電動自行車充電器長時空載狀態下起火可能性的研究分析

2015-08-19 07:38:06寇曉適董曼玲丁國君國網河南省電力公司電力科學研究院河南鄭州450052

新能源科技 2015年11期

郭磊，張科，寇曉適，董曼玲，丁國君（國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450052）

郭磊，張科，寇曉適，董曼玲，丁國君
（國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450052）

電動自行車的使用已經非常普及，其安全性也一直備受爭議，在充電狀態下引起火災的案例很多，其源頭往往集中在蓄電池和充電器兩個部位。本文通過理論分析、實地調研及模擬試驗對電動自行車充電器長時間空載狀態下是否會引起嚴重發熱起火進行了分析，對國內電動自行車充電器的安全使用具有一定的借鑒意義。

電動自行車；充電器；空載；起火

0 前言

電動自行車自1995年在我國誕生以來，產品標準一直沿用1999年的《電動自行車通用技術條件》，其中對電動自行車的防火指標并沒有規定。近些年，隨著電動自行車數量急劇上升，由于防火安全技術標準不健全、廠家在防火成本上的忽略、市場監管不到位、用戶使用存放方面問題等原因導致全國電動自行車火災事故頻發，造成的人員傷亡和財產損失呈逐年上升趨勢，迫切需要全社會高度關注。

國內有關報導電動自行車充電時引起火災的案例很多，但對于電動自行車充電器在長時間空載狀態下是否引起火災未見相關報導。充電器和蓄電池是現在電動自行車起火的兩個重要部件，本文主要對電動自行車充電器在空載狀態下是否引起火災的可能性進行分析。

圖1　高頻開關電源式充電器原理圖

1　充電器原理介紹

電動自行車充電器是專門為電動自行車蓄電池配置的充電裝置。主要參數有電壓、電流和功率。按充電器內部配置變壓器區分，可分為工頻、高頻兩大類。使用工頻變壓器的充電器體積、重量大，市場上使用較少；使用高頻變壓器的為高頻開關電源式充電器，體積小、效率高，市場占有率達到90%以上。

高頻開關電源式充電器一般由交流輸入整流部分、高頻逆變部分、高頻變壓器、輸出整流部分、電壓電流采樣部分及控制保護等多部分組成［2］，主要工作原理是：220V交流電經整流，C1濾波得到280～400V左右直流電，再經高頻逆變成高頻方波，再經高頻變壓器降壓后整流成穩定可控的直流電。

2　充電器起火的可能原因

國家標準GB/T 2947.1-2008《電動自行車用蓄電池及充電器》對電動自行車充電器有具體規定，例如：充電器空載直流輸出電壓應不超過42.4V（構成電池組的單體數量越多，各單體電池間出現充電電壓不均衡的概率就越大，造成部分電池過充電而引起火災的可能性越大），但是現在市場上追求續航里程遠，把電池容量增大，大部分充電電壓超過國家標準值，電池組裝后對應電壓甚至包括60V、72V和90V等；充電器工作時溫升應不高于50K，且輸出電壓的漂移量應不大于0.3V。正規充電器生產廠家的合格產品大部分標準是按照GB4706.18-1999《家用和類似用途電器的安全電池充電器的特殊要求》和GB/T2947.1-2008《電動自行車用蓄電池及充電器》的規定進行，其充電器除了自身具備的恒壓、限流功能外，還具有過流保護裝置和極性接反保護功能，其外殼為阻燃塑料，此外正規廠家在充電器內輸入端和輸出端安裝保險絲等后備保護裝置。因此，正規充電器生產廠家的合格產品起火或引發火災的幾率很小。對于市場上假冒偽劣充電器，由于設計、生產工藝和元器件產品質量等原因，存在無過流保護裝置或輸出端無極性接反保護；有的為了節約成本，輸入輸出端的電線線徑全都“瘦身”，“瘦身”電線更易折損磨破，耐熱性絕緣性都將變差現象較為普遍，很多用戶在原有標配的正規生產廠家的充電器損壞后，購買偽劣充電器，給安全埋下隱患［5］。

充電器空載狀態下可能存在的起火原因如下：

（1）充電回路線路及插接件短路。充電器連接220V電源后的充電回路可能存在以下兩種情況的短路：一是充電器電源線由于經常纏繞、拉扯、老化等原因造成絕緣層損傷形成短路；二是插頭插座處發生短路。

（2）充電器內部元器件損壞。開關電源式充電器實際上就是一個開關電源加上一個檢測電路，如果充電器高壓端整流二極管、電源開關管或濾波電容擊穿，電源回路就會出現短路電流，此時充電器輸入輸出端若未配置保險絲，內部的過流保護裝置也失效的話，可能會造成充電裝置起火。

（3）天氣原因。在陰雨天氣下，充電器暴露在外后受潮或進水，雖然是空載狀態，但仍會造成內部短路，產生較大電流，此時充電器輸入輸出端若未配置保險絲，內部的過流保護裝置也失效的話，可能會造成充電裝置起火。

（4）劣質充電器選型及設計不合理，質量不可靠。部分廠家擅自降低質量標準，選用的電線線徑小、質量差、絕緣外皮易破損；插接件質量低劣，未做防水防塵處理；一些廠家為降低成本，未安裝保險絲或過流保護裝置，使內部短路時得不到有效保護。

（5）私自改裝或使用不得當。在使用環節中，有些用戶為圖方便，擅自將標配的小容量保險絲更換為大容量保險絲，或者拆除保護裝置；由于充電器的頻繁使用，很多用戶充完電后只拔掉充電器輸出插頭，不把充電器電源斷開，讓充電器長期接通電源空載運行，再加上空載狀態下風扇并不工作，熱量散發不出去，這有可能會造成充電器電氣元件的劣化，引起內部回路絕緣下降甚至短路，此時輸入輸出端若未配置保險絲，內部的過流保護裝置也失效的話，在夏天濕度較大時，充電器內電路板容易受潮引起短路，可能會造成充電裝置起火。

3　電動自行車生產廠家調研

筆者對電動自行車生產廠家進行實地調查了解，大多數充電器都不是電動車廠家直接生產，而是由外協單位提供。正規電動車廠家在采購的充電器中做抽檢試驗，測試充電器輸出電壓和輸出電流，檢測電壓和電流的穩定性，確保充電器合格；所使用的充電器外殼及電源線均采用阻燃材料；充電器空載狀態下風扇不工作；充電回路中裝有過流保護裝置。

調研結果顯示：一般正規廠家生產的充電器，在長期空載情況下不會出現起火的情況。理由如下：（1）空載狀態下，充電器內部回路中電流為毫安級，原則上不會引起太大的溫升。（2）充電器內部電路有過流保護裝置，輸入輸出端有保險絲作為雙重保護，如果發生因短路引起的回路過流情況時，保護裝置會迅速動作斷開電源通路，不會發生溫度急速升高起火。（3）充電器內部電路板為阻燃材料，出現短路時至多是燒毀內部元器件，但電路板不會燃燒。（4）充電器外殼及電源線均采用阻燃材料，不會起火。

但不排除存在一些廠家為了節約成本，充電器外殼和線會采用一般材料，保護裝置也可能沒有，在發生內部故障時有可能會導致發熱起火。

4　對充電器的空載模擬試驗

隨機抽取YD、YY、JX、KP、WX、JB等六種品牌的電動車充電器（正在使用中的產品）。所有充電器分兩組在以下環境下進行模擬溫升試驗［1］。試驗步驟如下：

步驟一：無風干燥環境下，對第一組所有充電器（YY、JB、JX各一只）長時間空載狀態運行，在溫度升起的前3個小時使用紅外熱像儀進行密集觀測其溫升情況，直至溫度穩定，同時記錄各充電器空載電流和輸出電壓，并觀察其現象；

步驟二：對第二組所有充電器（YD、YY、KP、WX各一只）在充電器旁放置加濕器等裝置模擬雨天空氣濕度大效果，然后長時間空載狀態運行，在溫度升起的前3個小時進行密集觀測其溫升情況，直至溫度穩定，同時記錄各充電器空載電流和輸出電壓，并觀察其現象；

步驟三：如果第二組所有充電器在受潮情況下仍無異常，對第二組充電器噴灑少量水模擬雨水浸入效果，然后長時間空載狀態運行，在溫度升起的前3個小時進行密集觀測其溫升情況，直至溫度穩定，同時記錄各充電器空載電流和輸出電壓，并觀察其現象。

根據試驗結果可以得出如下結論：

（1）無風干燥環境下，對第一組所有充電器（YY、JB、JX）長時間空載狀態運行，充電器內風扇不工作，充電回路中空載電流在15mA以內。充電器內部元器件只有電阻元件溫度增加明顯，最高可達到103℃，之后保持穩定不再增加；其它如電容、變壓器、整流硅、線路及散熱片溫度增加均不明顯，比環境溫度略高。整個內部發熱情況反映在外殼時，整體最高溫度基本都穩定保持在42～44℃范圍內，整體溫升基本都在15～17K范圍內，溫度穩定保持了6個小時而無變化。發熱最明顯的電阻不足以引起外殼及線路起火，對電路板更無影響，但長期如此可能會造成電阻元件劣化。試驗數據見表1。

表1　無風干燥環境下充電器長時間空載試驗

（2）對第二組所有充電器（YD、YY、KP、WX）在充電器旁放置加濕器等裝置，然后長時間空載狀態運行，所有充電器均在一個半密閉的鐵箱內，鐵箱內濕度一度達到98%以上，但所有充電器外殼整體最高溫度基本都穩定保持在42～44℃范圍內，整體溫升基本都在15～17K范圍內，無任何異常情況發生。分析是由于外殼的防護，一般的悶濕天氣難以造成充電器內部電路板的受潮繼而引起短路。試驗數據見表2。

表2　潮濕環境下充電器長時間空載試驗

（3）從第二組充電器中挑選了KP和WX兩個充電器，打開外殼，用加濕器造成電路板濕潤至凝露結水，之后分別插上電源。KP充電器輸入端的保險絲瞬間熔斷，整個回路不帶電，使用紅外測溫觀察KP充電器電路板溫度與環溫近似。說明充電器內輸入端安裝有保險絲，防止短路造成的后續破壞。

WX充電器輸入端輸出端均無保險絲，但插上電源后充電燈熄滅，表示電路跳開，內部過流保護裝置發生作用，之后測溫發現，在充電器內變壓器二次側（通往蓄電池側）整個回路無電流，溫度與環境溫度近似，變壓器一次側（通往220V電源側）仍有電壓，最高溫度穩定保持在89℃。說明充電器內部有過流保護裝置，只能對變壓器二次側以后故障起到保護作用。

（4）阻燃材料的阻燃特性是相對的。使用明火一直點燃充電器電源線及外殼時，可以造成電源線和外殼輕微燒融，但火源一旦離開，電源線和外殼處的燃燒隨即自行熄滅。說明充電器內部出現電弧或火花不可能造成電源線和外殼起火，除非是充電器外部有持續的火源對其燃燒。

5　結論

目前，我國電動自行車行業采用的電池多數為鉛酸蓄電池，其適用的充電器多為開關電源式充電器，即所謂三段式充電器，具有恒壓、限流和浮充的功能［3］。此類充電器由于內部發熱元器件溫升有限、元器件自身可燃材料少、充電回路有過流保護裝置、充電器外殼均采用阻燃塑料等，因此，充電器內部起火幾率很小，引發火災的幾率更小［4］。試驗證明帶有保護裝置的充電器空載狀態下，即使發生內部短路的情況，保護裝置也會動作，防止故障擴大，帶有保護裝置的充電器空載狀態下起火的可能性很小。

充電器空載狀態下引起火災的前提必須是充電回路中出現短路的情況，同時充電器內輸入輸出端未安裝保險絲，內部的過流保護裝置也意外失效的話，無法斷開回路大電流，且所使用的外殼、電源線均為非阻燃材料，幾種不利條件均具備，才有可能引起火災。因此，如果是正規廠家生產的使用阻燃材料并帶有過流保護裝置的充電器在空載狀態下即使遇到受潮、絕緣破損或其它因素造成短路后引起火災的可能性依然很小。對于不含有過流保護裝置的劣質充電器，不排除其內部由于受潮、絕緣破損或其它因素造成短路后引起火災的可能性。