移動電源風險評估及安全分析

楊亦洲 田 鵬 朱昊天

（江蘇省電子信息產品質量監督檢驗研究院（江蘇省信息安全測評中心）、國家物聯網產品及應用系統質量監督檢驗中心 無錫 214073）

引言

移動電源是由電池或電池組、相應的電路及外殼組合而成，可以提供穩定直流輸出的非固定電源系統[1]，并且可由人隨身攜帶，具有儲存電能的器具。目前，隨著電子產品的迅猛發展，產品的小型化，便攜化趨勢更加明顯，但電池的技術近年來相對發展穩定，沒有顯著的突破，僅靠低功耗的設計延長產品續航能力是有限的，因此外置移動電源成為了解決續航能力的最佳解決方案之一。

我國作為世界上最大的移動電源制造國和消費國，每年占全球移動電源總產值的近70 %，然而市面上銷售的移動電源價格差異巨大，質量參差不齊，部分銷售的移動電源無任何產品相關的測試和認證，這讓產品安全性、可靠性成為了隱患。

1 移動電源風險評估

移動電源失效的現象主要表現為漏液、泄氣、破裂、起火和爆炸，造成失效的原因有很多，主要原因有電池芯品質不過關；保護電路和控制部分設計不合理、電路部分采用劣質芯片和材料導致控制異常；外殼、印制板和導線未采用阻燃材料導致發生異常時不能起到二次防護的作用；標識不明確或不標識容易引起消費者的誤解。

1.1 電池芯

目前市面上銷售的移動電源一般采用鋰聚合物電池或鋰離子電池，鋰聚合物電池和鋰離子電池的主要區別在于電解質的不同，鋰聚合物電池使用的是凝膠電解質或固態電解質，鋰離子電池使用的是液體電解質。鋰離子電池在過充電、常溫外部短路、高溫外部短路或強制放電等情況異常情況發生時，電池芯內部可能出現內部能量急劇導致溫度急劇升高、材料分解和氧化、封裝撕裂等現象，從而導致電池芯內部膨脹和內壓加大，當壓力達到極限后就可能出現起火或爆炸等現象。因為聚合物鋰離子電池采用了凝膠電解質或固態電解質，這類電解質不會因為劇烈高溫而產生氣體，從而降低了起火或爆炸的幾率。雖然聚合物鋰離子電池的安全性、極限工作條件、工作壽命與綠色環保上比鋰離子電池有優勢，但成本過高，因此在市場上大多數廠家還是采用鋰離子電池。

1.2 升壓模塊、保護電路板和BMS

升壓模塊決定了移動電源的轉換效率和給設備供電的電壓穩定性，升壓模塊通常通過IC芯片升壓和穩壓，通過升壓電路進行電路輸出，正常情況下升壓后的轉換效率在80 %左右。保護板通常分為硬件式保護板和軟件式保護板，硬件式保護板通常采用專用電池保護芯片，當電池芯電壓達到保護值時MOS管切斷充電回路或放電回路，部分廠家還采用熱電偶采集溫度進行溫度保護，這也是大多數廠家所采用的的保護方式，該保護方式的缺陷在于只能實現過充點和過放電保護，部分能夠實現過流保護和反接保護，且保護閥值是不可更改。軟件式保護板目前在移動電源中應用較少，主要在戶外使用的環境下才會采用，涉及到通訊保護、啟動電源保護，觀察保護等。由于常見的移動電源功能單一，因此很少有移動電源采用BMS。

1.3 材料和組裝

移動電源的組裝部分除了電池芯和保護電路及升壓模塊外，還包含了外殼、印制板和絕緣材料，這些阻燃性材料等級應不低于V-1級。鋰離子電池或電池組應滿足GB 31241-2014標準規定的相關要求。對于模壓和注塑成形的熱塑性外殼的結構應能保證外殼材料在釋放由模壓或注塑所形成產生的內應力時，該外殼材料的任何收縮或變形均不會暴露出內部零件[1]。

1.4 標識

標識是市面上移動電源最容易出現問題的項目，標識是用戶對移動電源產品了解的最直接來源，標識的不正確、不明確、不清晰很容易對用戶造成誤導，導致危險。移動電源的本體上應該用中文引導語或其他明確方式標識移動電源名稱、型號；制造商名稱、商標或識別標志；額定輸入電壓電流、額定輸出電壓及電流。額定容量，商家經常用容量和電池芯容量來混淆額定容量的概念，誤導消費者。電池或電池組種類及額定能量，額定能力可以幫助用戶判斷該移動電源是否符合民航攜帶的要求。多輸出端口是經常出現未標識或標識不明確地方，需標識同檔輸出電壓的總電流值，而且在每個輸出端口的明顯處應該標識該端口的額定輸出電壓及電流。

2 移動電源安全分析

移動電源作為信息類產品的一分部分，需要滿足GB 4943.1-2011的標準要求，由于移動電源的特殊性，還需要滿足GB/T 35590-2017的標準要求。但目前市場上除了品牌影響力較大的企業之外，絕大部分小微企業都未在移動電源本體上標注滿足GB/T 35590-2017的要求，甚至有一些企業標錯了標準號，可以看出部分企業對標準名稱都不熟悉更何況標準的執行力。部分企業為了削減研發成本，模仿其他家產品的方案，過于追求快速充放電，無線充電，大容量，多端口輸出能吸引眼球的指標，而不重視滿足這些指標的同時，存在的安全隱患，未對產品進行合理的測試驗證。有些企業為了惡性競爭和利潤，甚至不采用保護電路，購買灌有泥沙的廢舊電池芯。針對上述的現象，本文對移動電源容易出現安全隱患的部分進行分析和詳解。

2.1 常溫下的有效輸出容量及轉換效率

常溫下的有效輸出容量要求不低于額定容量，也就是移動電源的世紀有效輸出容量。以常見的20 000 mAh為例，20 000 mAh實際是電池芯的容量，電池芯通常額定電壓為3.7 V，而移動電源的輸出端口為5 V，通過公式（1）可得，實際利用到的移動電源能量理論最高達74 %，當用該移動電源給設備充電時，存在電路轉換損耗、內阻損耗、電壓損耗、運行損耗、供電損耗等。升壓電路采用臺灣芯片正常可達85 %，美國芯片可達85～90 %，國產芯片可達80～85 %。通常升壓轉換效率可以達到80 %，也是標準規定值，所以20 000 mAh的電池芯容量最終到達終端設備的能量大概為12 000 mAh。市面上很多小微廠家用電池芯容量作為額定容量，偷換概念，夸大充電能力，但用實際不能滿足用戶的需求，存在容量虛標，轉換效率低下的現象。

式中：

R—額定值；

C—容量；

U—電壓。

2.2 常溫外部短路

常溫外部短路是模擬電池芯單一故障的狀態，針對鋰離子電池，由于正負極短路，電池放電電流過大，使得電池芯內部溫度急劇升高，高溫會破壞電池芯內部的隔膜，從而造成內部短路造成更大的短路現象，造成了不可逆的氣體，致使電解液在高溫下迅速揮發成氣體，導致電池芯內部壓力過大，當電池芯在泄壓機能失效的情況下會導致爆炸和起火的現象。由于軟包鋰離子電池對材料的要求相較于圓柱形電池要高，因此軟包鋰離子電池也是日常試驗中失效率較高的鋰電池封裝形式，軟包鋰離子電池短路導致失效的可以從正/負極活性材料、電極配比、電解液和制造工藝等多個方向來分析，從而提高電池對瞬態大電流和短路時高溫的極限能力。降低極耳內阻可以有效減少熱量的產生和積累，及對封口區的熱沖擊，挺高鋁塑封裝強度，降低失效的概率。

2.3 過充電

過充電主要是對電池芯在過壓過流的情況下的一個安全極限測試，也是日常測試中失效率較高的一個項目，該項測試主要考核的是保護失效后電池芯在面對極限的條件下是否會導致危險，如果出現了極端情況是否能夠釋能。目前的在新版便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求討論稿中對過充電的測試條件較以前要寬松，測試條件劃分更為細致，因此該條款需要在新標準推出后通過測試的驗證來考核對電池芯的測試嚴酷程度。

3 結論

造成移動電源存在安全隱患的原因有很多，但主要原因有以下幾點：

1）市場監管力度不夠，目前含有鋰離子電池或電池組的信息技術或音視頻類產品，在進行強制性認證時，鋰離子電池或電池組必須通過自愿性認證或者按照相應的標準進行考核通過后才可投入市場，而帶有移動電源一起銷售的信息技術或音視頻類目前市面上幾乎沒有。移動電源屬于自愿性認證的范疇，沒有得到相應的重視，這也是GB/T 35590-2017標準普及度不夠的重要原因之一，這也導致了企業對標準的執行力低下。

2）消費者群體對產品認知不夠，由于移動電源的安全宣傳力度不夠，導致普通消費者對移動電源安全問題的忽視，往往將目光放在價格低，容量大，充電塊，體積小[2]等方面，這給部分企業有了可乘之機，通過消費者的心理肆意夸大產品性能，通過一些輔助功能博人眼球，混淆視聽，蒙蔽消費者[2]。

3）執行標準部分項目方法不明確，GB/T 35590-2017標準的部分條款在方法和判斷上存在不明確的情況，導致在市場抽檢的時候，一些不合格廠家通過對標準中模糊的定義來進行辯解，例如：輸出電壓、紋波和雜訊中未明確規定放置10 min后測量的數據是待載測量還是空載測量。