池起火事故绝大多数发生在充电结束阶段及充电之后的静置阶段，绝大多数事故发生在电池荷电状态(state of charge，SOC)较高的情况[4]。

2 电池及电池组失效分析

锂离子电池有着工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等特点，常用的锂离子电池和参数对比见表2所示。

锂离子电池作为化学电源，在极端条件下往往会引发隔膜的熔断，导致电池正、负极直接接触而发生内短路，而高温条件下的电极材料会发生多种放热反应，热量的持续堆积有可能引发电池冒烟、起火和爆炸。这种电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象即为“热失效”。动力电池在机械损伤、电滥用、热滥用等极端条件下的事故最终均以热失效的形式体现[1]。因此，为保证动力电池的安全性，必须对热失效的诱因、发生、扩展3个阶段进行逐级防控。

表2 锂离子电池性能参数对比

事故发生的可能性和危险程度随着电池的质量、数量、容量以及能量密度的增加而提高，因此电池的产品质量要求也随之提高。在大规模应用场景，如储能电网、国际空间站等地，电池火灾可能导致火焰蔓延，带来不可估量的损失。因此，对锂离子电池及电池组的火灾危险性与火灾蔓延危险性的研究十分重要。

电池管理系统(Battery Management System，BMS)作为电池的“大脑”，主要功能为管理电池运行的全流程，包括电池充放电过程管理、温度检测、电压电流检测、电量评估、单体电池故障诊断等方面。一旦由于高压或大电流冲击、系统电源断电或通讯干扰等因素导致BMS发生失效，将会致使系统无法正确判断动力电池的实际状态，轻则导致电池使用寿命降低、车辆无法正确估计续航里程，重则因为电池过充电导致热失效，从而引发起火、爆炸等安全问题。

3 充电桩失效分析

3.1 充电桩工作原理

电动汽车在充电时，充电桩系统需要与电动汽车进行信息交互，识别插头连接状态，二者之间通过汽车通讯总线(Controller Area Network，CAN)协议进行通信[5]。电池管理系统为充电桩中央控制器发送允许接受充电的信息，充电桩才可以向电动汽车输送电能。

电动汽车的动力电池组可接受的最佳电流、电压值、充电参数以及操作指令，均通过CAN通讯向充电桩的控制器发送。目前，充电桩控制器均采用中央处理器(CPU)体制，通过串行软件实现控制逻辑。嵌入式软件与车辆BMS交换充电需要的信息后，通过充电桩内部的串行总线接口，指挥功率模块输出BMS指定的电流和电压[7]，详见图4。

图4 直流充电桩控制逻辑

3.2 充电桩问题分析

a) 串行控制结构充电桩的BMS通信速率偏低，当多个功率模块直流并联时，如果同步传输数据，信息会发生拥堵，达不到国家电网要求的传输速度。并且串行控制逻辑是通过线程软件实现的，CAN总线的通信速率只有1 M，通信周期250 ms，无法对BMS的紧急指令及时响应，导致充电桩存在电池过热失效的风险。

b) 充电桩与电动车交互过程中，存在着3方面问题。一是通信协议故障，如直流桩保留旧通信协议引起重复的绝缘检测，导致通信报文发送时间异常，报文发送逻辑紊乱等；二是桩车互动故障，如交流电源断开时电压泄放时间过长，直流接触器触点接触不良引起的冲击电流过大，保护接地导体连续性丢失、外侧端电压异常等；三是基础性安全故障，如散热窗、电缆口敞开使防护等级不足，引起大电压纹波，急停功能丧失，电子锁失效等。

4 加油站充电设施风险分析

在车辆充电、静置、行驶3个阶段，充电是最适合进行电池指标安全监控的阶段。同时，加油站24 h有人值守，在加油站充电也是能够用信息技术进行风险控制的最有利的充电方式。

根据加油站当前的体量较大、分布广泛以及形成的用户习惯，在加油站安装充电桩有着巨大的商业价值。加油站加装充电桩对电动汽车替代燃油汽车有较大的推进作用，同时可以节省较多的资源和资金，充电的车主可以利用加油站休息或购买商品。

当在传统加油站中添加新能源载体时，需要关注的核心是了解从传统加油站向多燃料能源站的过渡将如何改变火灾和爆炸风险。传统的油气能源均为可燃性物质，当在传统加油站的基础上发展充电业务时，充电站的电火花或电池由热失效导致的燃爆事故将会对加油装置产生热辐射或通过爆炸破片的形式对加油装置产生影响。此外，加油过程中，一旦加油枪、卸车软管等设备失效，会造成油品泄漏，在地面流淌，遇到点火源形成火灾，充电设施一般设置在地面，若火灾蔓延，则会导致充电桩受高温发生自燃，扩大事故范围。此外，锂电池及油气能源等多重灾害因素的叠加也为应急处置和救援增加了巨大的挑战。在关于加油合建站的标准制定方面，我国标准目前仅对加油加气加氢合建站做出了规定，在充换电站方面，标准中仅简单指出“加油加气站可与电动汽车充电设施联合建站”，并未做出进一步详细的技术规定，有待进一步开展相关的研究工作。

5 加油站充电业务改进建议

油品销售企业要介入电动车充电领域，需深入研究电动车充电过程存在的风险，并研究出成熟的对策，防患于未然。

5.1 建立销售企业充电监管平台

加油站充电可以使用信息技术对充电安全进行监控，最有效的手段是建立监控平台。通过信息系统，可以把各个站点的充电桩纳入系统监控汇总，可以解决目前市面各类充电桩分散而无法监控的局面；其次可以应用大数据分析完成对车辆安全状态的掌握，及时采取防控措施。可以将监控数据反馈至汽车制造企业提供数据支持，从产业高度上提高电动汽车充电系统的安全水平。

5.2 充电桩改进建议

根据目前各类充电桩充电技术现状，在加油站内安装充电桩需要满足以下技术要求：充电桩响应紧急指令时间控制在10 m/s以内；BMS通信接口接收发送并行处理机制；充电模块采用独立的CAN总线并行管理机制；供电模块采用并行接收线程响应模式；BMS提高巡检频率，快速发现火灾隐患，紧急报文优先发送,增加单节电池的管理效律；热失效发生前，电压的急剧下降总比温度陡升提前15～40 s，这为通过电压来预测热失效的发生提供了可能性；充电期间读取和分析电池历史数据，需要开通数据共享，从而通过大数据分析、人工智能算法构建动力电池热失效潜在故障判定和预测方法，提升安全水平。

5.3 加油站现场防控

a) 制定专项应急预案。针对电动车火灾特性，结合站内消防要求，制定专项应急预案，有危险情况发生初期，要首先切断电源，快速疏导未着火车辆出站，减少损失，避免更大的燃爆事故。有条件站点的可储备充足的消防用水，对电池组进行灭火和降温。

b) 提高夏季防护等级。6～8月是电动车辆燃爆高发期，特别是在南方高温地区要加强管理，有足够的应急物资应对火灾。

c) 减少车辆充电后滞留。一些电动车在充电后把车辆继续停留在站内，车辆在高SOC状态下更易发生火灾，风险较大。

d) 控制服务范围。质量良好的电池本体和BMS系统可有效降低事故概率。在服务过程中要高度关注高风险车型，如老旧电动车、箱式货车、统计燃烧爆炸事故多或比例高的车型。

e) 研制防火隔挡器材。通过绝热材料或阻燃材料对发生热失效电池进行隔离，如采用金属材料或气凝胶绝热毡子做成可移动的围挡，着火时将绝热围挡推到事故车辆周围，隔离火焰，防止引燃其他车辆，为其他车辆撤离争取时间。一般情况，电动车从冒烟到起火，需要2 min左右，这是应急处理的关键时间，处理得当可以减少损失，保障人员和财产的安全。

f) 增加热检测或物质检测技术。热失控早期电池会产生大量的碳酸二甲酯(DMC)、CO、CO2、H2[6]等高热气体。可利用热感应或物质检测技术实现实时监测，早预警早干预。由于充电现场通常无人值守，及时报警可以提示现场人员采取合适的措施控制火灾或减少损失，对加油站防火安全和财产安全非常重要。

g) 充电桩选址要求。加油站内建设充电桩要考虑充电需求、合适的车位，电力增容可行以及消防水源的便利性。加油站内增加充电桩，要优先选择面积和安全距离较大的站点。

6 结论

a) 通过对电池事故分析，电池起火事故绝大多数发生在充电结束阶段及之后的静置阶段，绝大多数事故是发生在动力电池高SOC状态。充电阶段事故在事故总数中占比较高，因此进行电池指标安全监控分析尤为重要，在加油站安装充电桩可以使用信息化技术进行风险控制。

b) 充电桩功率提高只是提供了大功率充电的可能性，而对于一辆特定的车，其充电策略是由BMS决定，所以充电桩充电功率大小并不影响安全，不会因充电功率增加而产生更大隐患，因此，不需要对充电桩功率给予太多关注，改进BMS才是提高电动车充电安全的重要措施。

c) 加油站的充电业务安全影响因素较多。包括电池、BMS、充电桩、充电桩与BMS对话机制、现场管理等多要素。电池的安全状态是主要因素，电池的管理系统与充电桩控制逻辑是次要因素。加油站对充电设备设施和现场的安全管理的控制相对容易，其安全策略首先应考虑设备选型，即选择充电桩技术；其次，由于BMS和充电桩的稳定状态由设计、材料和制造工艺决定，应考虑相关产品质量。[7-9]