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摘要：充电式机械车库的诞生和发展，解决了城市中汽车停车难和新能源电动汽车充电难的难题。该形式车库主要是对新能源电动汽车进行集中停放和集中充电。在集中停放和集中充电的同时，充电安全和消防安全显得尤为重要。为避免车库触电事故和火灾事故的发生，减少因事故而产生的经济损失，就需要在充电式机械车库上增加安全救助系统，来解决好充电式机械车库充电安全和消防安全。旨在增加充电式机械车库运行的安全性，稳定性，避免不必要的灾害和损失。
关键词：充电式机械车库 充电安全 消防安全
1研究背景
近年来，随着我国经济发展和城市化进程快速推进，城市拥有车辆数大大增加，城市停车难的问题越来越突出。在城市车辆数增加的同时，由于汽车尾气排放的NOx、CO及随后形成的光化学烟雾，使得许多大城市的空气质量恶化。那么，在解决停车难和城市空气环境问题时，国家相关部门提出，发展城市空间停车和新能源电动汽车，是解决城市停车难和空气环境极为重要的途径之一。近几年来，立体车库在城市中的发展极为迅速，该技术已经成熟。新能源充电汽车在一线城市已经开始大力推广。然而，在新能源电动汽车普及的同时，新能源电动汽车的充电基础设施少，不能够完全满足充电需求。所以，建设带充电设施的机械车库可以完美的解决新能源电动汽车用户的充电需求，既可以满足传统能源汽车泊车，更能够兼容新能源电动汽车充电泊车，为新能源电动汽车充电设施建设及推广应用提供新模式。这种充电式机械停车库广泛普及将极大推动新能源电动汽车的发展和普及。
充电式机械车库，将车辆集中停放管理，集中充电管理。极大的改善了乱停乱放现象，也杜绝了占用消防通道和应急通道现象的发生。但在有限的空间停放过多的车辆必然存在诸多火灾隐患，同时充电终端和充电口接触不良造成漏电，发生人身触电事故也是一大安全隐患，加上现行的消防设计规范并未对充电式机械车库的消防设计提供足够的依据。因此，本文就充电式机械车库的消防设计进行分析，供大家共同研究。其目的在于更加安全、可靠、稳定普及和推广充电式机械车库，使其能够为城市停车和新能源电动汽车充电发展做出贡献，也是为同行业在充电式机械车库充电安全和消防安全的研究上提供技术帮助，也是为现行《汽车库 停车库 停车场》防火设计规范的进一步修订和完善提供一点建议。
2分析漏电原因
充电式机械车库，充电安全性能主要体现在充电终端和充电口接触不良造成漏电，发生人身触电事故。消防安全性主要体现在新能源电动汽车过充和过放，或者电路短路造成火灾事故。
所以，从上述两个方面分析充电式机械车库充电安全和消防安全。
新能源电动汽车在使用几年后，充电接口和充电终端由于长时间使用、环境影响、本身材质不稳定性，会使充电终端充电头的绝缘层磨损或者有充电头的金属裸露。这样，在操作人操作且不注意观察和发现的时候，极容易触碰到裸露金属上，引起人身触电事故。
充电终端导线一直裸露在外部，长时间使用，会使导线的外部绝缘层老化，同时在新能源电动汽车充电时，导线发热，加快了绝缘层老化的速度。当地面或者附近有尖锐的导电体扎入导线时，会使附近接地不良或没有接地的导电体导电。当操作人操作充电终端给新能源电动汽车充电时，充电终端在移动的过程中，电线会随着移动，极有可能触碰到附近与人体接触的导电体或直接触碰到人体，发生人身触电事故。
3火灾分析
新能源电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。不同的能量提供行驶和构造决定了新能源电动汽车的不同特性，新能源电动汽车根据能量和驱动力的提供方式可分为混合动力汽车(HEV) 、纯新能源电动汽车(BEV)。
（1）混合动力汽车构造
混合动力汽车以电池和内燃机作为动力源，由发动机和电动机共同驱动。在目前应用最广泛的并联式混合动力汽车(PHEV)中，发动机和电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系统提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动也可以单独驱动。当汽车加速或爬坡时，发动机和电动机同时提供动力；当达到巡航速度时，汽车仅依靠电动机维持该速度。
（2）纯新能源电动汽车构造
纯新能源电动汽车采用单一电池作为储能动力源，由电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等部分组成。其中，电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成，是新能源电动汽车的核心部分，其他部分的结构基本与传统汽车相同。
（3）电池
电池是新能源电动汽车的核心部件，不同类型、结构和制造工艺的电池具有不同的火灾危险性。电池根据其电化学体系的不同可分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、铁镍电池、钠氯化镍电池、银锌电池、钠硫电池、锂电池等。目前在新能源电动汽车中能够成熟应用的主要是锂电池，锂电池根据正极材料的不同又可分为锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池。
（4）火灾危险性分析
1）案列
2011年4月11日，杭州市一辆众泰电动出租车发生自燃。经调查，事故原因为电池箱内局部短路，缘损毁点通过电池箱及支架的接地构成回路，引燃内饰。
2011年7月18日，上海市中山公园附近行驶的82路电动公交车发生自燃事故。事故原因是安装方面存在定的缺陷，行驶中出现摩擦震动，导致电池漏液。
2012年5月26日，深圳市一辆比亚迪电动出租车在正常行驶中，被后方车辆追尾后撞击到大树上，车体严重变形后起火。经鉴定，火灾为车内高压线路短路引发。
从国内的案例可以看出，电气系统故障是新能源电动汽车发生火灾的主要原因。电池是新能源电动汽车电气系统最重要的部分，电池的安全性在一定程度上决定了新能源电动汽车的安全性，研究新能源电动汽车的火灾原因主要就是研究电池的火灾原因。
2）电池的燃烧爆炸机理
电池发生燃烧或爆炸多是由于电池内部瞬间温升过快或内压过高而引起。锂离子电池除正常的充放电的电化学反应外，还存在如电解质的还原和氧化分解、正极的热分解等副反应，这些副反应大多会产生热量。
?隔膜受热分解。隔膜分解导致电解液在裸露的高活性炭负极表面发生还原反应，释放大量热量导致电池温度升高，这是引发电池热失控的根本原因。
?充电状态正极的热分解。正极的活性材料在充电时有潜在的分解风险，正极分解放热以及进一步引发的电解液分解，加剧电池内部的热量积累。
?电解质的热分解。电解质中LiPF。受热分解生成PF，PF与电解液中的有机溶液进一步反应并放热同时释放出有机小分子气体，进一步加快了电池的温升。
当电池处于正常温度范围和正常电压范围时，这些副反应不会发生，电池是安全的。但当电池温度过高或者充电电压过高时，这些副反应将被触发，产生的热量不能有效传递到电池体外，引起电池内部温度和压力的急剧上升。而温度的上升又会极大地加速副反应的进行产生更多量的热和气体产物，此时电池进入无法控制的自加温状态，即俗称的热失控状态。进入到热失控状态的电池存在一定的爆炸几率，从爆炸发生的机理来看，与炸药爆炸有相似之处。但由于电池活性材料的含能密度及反应速度均远低于炸药，因此爆炸的危害程度远不如炸药。电池发生燃烧的几率高于电池发生爆炸的几率，发生热失控时，可燃性电解液蒸气和有机小分子气体以极快的速度喷出，并与壳壁发生摩擦，摩擦产生的热量足以点燃低闪点的可燃性气体。
（5）电池燃烧爆炸的诱因分析
1）外部环境激励
过充电。当过充电超过一定限度后，电解液势必发生氧化分解，并产生大量的热，导致电池内部温度升高。当温度上升至一定程度后(一般认为 130℃是一个危险界限)，引发上述的系列放热反应。
短路。当短路发生时，电池以非常大的电流放电，温度也极易升至130℃以上，引发一系列放热反应。
机械滥用。机械滥用条件 (如挤压、穿刺、振动跌落等)极易导致电池发生短路，引发危险的放热反应。
高温热冲击。热冲击可使电池直接暴露在高温环境下，隔膜受热分解，电池发生内短路，同时高温还能引发电池的其他潜在热反应。
2）内部因素
吸附在隔膜表面的导电粉尘。当电池装配车间环境控制不利，空气中就不可避免地存在金属粉尘。夹杂的粉尘有可造成电池微短路，这是导致电池发生内部短路的最大隐患。
电池卷芯的正极片和负极片错位 。电池生产中由于极片放置不准或卷绕过程中纠偏控制不利，导致部分极片出现错位，在充电过程中容易发生锂析出，造成内部短路。
极片有毛刺。极片分切时边缘存在的毛刺可能在使用过程中因电池厚度不断膨胀收缩而最终刺透隔膜，引发内部短路。
负极表面析锂。电池生产中由于涂布不均或负极表面存在空白涂点，往往造成局部正极容量较负极高在充电过程中极易发生锂析出，造成内部短路。
电解液分布不均匀。当电解液分布不均时，直接的后果是导致电极利用率不一致，在充电过程中负极表面容易析锂，导致内部短路。
正极材料纯度不高，含有一些游离的金属杂质，杂质在充电时容易溶人到电解液中，并在负极和隔膜表面沉积，导致电池发生短路。
（6）电池的火灾特点
电池的副反应导致的热失控是新能源电动汽车起火最主要的原因。在对电池热失控过程的研究中，通过模拟实验考察了电池的火灾特点。
1）电池燃烧温度高。以三元体系的锂离子电池为例，当发生热失控燃烧时，其火焰最高温度可达880℃。常规汽油燃烧时火焰温度在400℃左右，电池燃烧温度远远高于传统汽车中燃料汽油的温度。
2）电池燃烧迅速。电池发生火灾的过程。电池由于各种诱因的作用发生副反应，副反应产热引发另外一系列的副反应，电池热失控，由于热的作用，电池中的电解液挥发、分解，冲开安全泄压装置，随后电解液着火。从有明火出现至完全烧毁，有些电池仅需数秒。
3）不同体系的电池燃烧差异大。不同体系的电池由于其正极材料的不同，其电池具有不同的电化学反应和电池电压和容量．因此，发生火灾时的表现也不尽相同。磷酸铁锂电池燃烧前发烟量大，燃烧持续时间较长，三元锂材料电池发烟较少，燃烧初期火焰呈喷射状燃烧迅速。
4）电池火灾扑救困难。电池的火灾是由一系列电化学反应引发，并且这些电化学反应速度较快燃烧时产生大量的有毒气体。
充电式立体车库火灾分析
4充电式机械车库充电、消防安全设计思路
针对新能源电动汽车存放在充电式机械车库中的充电安全、消防安全的分析，能够在火灾发生的第一时间内，有火灾报警系统发出警报，指引管理人员，在第一时间内奔赴火灾现场，组织灭火救援。
（1）充电安全
根据上述分析新能源电动汽车充电漏电发生的原因，不难看出，主要特点是在操作人员操作充电终端时，充电终端已经是带电状态。无疑，带电操作是一个严重的安全隐患。
所以提出，在操作充电终端时，无电操作，使其充电终端在与新能源电动汽车充电口连接成功以后，用其他方式操作，连接电源。随着科技的进步，手机支付消费已成为一种时尚和潮流，遂开发一款手机APP用来控制新能源电动汽车充电连接和断开，通过手机扫描充电终端上的二维码来识别终端代码，进行充电和断电操作。
调查市场上新能源电动汽车充电桩、标准充电终端。现在，各个充电桩的厂家生产的充电桩，最常见的有落地式安装的，有壁挂式安装的，还有群控群充集中管理箱变式的。这三种充电设备，落地式和壁挂式有一定的安装的灵活性，但是在机械车库上安装空间有限，机械车库是属于机械设备，是有电控系统来控制其运行和停止的，这有给落地式和壁挂式操作和使用带来一定的难度。而群控群充集中管理的箱变式，只需把充电终端固定在存放汽车的载车板上，通过手机扫描充电终端上的二维码来识别终端代码，进行充电和断电操作。
（2）消防安全
在分析充电式机械车库消防安全之前，先对机械车库运行原理和特点稍作阐述，以便于更加清晰的分析车库消防安全，以三层升降横移车库为例：顶层（三层）车位可以升降动作，二层车位可以升降和横移动作，一层车位可以做横移动作。且每个车位都可以在车库运行的过程中对新能源电动汽车充电。
理论上讲，在新能源汽车充电的过程中，有可能因电池过热而导致火灾的潜在隐患，尤其对于充电式升降横移机械车库，车位密集，车辆集中，且及其难发现火灾点，这就需要一种火灾报警系统，能够准确的感知火灾发生点，通过信号传递到总控箱，通过总控箱界面的指示灯或显示屏，显示某车位火灾报警，发出声响，通知管理人员能够及时处理火灾事故。同时该车位所在的充电箱变充电电源断开，避免给新能源汽车和充电箱变造成更大损失。
根据充电式升降横移机械车库的特点，和技术人员认真研究，可采用JB-QB-GST200火灾报警控制器，通过连接开关量型感温电缆和模块，构成一个报警联动一体化的控制系统。
JB-QB-GST200火灾报警控制器。包括：主控制器，显示操作盘，智能手动操作盘（如下图）。
该控制器的特点：该系统的主控设备是一个带有微处理器的高性能大型智能火灾自动报警控制器，它采用模块化结构，由中央处理单元、智能控制模块、故障隔离模块、监视模块、安全栅等器件组成。LCD显示器显示火灾报警类型、报警设备、时间、火警位置等报警信息。并能将各种器件发生的异常情况(拆除、断开、故障)报告给控制中心显示屏。它采用多组合的逻辑原理，综合评估多个探测器的报警信号，提高探测和诊断的可靠性。供电系统采用主备电源自动切换。
输入模块：也称为控制模块，在有控制要求时可以输出信号，或者提供一个开关量信号，使被控设备动作，同时可以接收设备的反馈信号，以向主机报告，是火灾报警联动系统中重要的组成部分。
感温电缆：具有沿全线长连续监测保护对象温度的能力。一般，感温电缆内部是两根弹性钢丝，每根钢丝外面都包有一层感温且绝缘的材料，正常监视状态下，两根钢丝都处于绝缘状态，当周边环境温度上升到预定动作温度的时候，温度敏感材料将破裂，两根钢丝会产生短路，输入模块检查到短路信号后立即产生报警，属于“开关量”感温电缆。
安装在载车板上的开关量型感温电缆内部是两根弹性钢丝，每根钢丝外面都包有一层感温且绝缘的材料，正常监视状态下，两根钢丝都处于绝缘状态，当周边环境温度上升到预定动作温度的时候，温度敏感材料将破裂，两根钢丝会产生短路，输入模块检查到短路信号后，传递给火灾报警控制器，控制器发出声光报警，同时液晶屏幕上显示某个车位火灾报警。管理员通过总控制器液晶屏幕显示的火灾报警点获知发生火灾部位。及时采取有效救助措施。
当输入模块检查到短路信号后，火灾报警控制器，发出动作信号，使新能源电动汽车充电箱变中的充电模块电源断开，启动保护作用。
安装方法：
火灾报警控制器安装在监控室内，如果火灾报警控制报警，以便于管理人员或监控人员能够在第一时间内获知报警位置，做出应急救援。
输入模块：通过编码器对每个输入模块进行编码，每个模块编码成载车板的车位编号，安装在存放新能源电动汽车的相应载车板上，这样，当火灾报警控制报警时，控制器显示屏上显示X区XXX车位火灾报警，能够及时获知火灾发生地点，为火灾救援节省时间。
感温电缆：载车板中间位置安装耐踩踏铝合金线槽（如下图），感温电缆敷设在铝合金线槽内，不仅对感温电缆形成保护，还极大的增加了导热性能，使其探测温度的灵敏度大大增强。检测温度的长度在3米范围内。感温电缆与模块连接，模块与火灾报警控制器连接。
结合本小结总结一下，充电式机械车库的充电安全、消防安全，主要是充电终端的无电预连接，新能源电动汽车电池过充过放、外力作用泄露或线路老化发热等特点。结合这些特点，分析出充电式机械车库充电安全、消防安全设计思路，提供给大家参考。
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论文作者:梁晨 宋桂兰,李大寨 张彦平
论文发表刊物:《科技中国》2016年8期
论文发表时间:2016/10/19
标签：电池论文; 充电式论文; 新能源论文; 火灾论文; 车库论文; 电动汽车论文; 发生论文; 《科技中国》2016年8期论文;