鉛酸蓄電池電動車充電過程起火機理探析

柯毅胤

摘 要：鉛酸蓄電池是電動車的主要動力源，電動車導致的火災事故多發在電池充電過程。本文深入探析了鉛酸蓄電池電動車充電過程最易引發火災的時間段和電池熱失控、電池內部短路、過充電析氫爆炸、充電器故障導致充電回路短路、充電線路磨損形成短路等起火機理，并提出防止電動車充電過程起火的技術措施。

關鍵詞：電動車；鉛酸蓄電池；起火機理；短路

中圖分類號：U484 文獻標識碼：A

鉛酸蓄電池具有成本低、性價比高、可靠性好、原材料易得等優點，目前市場上絕大多數電動車使用鉛酸蓄電池。隨著鉛酸蓄電池電動車使用量的不斷上升，電動車引起的火災也呈逐年上升趨勢，并造成重大人員傷亡和財產損失。據統計，我國80%以上的電動車火災發生在充電過程中，其中亡人火災幾乎全部發生在車輛停放或充電時，因此探究電動車充電過程的起火機理對預防電動車火災具有重要意義。

一、鉛酸蓄電池充電的3個階段和最易引發火災的時間段

鉛酸蓄電池充電過程是通過鉛極板或板柵和構成電解液的稀硫酸的組合利用可逆化學反應將電能轉化為潛在的化學能；放電過程則是反過來又把化學能轉化為電能。

鉛酸蓄電池的充電方式較多，而三段式充電是最常見、應用最廣泛的充電方式。三段式充電的3個階段分別指恒流充電階段、恒壓充電階段、降壓浮充階段（又叫涓流充電階段）。目前三段式充電普遍使用智能控制充電器，能夠在3個不同充電階段自動轉換充電模式，如圖1所示。

在恒流充電階段，充電電流保持恒定不變（一般設定在1.8A左右），隨著蓄電池充進電量的增多，蓄電池兩端電壓會不斷上升，最高可達到58.5V。在這個階段，充電電流恒定較大，充電電壓不斷上升，所以充電器溫度也不斷升高，該階段的后期（達到總充電量70%左右）越來越高的電壓容易造成充電器的元器件被擊穿形成短路電流，進而引發火災。所以該階段是引起火災危險性不斷上升的過程。蓄電池的放電深度越深該階段持續時間越長，放電深度較深時該階段可持續5～7小時。

恒壓充電階段是指到隨著恒流充電的進行，蓄電池的電壓逐漸上升到某個設定的恒壓值時，充電器開始以恒定的開關電源的輸出電壓進行充電的階段，該階段的充電電流隨著蓄電池電壓的上升而不斷減小。恒壓值一般設定為在44.4V～44.8V范圍內。恒壓充電階段為恒定高電壓，總體的火災危險性較高，但隨著充電電流不斷下降，引發火災的危險性有所下降，該階段持續時間約為兩小時。

降壓浮充階段是指隨著恒壓充電階段的進行，蓄電池基本充滿（恒壓充電階段蓄電池的電量達到總充電量約90%），電池的充電電流逐漸下降到200mA～300mA左右時，充電器自動降低開關電源的輸出電壓到較低的恒定值，并保持輸出電壓恒定繼續充電的階段。降壓浮充階段的充電電流繼續逐漸減小，該階段持續約2～3小時，直到完全（100%）充電狀態。

鉛酸蓄電池充電完成后，充電電流保持在幾十毫安甚至幾毫安以下，因市面上的大部門三段式智能充電器不具備電池飽和自動斷電功能，因此蓄電池將一直保持在過充電狀態直至被人工斷開。

研究發現，當鉛酸蓄電池充電量達到總量的70%～90%階段引發火災的危險性最高，即從恒流充電階段轉為恒壓階段之前1個小時開始到恒壓充電階段結束的這段時間，系統一直保持在高電壓、大電流狀態，最易引發短路導致火災。該時間段一般為充電開始后的第5～8小時。假定居民開始充電的時間為晚上6時，則最易引發火災的時間段為11時至凌晨3時。另一個火災高危時段為過度充電階段，過度充電容易造成極板碎裂和脫落，這些活性物質的顆粒落到電池底部，容易造成短路，同時過度充電也大大地增加了電池發熱和失水。過度充電階段發生在充電10小時以上的時段。

二、鉛酸蓄電池充電過程起火機理

（一）鉛酸蓄電池熱失控引發火災

熱失控是指鉛酸蓄電池的電流和溫度發生累積的互相增強的作用，并導致蓄電池的損壞的過程。充電過程的電化學反應釋放熱能和充電電流的形成的電池發熱共同導致熱量集聚，當熱能發生速度大于蓄電池的熱耗散速度時，蓄電池溫度上升超過環境溫度；蓄電池溫度升高會導致充電電流增加，這又引起蓄電池溫度升高，繼而發生惡性循環，最終導致熱失控。蓄電池熱失控容易造成電池槽體軟化故障、電池殼體破裂或者極柱密封不嚴，導致內部電解液漏出形成電池正負極間外部短路進而引發火災。鉛酸蓄電池熱失控導致火災的案例較少，而鋰電池發生熱失控導致火災事故的情況較多。

（二）鉛酸蓄電池內部短路起火

鉛酸蓄電池的最小單元為電壓2V的單格電池，數個單格電池串聯成到所需電壓的蓄電池，如12V電池由6個單格電池通過導線串聯而成。單格電池主要的組成部分包括正、負極板、電解液、隔板、電極、殼體等。鉛蓄電池的內部短路指鉛蓄電池內部單格電池的正負極群之間發生連接、觸碰。造成蓄電池內部短路的原因較多，其主要原因有：①隔板質量不好或缺損，使極板活性物質穿過，致使正、負極板虛接觸或直接接觸。②隔板竄位致使正負極板相連。③極板上的活性物質脫落后沉淀在電池的底部形成“導電層”，“導電層”厚度增加至接觸到正、負極板的下緣時，導致正負極板相連。④蓄電池密封不嚴，正負極板因外來導電物體進入二發生相連。⑤焊接極群和裝配時有“鉛流"”“鉛豆”殘留在正負極板間，充放過程導致隔板破損形成正負極相連。電池在使用和充電過程中因以上等原因導致內部短路，致使電池溫度迅速升高，誘發熱失控、最終可能導致起火、爆炸。

（三）過充電導致析氫爆炸

鉛酸蓄電池以硫酸水溶液作為反應物直接參與電池反應，這使得蓄電池在熱力學上是不穩定的，而且蓄電池的單格開路電壓 2V 遠高于水的分解電壓 1.23V，只是由于化學動力學（反應速率慢）原因負極鉛上析氫的過電位很高，才得以做成蓄電池，但是充電過程水分解反應產生氫氣是不可避免的。鉛酸蓄電池過充電會大大地增加了電池發熱和加快水分解反應析出大量氫氣，并造成電池失水。endprint

當充電過程的電化學反應持續電解水產生大量氫氣并不斷地釋放，蓄電池中或空氣中的含氫量累積至爆炸極限（H2占混合氣體體積的4%～74%）時，遇到點火源就會形成爆炸。當存在以下情況時蓄電池的爆炸幾率大幅上升：①過充電。②蓄電池內部極柱、穿壁焊等處存在虛焊點。③充電電流過大。

正常的充電過程中，如果蓄電池存在排氣孔堵塞問題，鉛酸蓄電池負極析出的大量氫氣會先造成電池爆裂，爆裂引起蓄電池震動，極柱接線不牢產生火花，從而形成氫氣爆炸，引發火災等安全事故。

（四）充電器電路老化、磨損導致短路

較多的使用者選擇隨車攜帶充電器，長期使用和電動車行進時的顛簸會造成充電器線路的老化、磨損，充電時其電路及插接件容易形成短路并起火。此部分短路原因包括以下3個方面：一是由于老化、纏繞、拉扯等原因造成絕緣層損傷形成充電器電源線、輸出線短路；二是因連接方式不當，線路受擠壓、扭曲變形、磨損等原因造成絕緣層龜裂、導體裸露形成蓄電池組內單個蓄電池之間線路短路；三是插頭插座處發生短路。

（五）充電器內部故障導致充電回路短路

電動車充電回路包括插頭、電源線、充電器、充電器輸出線及充電插座、插座與蓄電池連接線、蓄電池端子之間的電氣線路和電氣元器件。充電示意圖如圖2所示。

充電器主要由整流濾波電路、高壓開關、電壓變換、恒流、恒壓及充電控制等幾個部分組成。整流濾波電路的用途是將市電交流220V電壓轉變為直流300V左右電壓，通過高壓開關電路及電壓交換，產生充電式所需的低壓直流電壓，再在充電控制后對蓄電池充電。恒流、恒壓充電控制電路的作用是保持充電時電流、電壓的穩定，以免損壞蓄電池。充電器工作原理框圖如圖3所示。

鉛酸蓄電池大多使用三階段充電器，充電器外殼采用阻燃塑料等，內部元器件自身可燃物較少，所以充電器本身起火的幾率較少。但是充電器的內部元器件容易出現故障，極易引發充電回路短路起火。充電器常見故障有保險絲熔斷，整流二極管被擊穿，電容鼓包，其中?整流二極管，電源濾波電容、開關功率管、電源管路芯片屬于易損件，長期使用時損壞的概率可達95%以上。

1.充電器故障導致220V輸入電路短路。充電器的輸入電路工作在高電壓、大電流的狀態下，整流三極管、濾波電容、開關功率管等容易被擊穿，導致輸入端電路出現短路電流，造成220V輸入電路短路起火。但是市場上正規的充電器在輸入端大多配備有速斷保險管，交流電源側電線短路后會造成速斷保險管切斷大電流，或者220V外電路斷路器動作，可以較好的避免220V輸入電路起火。

2.充電器故障導致55V輸出電路短路。電動車充電器其他較易損壞的元器件包括輸出整流部分的整流二極管、保護二極管、濾波電容、限流電阻等。如果元器件被擊穿導致短路，蓄電池就會通過輸出線路向充電器放電，此時蓄電池持續釋放的短路大電流會確定的導致充電器與蓄電池之間的線路起火。目前市場上的絕大多數充電器沒有在輸出端安裝速斷保險管，一旦充電器該部分元器件故障后極易導致輸出電路短路。輸出電路短路后最先起火的地方一般是蓄電池的兩個端子位置，因為電動車行駛運動過程造成輸出電纜與蓄電池端子鏈接處松動導致接觸電阻過大，短路的大電流導致該處位置往往先起火，繼而擊穿連接線絕緣皮起火。市場上較多的電動車在設計時將鉛酸蓄電池設置在車座附近或下方，車座一般采用海綿、皮革等易燃、可燃物制成，故蓄電池的兩個端子位置起火后會迅速引燃車座、蓄電池殼和車后部的塑料外殼，導致火勢快速蔓延。

（六）充電回路之外電氣線路起火

根據電動車電氣控制圖（圖4）可知，在關閉電動車電源總開關（電門鎖開路）后，蓄電池與控制器之間（A）、控制器到電源總開關之間的線路（B）、連接防盜器的線路及聲光報警裝置仍處在帶電狀態（C），仍有可能引發電氣火災。

鉛酸蓄電池把電能提供給控制器和轉換器，電能從控制器和轉換器出來到電機、轉把和功能電路。連接轉把和功能電路的連接線都屬于信號線，流過的電流非常小，即使發生短路也不會有很大的能量釋放出來，危險性很小；連接電機線路發生短路危險性也不大，因為此處的電壓是經過控制器出來的，一旦發生短路，最多把控制器燒壞，然后停止工作，且電機附近可燃物比較少。而圖中 A、B 兩線因保持在高壓狀態，線路發生老化、磨損時最易形成短路引發火災。A、B線路短路后最先起火的地方一般也是蓄電池的兩個端子位置，原因同上。

三、鉛酸蓄電池電動車充電過程預防火災的技術措施

根據鉛酸蓄電池充電過程起火機理，建議采取阻燃的電線、正確位置安裝5A速斷型保險管，合理布局蓄電池位置等技術措施，從而防止火災發生。預防鉛酸蓄電池電動車充電過程中發生火災，建議采取以下技術措施：

（1）建議充電器的插頭、220輸入電路、輸出電路以及蓄電池與控制器之間、控制器到電源總開關之間的線路強制采用礦物絕緣電纜，防止短路后起火。

（2）建議電動車出廠時在220輸入電路、輸出電路和電池連接線上均安裝5A 速斷型保險管。根據浙江某馳名電動車廠家的實踐，該單位的鉛酸蓄電池系列電動車在以上線路改用礦物絕緣電纜并安裝5A 速斷型保險管后，充電過程短路引發火災事故率可下降90%以上。

（3）電動車輸出電路、蓄電池與控制器之間、控制器到電源總開關之間的線路短路后最先起火的位置為蓄電池的兩個端子位置，而較多電動車的蓄電池安裝在可燃物較多的車座位置，客觀上加快了短路起火后的火勢蔓延速度。所以建議蓄電池端子位置采取防火保護措施，并合理調整蓄電池的安裝位置，避開可燃物較多的部位。

（4）建議充電器設置充電飽和后自動斷電功能，防止過充電應發蓄電池熱失控和析氫爆炸事故發生。

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