電動兩輪車電池充電安全風險分析

薛宇 龔皓 諸葛相麗

摘 要：充電泛指使用市電（交流220V）給電動兩輪車所用的電池進行充電，把電網(wǎng)的電能轉變?yōu)榛瘜W能。本文從電動兩輪車使用及充電入手，對三段式充電過程進行了技術分析，對鉛酸電池和鋰離子電池的充電安全事故，特別是發(fā)生熱失控的原因進行了剖析，介紹了智能判斷、二次回路反饋設計、外殼阻燃等強化充電安全措施，展望了充電的發(fā)展方向和安全管理措施。

關鍵詞：充電過程，安全事故分析，改進措施，發(fā)展方向

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.035

電動兩輪車主要包含電動自行車和電動摩托車（含電動輕便摩托車）兩大類。所使用的電池基本上以鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池為主。世界上其他國家的電動兩輪車是作為休閑娛樂工具，我國的電動兩輪車一般是作為交通工具。所以電動兩輪車使用者要求我國的電動兩輪車能跑得快、走的遠。據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年電動自行車社會保有量為3.2億，新增電動自行車3500萬輛、電動摩托車3000萬輛，年出口電動兩輪車360萬輛左右。電動兩輪車用鋰離子電池產(chǎn)量75GWh。電動兩輪車用鉛酸蓄電池產(chǎn)量130GWh。電動兩輪車鋰離子動力電池主要是錳酸鋰電池、三元電池、磷酸鐵鋰電池。

電動兩輪車所用的電池，主要是鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池。近年國家在積極推行電動自行車3C認證，以及輕量化、鋰電化，所以鋰電車占比也逐年提高。截止2022年初，電動兩輪車所用電池，鉛酸蓄電池總占比為75%，占新增的65%；鋰離子蓄電池總占比為25%，占新增量的35%。相對而言，鋰離子蓄電池價格更貴一些。

1 充電過程分析

常見的充電方法分為三段式、脈沖式、恒流式等。但電動兩輪車電池通常使用三段式的充電方式。典型的三段式充電分為恒流充電階段、恒壓充電階段、涓流充電階段，恒流充電階段大約充入總充電量的80%，也稱為高效充電階段，恒壓充電階段大約充入總充電量的15%，也稱為高壓充電階段，涓流充電階段則進行最后的補充電。以市面上最常見的4820型充電器的充電過程為例，在恒流充電階段，保持3A左右的恒定直流電流，被充電電池組的電壓從42V逐步充到58V左右，切換到恒壓充電階段，此時充電器輸出的直流電流不再恒定，開始慢慢下降，充電電壓則上升到59V左右并保持恒定，當直流充電電流逐步減小，達到550mA左右時，切換到涓流充電階段，此時充電指示燈由紅色轉為綠色后，充電器使用52V左右恒壓和50mA以下的小電流對電池進行最后的補充充電[1]。充電過程曲線圖如圖1、圖2所示。

脈沖式充電過程，主要包含預充、恒流充電和脈沖充電三個階段。脈沖式充電的好處是，在充電過程中可以即時消除電池電極的極化電壓，縮短充電總時間，但同時也存在充電電流大、發(fā)熱大、電池容易失水的問題，故采用不多。但在二級市場對舊電池組的維護中，由于通過脈沖可以去除部分電極上的結晶，據(jù)有一定修復作用，常常被采用。恒流式充電其實就是三段式的第一段，現(xiàn)在很少采用。

2 安全事故分析

據(jù)統(tǒng)計，2 021年全國共發(fā)生電動兩輪車火災1. 8萬余起，安全風險突出，充電階段占55%，其中鋰離子電池充電是事故發(fā)生的重災區(qū)。分析充電事故產(chǎn)生過程（以4820充電器為例），第一，由于充電器邏輯設計，從恒流充電轉為恒壓充電的切換條件為電池組端電壓達到58V。例如4 8V電池組，鉛酸電池是由4塊12V單體電池，單體電池由6個2V的電池單格組成。鋰離子電池則由12串（三元電池，單體電池電壓3.7V）、13串（鐵鋰電池， 單體電池電壓3.2V）組成，單體電池電壓在充電過程中，正常情況下，逐步由低電位充到高電位，整個電池組電壓也應達到58V。但是實際充電時可能發(fā)生意外，發(fā)生某一單體電池損壞、短路等原因，那么串聯(lián)其中的一個單體電池電壓2V/3.2V/3.7V就會降為很低的電壓，造成由每個單體電池電壓串聯(lián)累計的電壓值就可能達不到恒流階段-恒壓階段切換電壓，由于充電器邏輯判斷，一直未達到切換電壓，就一直使用大電流對電池組進行恒流充電。長時間就會導致電池組發(fā)生過充，輕則引起電池失水鼓漲、重則可能發(fā)生燃燒等事故。理論上鋰離子電池組還有BMS保護系統(tǒng)，但是如果后期非專業(yè)改裝或者維修，使得BMS設置的保護電壓、電流值過高，不能起到保護作用，則極易造成充電安全風險，由于鋰離子電池的膈膜薄、內(nèi)阻小，有可能出現(xiàn)爆燃事故；第二，冬天和夏天的溫度也相差很大，即使正常充電，采用同樣的充電程序、電流、電壓、切換電壓等參數(shù)設計，由于電池對溫度比較敏感，本身就可能發(fā)生冬天充不滿，夏天充鼓漲的情況，也存在一定的充電安全風險；第三，由于惡性競爭，一味降低成本，造成充電器設計不合理，一旦發(fā)生內(nèi)部短路時，產(chǎn)生的現(xiàn)象是，充電器輸出端電壓突然升高，從最大57V的輸出電壓，可能突然階躍到100V以上，直接造成被充電電池組的短路，造成充電事故。研究結果表明，鋰離子電池的能量密度每增加1kWh/kg，熱失控的觸發(fā)溫度將隨之降低0.42℃。

可見高能量密度電池（鋰離子電池）相比普通電池（鉛酸電池）更容易發(fā)生熱失控現(xiàn)象。電池的熱失控是指由于電池發(fā)熱與散熱之間的平衡失控所引起的。通常由電池組成的材料在高溫下的分解和相互反應所導致。熱失控的過程包括以下幾種反應：第一，固體電解質間相分解。第二，陽極活性物質與電解液的反應。第三，電池電解液分解。第四，陰極活性物質與電解液發(fā)生反應。特別是熱失控剛開始時，電池陽極材料表面的SEI分解，這個過程中會產(chǎn)生部分的氧氣和可燃氣體，很可能會發(fā)生燃燒。如果電池組沒有成熟的電池安全結構設計，就可能引發(fā)充電安全事故。

3 強化充電安全措施

針對目前三段式充電的技術特點，分析充電過程事故的產(chǎn)生原因，為了進一步強化充電安全管理，提出了技術改進方法。第一，進行充電過程熱失控管理，對三段式充電的恒流-恒壓充電階段的切換條件，電池組端電壓達到切換電壓值不再作為唯一的切換條件，增加充電過程充入電量的監(jiān)控，利用充電器芯片運算，從恒流充電開始時，就即時檢測充電的電壓、電流、時間，采用電流對時間積分的運算，即時累積計算充入電池組的電荷量，智能判斷電池是否已充滿。以4820電池組為例，當充入電量累積達到1.2C（電池組額定容量的120%）時，就算未達到切換電壓，充電器也要智能判斷停止恒流充電，防止電池過充產(chǎn)生危險。在恒壓充電和涓流充電階段，則設計成當時間達到足夠長時，設置為4小時左右，也要智能判斷停止充電[2]；第二，在充電器的二次回路增加反饋線路設計，要求跨接一次、二次回路的電容器須使用二個以上電容串聯(lián)，跨接光耦質量更要好，設計要求當一次回路與二次回路萬一發(fā)生短路時，一次回路的電壓不會串到二次回路，造成充電器輸出電壓急劇升高，這樣可以減少發(fā)生充電事故的概率；第三，電池組和充電器的外殼材料，常常采用ABS材料，阻燃等級從V1級提高到V0級，這個改進成本增加不多，但阻燃效果明顯提升。

4 發(fā)展趨勢

充電過程數(shù)據(jù)通訊、智能化、綠色環(huán)保是發(fā)展的大趨勢。技術法規(guī)逐步要求電池組要具備電源管理系統(tǒng)（目前鋰離子電池均已經(jīng)安裝BMS），讓電動兩輪車、充電器、電池組都增添“智慧大腦”，就給充電過程提供了安全保障的基礎，充電開始前，充電器先與電池組進行通訊握手，充電器獲得電池組的電池性質、電池組串數(shù)、額定電壓、電流、滿電狀態(tài)等技術參數(shù)。充電過程中，即時把充電時電池組的溫度、充電電流、累計充入電荷量等信息發(fā)送給充電器，由充電器進行智能判斷，選擇適應的充電階段、動態(tài)調整充電參數(shù)，實現(xiàn)按需充電。盡量避免出現(xiàn)過充、鼓漲、燃燒等充電事故。同時，針對電池充電夏天易過充鼓漲、冬天充不滿的問題，引入溫度補償?shù)母拍睿尦潆娖鞲鶕?jù)充電環(huán)境溫度，對充電電壓參數(shù)自動進行微調，或者根據(jù)具體電池熱線采用預置溫度-電壓充電曲線圖，進行個性化充電。最后，設計符合電磁兼容要求的充電器，充電過程盡量減少對外界輻射，增強充電過程抗外界干擾的能力，實現(xiàn)充電過程綠色環(huán)保。

參考文獻

[1]薛宇，秦婷，張緒芳.充電器國家標準中充電參數(shù)的規(guī)定和分析[J].中國自行車，2022（11）：106-107.

[2]國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標準化管理委員會：電動自行車用充電器技術要求：GB/T 36944-2018[S].

作者簡介

薛宇，本科，教授級高級工程師，全國鉛酸蓄電池標準化技術委員會委員（SAC/TC 69），主要從事電動自行車、電池、充電器等電子電器產(chǎn)品的檢驗、認證、標準化工作。

龔皓，碩士，高級工程師，主要從事電動自行車、電池、充電器等電子電器產(chǎn)品的檢驗管理、認證、標準化工作。

諸葛相麗，碩士，工程師，主要從事電動自行車、電池、充電器等產(chǎn)品的檢驗管理。

（責任編輯：張瑞洋）