電動自行車充電電氣安全技術分析

周瑞陽

（廈門市九安安全檢測評價事務所有限公司，福建 廈門 361000）

近年來，電動自行車作為一款新型交通工具，具有價格低、使用便捷、易于維護的顯著優勢，贏得了消費者的廣泛青睞，而電動自行車的節能環保屬性也與我國可持續發展、節能環保的戰略理念相契合，電動自行車年銷售量與市場保有量逐年穩步增加。然而，在電動自行車充電期間卻存在安全隱患，充電起火事故時有發生，造成了嚴重的經濟損失。在這一背景下，必須加大對電動自行車充電電氣安全技術的研究，有效改善電動自行車使用體驗，提高電動自行車充電安全。

1 電動自行車充電起火問題

1.1 形成原因

根據實際應用情況來看，在電動自行車使用期間，充電起火問題的形成原因包括線路短路、插件接觸不良、充電器故障、蓄電池故障4 個方面。（1）線路短路。電源線在使用期間逐漸出現老化現象，如果電源線到達設計壽命后繼續使用、長期處于復雜運行環境，或是存在線路纏繞、拉扯等情況，都有可能損壞線路絕緣層，進而出現短路故障，導致線路超溫和向外釋放電弧。（2）插件接觸不良。當前，絕大多數電動自行車都選用黃銅材質插件，通過冷鉚壓合工藝把插件與電氣部件相互連接，如果插件本身存在安裝不牢固等質量問題，或是在電動自行車使用期間出現插頭未完全插入插座、插件遭受外力碰撞等情況，都會影響插件接觸效果，進而出現電阻增加、局部過熱超溫、短路等電氣故障，引發電氣火災事故。（3）充電器故障。充電器長期處于高負荷運行狀態，致使元器件老化速度加快，有可能出現擊穿電源開關管、短路等故障問題。以常見的開關電源式充電器為例，由開關電源和檢測電路組成，使用期間出現擊穿開關管故障或是擊穿高壓端整流二極管故障后，將會在電源回路內形成短路電流，最終引發電源側線路起火事故。（4）蓄電池故障。早期型號電動自行車產品的蓄電池不具備自動斷電功能，如果使用者在充滿電后未及時斷開電源，則蓄電池將持續處于充電狀態，隨著時間推移，部件老化速度加快，最終出現正負極板變形、蓄電池短路等故障問題，存在安全隱患。同時，如果充電器與蓄電池組互不兼容，在充電期間也有可能出現電阻電容燒損、輸出電壓超標、蓄電池爆炸等問題。

1.2 危害后果

相比新能源汽車、燃油汽車、自行車等其他交通工具，電動自行車的故障率與火災事故發生率偏高，容易在停車棚等區域發生電氣火災事故，造成嚴重經濟損失，偶爾出現人員傷亡。根據我國應急管理部消防救援局調查數據顯示，2022 年1 ～3 月，全國共發生3777 起電動自行車火災事故，同比上升35.9%，遠超過其他交通工具的火災平均增長幅值，而過度充電、電池單體故障是引起火災事故的主要原因，所占比例分別為62.1%與23.5%。簡單來講，當前面臨著嚴峻的電動自行車充電安全形勢，并對我國電動自行車行業發展造成了阻礙。

2 電動自行車充電電氣安全技術的應用策略

2.1 加裝線路保護裝置

為預防充電線路在工作期間出現短路、超溫、斷路等電氣故障，安全完成充電任務。需要在充電線路上加裝保護裝置，常用裝置包括熔斷器、空氣開關、防火限流保護器、電壓保護裝置。（1）熔斷器起到了電流保護作用，可配備速斷型保險管，如果熔斷器上流經電流值超過安全閥值，則憑借電流所釋放熱量來熔斷保險管，切斷電路，后續待故障處理完畢后更換全新保險管即可，避免充電線路出現過電流與超溫運行故障。（2）空氣開關也被稱為空氣斷路器，使用功能可熔斷器較為相似，布置在蓄電池通向控制器主回路上，負責在電動自行車充電期間持續監測電路電流值，如果實時電流值超過額定電流，可以自動斷開電路、停止充電。（3）防火限流開關具備瞬間切斷短路電流的優勢，憑借半導體內部載流子運動來展開斷開動作，切斷電流時不會產生電弧，而傳統空氣開關的分段時間較長，普遍在30 ～50ms。（4）電壓保護裝置以控制充電線路電壓值為功能定位，提供過電壓保護與欠電壓保護。在電動自行車充電期間，無論是線路電壓峰值超過最大穩態電壓峰值，還是實時電壓值低于最小電壓限定值，都會立即開展保護動作，并在線路恢復到足夠電壓后重新投入電動機，繼續充電過程。

2.2 選用新型電源插頭

為避免因插頭插座接觸不良而出現插頭超溫等運行故障，需要在電動自行車上配備新型的電源插頭，具體使用防脫插頭、防水插頭2 種：（1）防脫插頭。在電源插頭和插座兩側對稱設置插孔板與配套的插孔防護組件，由復位彈簧、防護推板、輔助推板等部件組成。用戶在電動自行車充電期間，如果沒有把插頭完全插入插座，將無法切換為充電模式，督促用戶完全插入插頭。同時，充電線路在中途遭受外部拉扯時，也可以有效預防插頭松脫問題出現，并在插頭輕微松脫后，利用插孔防護組件的吸附磁鐵來自動復位插座。（2）防水插頭。考慮到電動自行車充電環境較為復雜，如果用戶選擇在露天場所充電，插頭部位容易滲入水分，引發短路等故障出現。因此，需要配備具備防水功能的電源插頭，在插頭外部額外設置防護罩，由防護罩阻隔雨水進入內部，或是在插頭表面額外設置塑料護套，起到完全阻隔插頭與外部空氣及雨水的作用。

2.3 智能充電

對于選用公共充電樁進行充電的用戶，為徹底解決電動自行車過度充電的問題，預防電池短路故障與電池爆炸等安全事故出現。需要應用智能充電技術，持續檢測電池充電狀態，充滿電后立即斷電，或是更換其他電池繼續充電，智能充電系統結構由推送機構、機械臂、充電倉、調溫模塊4 部分組成。（1）推送機構。在裝置主體上布置導軌與固定連接電控伸縮機，在推送機構檢測到裝入電池組后，電控伸縮機通電向指定方向推送推動板，推動板經過導軌推送就位，把電池組放置在正確位置。（2）機械臂。具備升降功能，在基座上安裝伺服電控伸縮機，帶動升縮機穿過環形底板抵達基座部位，把電池組件放入充電倉內部。（3）充電倉。在底部中心部位設置單個或是多個充電接口，充電接口凸出底座，下方設置充電器，通過伺服電機、環形底板等配件把充電倉體旋轉就位，保持充電倉充電接口與電池組件電源接口連接狀態，進行充電，待傳感器反饋信號，或是電池組件閃爍綠燈后，再旋轉充電倉位置，自動實現充電與斷電功能。（4）調溫模塊。在基座內側設置電阻加熱器，周邊設置散熱風扇與溫度傳感器。在電池組件充電期間，由傳感器持續檢測工作溫度與環境溫度，工作溫度超標時啟動散熱風扇進行降溫，環境溫度偏低時，則啟動電阻加熱器來提升溫度，避免電池組件在高溫、低溫條件下出現運行故障。

2.4 創新電動自行車充電形式

早期型號電動自行車普遍采取有線充電方式，無論是充電效果還是電氣安全系數，都會受到外部環境、操作行為的影響，充滿不確定性，如用戶出現未完全插入插頭、拉扯碰撞充電線路等錯誤操作行為。同時，所使用充電線路隨著時間推移逐漸出現嚴重老化問題，絕緣性能被削弱，有可能出現絕緣失效、短路、超溫等運行故障，存在安全隱患。

因此，為徹底解決此類安全隱患，預防充電火災事故發生，需要創新電動自行車充電形式，由無線充電取代傳統有線充電形式，具體可采取電場耦合傳能、電磁感應傳能、無線電波傳能、磁共振傳能4 項技術。（1）電場耦合傳能。充電設備與電動自行車充電器二者采取非對稱偶極自來傳輸電流，此項技術有著充電轉換率高的優勢，但存在充電設備體積較大、功率偏低、充電速度慢的局限性。（2）電磁感應傳能。基于電磁感應原理，率先把電能轉換成磁場，后續憑借磁通變化手段向電動自行車輸送電能，有著建造成本低廉、充電設備體積小的優勢，但對充電距離有著嚴格要求，必須抵近安放充電設備進行充電，如果充電設備與電池組件間隔距離超標，則會出現充電中斷、無法充電情況，且在充電期間會產生明顯電能損耗。（3）無線電波傳能。提前把微波轉換為電能后持續輸送給電池組件，有著傳輸距離遠、傳輸過程穩定性強的優勢，但根據實際應用情況來看，電能傳輸功率偏小，普遍保持在100MW 左右，需要較長時間完成電動自行車充電任務。（4）磁共振傳能。要求用戶把充電設備與電動自行車充電器二者調節到相同諧振頻率，利用變化磁場來形成電場，持續把發射端能量傳遞給接收端。此項技術具備范圍充電和遠距離充電條件，可以在相同時間段內完成多臺電動自行車的充電任務，但傳輸損耗量較高，在充電期間會消耗過多電能。

2.5 蓄電池防篡改

電動自行車本質上屬于一類非機動車交通工具，為保證交通安全，我國在《電動自行車安全技術規范》，明確規定電動自行車蓄電池最大標稱電壓不得超過48V、整車質量不超過55kg。然而，部分用戶為增加電動自行車續航里程，選擇私自篡改蓄電池容量，或是安裝其他型號蓄電池。在電動自行車充電期間，由于蓄電池與充電器互不兼容，或是蓄電池本身存在質量問題，更容易出現充電故障和引發火災。因此，需要應用到蓄電池防篡改技術，一方面，在電動自行車出廠前做好質量檢驗工作，產品質量必須完全符合現行規范要求，如蓄電池固定安裝在電池組盒內部、電池組件與盒體保持尺寸匹配狀態、蓄電池與盒體側壁間隙值不得超過30mm、禁止預留擴展車載蓄電池接口與外設蓄電池托架。另一方面，明確電動自行車通信協議標準，搭建蓄電池數字身份追溯機制，提前在系統內建立蓄電池臺賬，存儲蓄電池標準編號、適配車輛、標準容量等信息。在電動自行車使用期間，每隔一段時間或是在各次充電前，系統對蓄電池數字身份進行追溯認證，如果檢測到蓄電池容量超標，或是存在私自更換蓄電池等違規操作行為，遠程鎖定電動自行車充電功能。

2.6 電氣安全試驗

為避免因產品質量問題而在電動自行車使用期間頻繁出現電氣故障、出現充電起火安全事故，在電動自行車生產期間，制造企業必須嚴格遵循《電動自行車安全技術規范》（GB 17761-2018）規定要求，對電動自行車開展電氣安全試驗，根據試驗結果來判斷產品質量是否達標，試驗內容包括電氣裝置、控制系統、充電器和蓄電池。（1）對于電氣裝置。采取目視檢查與觸摸檢查方式來觀察導線布線情況是否無誤，檢查電池輸出端電路內是否安裝熔斷器或是斷路器等保護裝置，斷開動力蓄電池后使用耐電壓測試儀來檢測電氣強度是否達標。（2）對于控制系統，把電動自行車通電，依次檢測制動斷電、過流保護與防失控等各項功能是否得到順利使用。以過流保護功能檢測為例，把車輛放在地面上，保持驅動輪離地狀態，串聯直流電流表，并聯直流穩定電壓，驅動電動機運轉后握閘制動，同步檢查電流表測量數值，觀察電流跌落限值后判斷電動機是否斷電。（3）對于充電器，在輸出端接入滿電狀態蓄電池，保持額定電壓狀態，如果接入電池10min 后充電器未出現故障問題，則表明充電器質量達標。隨后，驗證防觸電保護功能，在充電器內放入試驗探棒，檢查防觸電保護功能發揮情況。（4）對于蓄電池，把電池組件充滿電后放置2h 以上，再使用直流電壓表來測量蓄電池電壓值是否超標，并對蓄電池匹配性能、預留擴展接口、電池組件和盒體側壁間隙值進行測量，判斷蓄電池是否經過篡改。

3 結語

綜上所述，為保證電動自行車的使用安全，有效控制與降低充電火災事故發生率，必須提高對充電電氣安全技術的重視，深入分析電動自行車充電起火原因，根據具體原因采取相應的技術措施。同時，要在實踐中不斷創新技術體系，將電氣安全技術融入電動自行車充電技術體系中，為我國電動自行車產業的發展保駕護航。