電動(dòng)自行車(chē)蓄電池及充電器起火原因分析

馮昌喜

摘要：隨著電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)保有量的增多，電動(dòng)自行車(chē)火災(zāi)數(shù)量也隨之增加，電動(dòng)自行車(chē)主要起火原因?yàn)樾铍姵丶俺潆娖鞴收稀Ｒ虼?，研究電?dòng)自行車(chē)蓄電池及充電器的起火原因非常重要，也能給后續(xù)火災(zāi)調(diào)查工作奠定一定的基礎(chǔ)。本文著重對(duì)電動(dòng)自行車(chē)鋰離子蓄電池及充電器起火原理進(jìn)行分析，找出可能引發(fā)火災(zāi)的故障原因和影響因素，并總結(jié)電動(dòng)自行車(chē)蓄電池和充電器火災(zāi)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē); 鋰離子蓄電池; 蓄電池充電器; 起火原因分析

1 ? 鋰離子蓄電池起火原因分析

鋰離子蓄電池在發(fā)生故障后或在火燒、高壓、高溫等極端條件下，內(nèi)部鋰離子受熱膨脹結(jié)晶，刺穿隔膜，造成短路，短路電流會(huì)使電池內(nèi)部溫度和氣壓急劇上升，最終使外殼破裂，造成漏液、起火和爆炸等嚴(yán)重事故。本文將鋰離子電池起火原因分析分為鋰離子蓄電池過(guò)充電起火分析、鋰離子蓄電池穿刺起火分析和鋰離子蓄電池短路起火分析。

1.1 ?鋰離子蓄電池過(guò)充電起火分析

一般情況下，鋰離子蓄電池組在外部會(huì)增設(shè)保護(hù)板，避免鋰離子蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電，同時(shí)防止短路電流和內(nèi)部溫度過(guò)高造成電池組內(nèi)部失控。但由于保護(hù)板質(zhì)量不過(guò)關(guān)、保護(hù)板與蓄電池不配套和電芯不一致性等原因，使得鋰離子蓄電池組在充電過(guò)程中仍可能出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象。根據(jù)《電動(dòng)自行車(chē)用蓄電池及充電器第3部分鋰離子蓄電池及充電器》（QBT2947.3-2008）中5.1.6.2規(guī)定，對(duì)充滿電的鋰離子蓄電池，放電電子保護(hù)電路后，以與安時(shí)量數(shù)值同等大小的電流充電1h后，鋰離子蓄電池應(yīng)不泄露、不爆炸、不起火。但鋰電池由于自身性質(zhì)原因，一旦發(fā)生過(guò)充電，會(huì)對(duì)電池內(nèi)部造成嚴(yán)重?fù)p害，極片上回散落針狀鋰金屬結(jié)晶，刺穿隔膜發(fā)生微短路，加劇了鋰電池自身的自放電，甚至造成短路，形成短路電流，使電池溫度急劇升高，電解液分解氣化，在這種情況下，電池溫度過(guò)高，內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體，并且鋰電池外殼被撐破，使空氣進(jìn)入，與鋰電池發(fā)生激烈氧化，最終燃燒爆炸，引發(fā)火災(zāi)。

1.2 ? 鋰離子蓄電池穿刺起火分析

根據(jù)《電動(dòng)自行車(chē)用蓄電池及充電器第3部分鋰離子蓄電池及充電器》（QB/T2947.3-2008）中6.1.2.10規(guī)定，鋰離子蓄電池在滿電狀態(tài)下，在20℃±5℃的情況下，從鋰離子蓄電池組中抽取單體電池，將一個(gè)直徑為3mm的鋼釘穿過(guò)單體電池的中心（對(duì)于方形電池穿刺必須在垂直于電池寬度的方向），并將鋼釘停留在電池內(nèi)部30s以上，要求電池不漏液、不起火、不爆炸。而目前電動(dòng)自行車(chē)鋰離子蓄電池能夠達(dá)到要求的電池組較少，很多情況下，鋰離子蓄電池大多不能滿足要求，同時(shí)在穿刺空洞形成后，內(nèi)部金屬氧化物接觸氧氣，導(dǎo)致形成氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會(huì)導(dǎo)致鋰離子蓄電池負(fù)極石墨粉末與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生明火燃燒現(xiàn)象。

在電動(dòng)自行車(chē)日常行駛過(guò)程中，一旦發(fā)生交通事故，導(dǎo)致車(chē)架支撐鋼條變形甚至破碎，鋼條金屬貫穿鋰離子電池，當(dāng)金屬刺穿蓄電池組時(shí)，會(huì)造成電池正負(fù)極短路，瞬間放出大電流，這種大電流通過(guò)串聯(lián)電路傳給電池組中的所有電池，產(chǎn)生大量的熱;同時(shí)穿刺會(huì)使電芯極板暴露在空氣當(dāng)中，鋰與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生熱量。

從上述分析可以看出，雖然標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鋰離子電池發(fā)生穿刺時(shí)應(yīng)不燃燒不爆炸，但對(duì)于鋰離子電池而言，交通事故中一旦發(fā)生穿刺，會(huì)直接導(dǎo)致電池內(nèi)部的微短路，產(chǎn)生極大電流和大量的熱，熱量的不斷積蓄必然會(huì)引發(fā)電池組的燃燒爆炸，引燃周邊可燃物。

1.3 ?鋰離子蓄電池短路原因分析

鋰離子蓄電池由于功能缺陷、意外原因發(fā)生短路后，瞬間產(chǎn)生大電流，使得電池內(nèi)部溫度急劇升高，熔化蓄電池內(nèi)部隔膜，加劇反應(yīng)劇烈程度，最終導(dǎo)致電池漏液、燃燒，甚至爆炸情況的產(chǎn)生。

在鋰離子蓄電池組中，電芯發(fā)生短路后，大電流會(huì)通過(guò)串聯(lián)電路，傳導(dǎo)到蓄電池組每個(gè)電芯中，進(jìn)而使得整組蓄電池組均發(fā)生短路故障。通過(guò)對(duì)鋰離子蓄電池短路進(jìn)行分析來(lái)看，鋰離子蓄電池組發(fā)生短路，具有引發(fā)火災(zāi)的可能性。

上述列舉了三種鋰離子蓄電池起火的原因，此外，蓄電池安裝方式及位置不當(dāng)、蓄電池高溫情況下充放電、蓄電池保護(hù)板失靈和由電池支架材料劣質(zhì)導(dǎo)致的蓄電池振動(dòng)幅度較大等原因都可能造成鋰離子蓄電池引發(fā)火災(zāi)。

2 ? 充電器起火原因分析

根據(jù)《電動(dòng)自行車(chē)用蓄電池及充電器第1部分：密封鉛酸蓄電池及充電器》（QB/T2947.3-2008）中規(guī)定，質(zhì)量合格的充電器外殼必須采用阻燃材料制作，并且內(nèi)部需配有短路保護(hù)裝置和散熱系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)上所銷(xiāo)售的電動(dòng)自行車(chē)電池充電器品種繁多，商品“琳瑯滿目”，價(jià)格從十幾元到幾十元不等，差價(jià)可達(dá)三倍以上。由于電動(dòng)自行車(chē)充電器缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種質(zhì)量的充電器充斥著整個(gè)市場(chǎng)，一些不法商家生產(chǎn)的假冒劣質(zhì)充電器存在著較多問(wèn)題，三段式充電對(duì)電壓和電流要求的浮充精度都比較高，一些劣質(zhì)充電器就去掉匹配的保護(hù)電路和電壓檢測(cè)電路，甚至為了應(yīng)付檢查，蒙混過(guò)關(guān)，在充電器電路板上雖然設(shè)有保護(hù)電路和檢測(cè)電路，但是并沒(méi)有連接在電路中，導(dǎo)致了充電器即使在正常使用的過(guò)程中同樣具有引發(fā)火災(zāi)的可能性。

2.1 ?充電器內(nèi)部元器件起火分析

在電動(dòng)自行車(chē)日常使用過(guò)程中，充電器內(nèi)部元器件由于質(zhì)量問(wèn)題或受到顛簸等原因，可能出現(xiàn)短路等情況。以充電器內(nèi)部二極管為例，充電器中二極管由于質(zhì)量問(wèn)題，可能被電流或電壓反向擊穿，一旦發(fā)生擊穿現(xiàn)象，二極管不在單向?qū)?，造成二極管的短路，而在沒(méi)有保險(xiǎn)絲的情況下，輸出端和輸入端的發(fā)生短路會(huì)出現(xiàn)以下情況：在輸入端的二極管一旦發(fā)生短路，大電流就會(huì)直接引燃輸入端處電阻，同時(shí)大電流會(huì)通過(guò)電感向輸出端傳導(dǎo)，引燃導(dǎo)線絕緣，造成火災(zāi)。而在充電器輸出端的二極管一旦發(fā)生短路，由于蓄電池自身就是一個(gè)充放電裝置，就會(huì)使得正常向電池中沖進(jìn)的電流反向回流至充電器，形成“逆沖”產(chǎn)生短路大電流，直接引燃充電器內(nèi)部電阻和導(dǎo)線絕緣，引發(fā)火災(zāi)。因此，充電器內(nèi)部二極管一旦發(fā)生短路，不管是在輸入端或是輸出端，都會(huì)造成充電器內(nèi)部以及導(dǎo)線絕緣的起火引燃。

正常情況下，充電連接線路中一旦發(fā)生短路，短路時(shí)大電流在通過(guò)保險(xiǎn)絲的時(shí)候，會(huì)直接熔斷保險(xiǎn)絲，使得整體電路處于斷路狀態(tài)，從而起到了保護(hù)電路的作用二極管雖然這種連接方式不影響充電器的正常工作，但對(duì)于保護(hù)電路和防止火災(zāi)事故的發(fā)生時(shí)十分必要的。

2.2 ?充電器風(fēng)扇堵塞起火分析

電動(dòng)自行車(chē)蓄電池充電時(shí)間往往比較長(zhǎng)，如果充電器不能及時(shí)散熱，會(huì)導(dǎo)致充電器積熱不散，內(nèi)部電器元件過(guò)熱發(fā)生故障，形成故障電流，使充電線路引燃起火。目前電動(dòng)自行車(chē)蓄電池充電時(shí)間大多在夜間，一旦充電器風(fēng)扇被硬物、灰塵堵塞或根本沒(méi)有風(fēng)扇會(huì)導(dǎo)致充電持續(xù)時(shí)間內(nèi)充電器溫度持續(xù)上升，加之充電環(huán)境比較封閉，周邊可燃物較多，容易引發(fā)火災(zāi)。有實(shí)驗(yàn)表明，在20℃環(huán)境下，對(duì)36V鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，如果充電器內(nèi)部風(fēng)扇堵塞，充電結(jié)束時(shí)充電器內(nèi)部溫度可達(dá)80℃。（李斌）這種高溫會(huì)導(dǎo)致充電線路絕緣老化，造成短路，同時(shí)具有引燃周邊可燃物的可能。

3 ? 電動(dòng)自行車(chē)蓄電池火災(zāi)特點(diǎn)

從上述分析可以看出，電動(dòng)自行車(chē)蓄電池作為整車(chē)的能量提供來(lái)源和中心樞紐位置，電動(dòng)自行車(chē)火災(zāi)起火原因往往與蓄電池都有著密不可分的關(guān)系，很多情況下，起火部位雖然不在蓄電池上，但由于電能輸出異常，蓄電池和充電器內(nèi)部各器件必定會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變。電動(dòng)自行車(chē)電池火災(zāi)有以下特點(diǎn)：

3.1 ?夜間充電過(guò)程火災(zāi)多發(fā)

從火災(zāi)時(shí)間上看，火災(zāi)多發(fā)生在夜間充電階段，白天電動(dòng)自行車(chē)主要為人們的出行提供便利，騎行過(guò)程中，用戶可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)起火并及時(shí)處理，不會(huì)造成整車(chē)引燃等災(zāi)害性后果。而夜間主要是電動(dòng)自行車(chē)蓄電池充電時(shí)間，車(chē)主往往是在休息前將充電器與蓄電池連接，為蓄電池充電，直至第二天出行前才將插頭斷開(kāi)，充電時(shí)間甚至可達(dá)12個(gè)小時(shí)，使蓄電池在充滿電后仍對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，充入的電能全部轉(zhuǎn)化為熱能，造成蓄電池內(nèi)部溫度不斷升高，有引燃周?chē)鷮?dǎo)線絕緣的危險(xiǎn);特別是一些用戶選取的充電器價(jià)格便宜，質(zhì)量不過(guò)關(guān)，充電器內(nèi)部往往沒(méi)有限流保護(hù)措施，使得蓄電池內(nèi)部溫度持續(xù)升高，最終可能導(dǎo)致電池的熱失控。

3.2 ?起火地點(diǎn)一般為建筑首層

從起火地點(diǎn)上來(lái)講，火災(zāi)多發(fā)生在蓄電池充電場(chǎng)所，一般在停車(chē)棚、建筑物首層或過(guò)道內(nèi)。這些建筑耐火等級(jí)方面沒(méi)有明確的規(guī)范，防火分區(qū)劃分混亂，缺乏消防設(shè)施和滅火設(shè)備等消防裝備，不能有效防止初期火災(zāi)，車(chē)輛間停放間距沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)場(chǎng)地及電源插排數(shù)量決定，停放在場(chǎng)地內(nèi)的車(chē)輛種類(lèi)繁多，內(nèi)部燃燒物質(zhì)多樣化，電氣線路敷設(shè)雜亂，夜間充電過(guò)程中沒(méi)有專(zhuān)人看管，缺乏統(tǒng)一的管理。

3.3 ?火災(zāi)荷載大

包裹物燃燒毒害性大，易造成人員傷亡。在目前的電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)中，豪華型電動(dòng)自行車(chē)占有率在75%以上，豪華型電動(dòng)自行車(chē)外部包裹物、內(nèi)部電池殼和電機(jī)外殼等都為高分子材料制作，一旦發(fā)生燃燒，會(huì)產(chǎn)生CO、HCL等大量有毒煙氣，加之火災(zāi)多發(fā)生在夜間，會(huì)對(duì)人們的生命造成嚴(yán)重威脅。

4 ? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)自行車(chē)鋰離子蓄電池及充電器起火過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析，但是電動(dòng)自行車(chē)蓄電池起火是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及技術(shù)和知識(shí)層面比較廣泛，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究。

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