鉛酸蓄電池電動(dòng)車充電過程起火機(jī)理探析

張衛(wèi)華 魏飛雄 梁棟

摘 要：根據(jù)各大新聞媒體的報(bào)道中可以得知，近些年電動(dòng)車失火的新聞不斷，究其主要原因是因?yàn)殡妱?dòng)車常用的鉛酸蓄電池在充電過程中有一定概率會(huì)引起火災(zāi)。本文將在接下來的文章中從鉛蓄電池的工作原理角度出發(fā)，分析鉛酸蓄電池最易發(fā)生火災(zāi)的誘因和環(huán)境，從根本上分析鉛蓄電池發(fā)生火災(zāi)的各種原因和火災(zāi)機(jī)理，并提出相應(yīng)的防范鉛酸蓄電池起火的科學(xué)方法和措施。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車 鉛酸蓄電池 起火機(jī)理 短路

Abstract：According to the major news media reports， it can be learned that in recent years， electric vehicle misfire news are plenty， and the main reason is that the lead acid battery commonly used in electric vehicles has a certain probability of causing a fire in the charging process. In the following articles， this paper will start from the working principle of lead acid battery， analyze the cause and environment of lead acid battery fire， and the various causes and fire mechanism of lead acid battery fire， and put forward the corresponding scientific methods and measures to prevent lead acid battery fire.

Key words：electric vehicle， lead-acid battery， fire mechanism， short circuit

現(xiàn)階段，我國市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)車使用的都是鉛酸蓄電池，因?yàn)殂U酸蓄電池較之其它種類電池來說具有低成本、可靠性高、原材料價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。雖然鉛酸蓄電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是近些年因?yàn)殂U酸蓄電池失火導(dǎo)致電動(dòng)車著火的案例逐年增長，并在個(gè)別事故中造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，鉛酸蓄電池發(fā)生火災(zāi)的現(xiàn)象80%都發(fā)生在電池充電的過程中，所以為了更好的防范火災(zāi)，本文將對(duì)電動(dòng)車充電過程中的失火現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1 鉛酸蓄電池充電過程起火機(jī)理

1.1 鉛酸蓄電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)

眾所周知，鉛酸蓄電池在充電和放電過程中都會(huì)產(chǎn)生熱量，而溫度的升高會(huì)使鉛酸蓄電池中的電阻增大，如此便會(huì)導(dǎo)致整體的熱量上升，蓄電池在恒壓充電時(shí)電流和電池溫度發(fā)生一種積累性的增強(qiáng)作用并逐步損壞。充電過程中的鉛酸蓄電池中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)會(huì)放出化學(xué)熱量，同時(shí)電池發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致鉛酸蓄電池在充電過程中出現(xiàn)熱量集聚的現(xiàn)象出現(xiàn)，如果此時(shí)鉛酸蓄電池的散熱系統(tǒng)沒有及時(shí)排出熱量，此時(shí)便會(huì)出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致熱失控。鉛酸蓄電池的熱失控容易導(dǎo)致電池槽體軟化，電池整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。由于鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和材料，導(dǎo)致鉛蓄電池由于熱失控產(chǎn)生的火災(zāi)的案例較少。

1.2 鉛酸蓄電池內(nèi)部短路起火

要想分析鉛蓄電池的失火原因，首先我們要了解鉛酸蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電瓶車的鉛酸蓄電池常常由4到8個(gè)12V的單個(gè)電池構(gòu)成，在鉛酸蓄電池的內(nèi)部電池由具有正負(fù)極板、化學(xué)電解液、隔板、電極和外部結(jié)構(gòu)組成。而鉛酸蓄電池由于其構(gòu)造會(huì)出現(xiàn)多種原因的電池短路現(xiàn)象，鉛酸蓄電池的短路會(huì)導(dǎo)致電池的熱量急速上升，從而發(fā)生蓄電池失火甚至爆炸的現(xiàn)象。鉛酸蓄電池短路的原因有以下幾個(gè)：第一，隔板由于老化或者材質(zhì)問題導(dǎo)致活性物質(zhì)穿過，從而導(dǎo)致電池的正負(fù)極產(chǎn)生虛接觸甚至直接接觸，導(dǎo)致電池產(chǎn)生短路;第二，隔板位置由于物理原因產(chǎn)生移位導(dǎo)致了電池正負(fù)極板相連;第三，極板上的活性物質(zhì)在使用過程中脫落，在電池底部形成導(dǎo)電層，由于導(dǎo)電層的不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致了電池短路;第四，蓄電池密封不嚴(yán)導(dǎo)致短路;第五，焊接集群或者在裝配時(shí)，由于人為原因?qū)е略谡?fù)極板中殘存著“鉛流”，導(dǎo)致充電過程中產(chǎn)生短路。

1.3 過充電導(dǎo)致析氫爆炸

鉛酸蓄電池以一定濃度的硫酸溶液作為氧化還原反應(yīng)的直接參與物，這使得蓄電池在熱力學(xué)理論和化學(xué)理論層面都是不穩(wěn)定的，并且鉛酸蓄電池的單個(gè)單元電池的電壓是12V，這大大超出了水的分解電壓，所以此時(shí)鉛酸蓄電池在充電過程中無法避免的會(huì)產(chǎn)生氫氣，并產(chǎn)生熱量導(dǎo)致水溶液受熱汽化，從而會(huì)導(dǎo)致電池失水。在充電的過程中如果鉛酸蓄電池中的氫氣不斷累積，會(huì)導(dǎo)致蓄電池中的氫氣濃度達(dá)到爆炸濃度界限（氫氣濃度占整體氣體濃度的4%到74%），此時(shí)如果鉛蓄電池中的溫度過高或者出現(xiàn)電弧，便有可能導(dǎo)致鉛酸蓄電池發(fā)生爆炸。當(dāng)鉛酸蓄電池在以下幾種情況下會(huì)導(dǎo)致蓄電池發(fā)生爆炸的幾率上升：第一，過充電;第二，鉛酸蓄電池內(nèi)部極柱和穿壁焊等出現(xiàn)虛焊點(diǎn);第三，充電時(shí)的電流輸出過大;第四，當(dāng)充電過程中，出現(xiàn)排氣孔堵塞的現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致鉛酸蓄電池內(nèi)積蓄氫氣，從而導(dǎo)致危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

1.4 充電器電路老化、磨損導(dǎo)致短路

在日常生活中，充電器老化的現(xiàn)象隨處可見，小到手機(jī)充電器，大到一些線路，在使用者沒有妥善保管和正確使用的情況下都會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的老化和磨損。而電瓶車的使用者常常會(huì)把充電器放在車內(nèi)隨車攜帶，在電瓶車中顛簸的環(huán)境匯總常常會(huì)導(dǎo)致老化和磨損。而由于充電器老化和磨損導(dǎo)致短路的情況包括以下三種：充電器在保管和使用活動(dòng)中，由于老化和物理原因?qū)е陆^緣層損傷，從而導(dǎo)致電源線產(chǎn)生短路;在使用過程中，由于連接方式或物理原因?qū)е戮€路受到外力影響，導(dǎo)致蓄電池內(nèi)的單個(gè)蓄電池之間的線路產(chǎn)生短路;充電器插座處由于人為原因或者產(chǎn)品質(zhì)量原因產(chǎn)生短路。電動(dòng)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(hù)二極管、濾波電容、限流電阻等。如果元器件被擊穿導(dǎo)致短路，蓄電池就會(huì)通過輸出線路向充電器放電，此時(shí)蓄電池持續(xù)釋放的短路大電流會(huì)導(dǎo)致充電器與蓄電池之間的線路起火。目前市場(chǎng)上的絕大多數(shù)充電器沒有在輸出端安裝速斷保險(xiǎn)管，一旦充電器該部分元器件故障，極易導(dǎo)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(gè)端子位置，因?yàn)殡妱?dòng)車行駛過程造成輸出電纜與蓄電池端子鏈接處松動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻過大，短路的大電流導(dǎo)致該處位置往往先起火，繼而擊穿連接線絕緣皮起火。

1.5 充電器內(nèi)部故障導(dǎo)致充電回路短路

電動(dòng)車充電器內(nèi)部故障也會(huì)導(dǎo)致充電回路產(chǎn)生短路等問題，從而導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。電動(dòng)車的充電回路通常由各種連接線、電源線、輸出線、插座、插頭、電氣線路和電子元件組成。而充電器的內(nèi)部也是由整濾波電路、高壓開關(guān)、電壓轉(zhuǎn)換和幾個(gè)控制器組成。為了能夠?qū)⑷粘Ｓ秒姷?20V轉(zhuǎn)化為可用直流電壓，我們需要運(yùn)用整濾波電路，然后再通過電壓轉(zhuǎn)換和高壓開關(guān)轉(zhuǎn)化成正常的低壓直流電路進(jìn)行電動(dòng)車的充電。如果這些充電器中的電子元件出現(xiàn)內(nèi)部故障，便會(huì)很容易傷害蓄電池，從而導(dǎo)致短路和失火事件的發(fā)生。

1.6 充電器內(nèi)部元器件起火分析

電瓶車的使用者常常會(huì)把充電器放在車上隨時(shí)攜帶使用，這從而會(huì)導(dǎo)致充電器內(nèi)部元件在受到顛簸和撞擊時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障和破損，甚至因?yàn)橐恍┵|(zhì)量問題導(dǎo)致充電器的內(nèi)部元件在小的顛簸中就受到損壞，從而出現(xiàn)充電器短路導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的現(xiàn)象。以充電器中一個(gè)重要元件二極管為例：二極管主要控制電流的單向移動(dòng)，如果此時(shí)二極管由于破損或者質(zhì)量問題電子擊穿了二極管，導(dǎo)致了二極管的短路，如果充電器中沒有保險(xiǎn)絲等保護(hù)措施，就會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：二極管輸入端短路的情況下會(huì)出現(xiàn)大電流點(diǎn)燃電子元件和導(dǎo)線絕緣材料的現(xiàn)象發(fā)生;在輸出端的二極管發(fā)生短路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)正常向電池移動(dòng)的電流重新回到充電器，從而導(dǎo)致產(chǎn)生大量的短路電流，從而導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

2 電動(dòng)自行車電池火災(zāi)有以下特點(diǎn)：

2.1 夜間充電過程火災(zāi)多發(fā)

根據(jù)對(duì)于各地消防案件的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電瓶車發(fā)生火災(zāi)的高發(fā)時(shí)間段在凌晨時(shí)分，這時(shí)發(fā)生的火災(zāi)往往發(fā)現(xiàn)的時(shí)間較晚，造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失較大。在白天階段，大部分電瓶車使用者會(huì)使用電動(dòng)車作為交通工具，所以電動(dòng)車充電的車輛比較少，且電動(dòng)車的停放比較分散，在電動(dòng)車失火時(shí)會(huì)被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，且不會(huì)蔓延到其它很多電動(dòng)車上引起集體反應(yīng)。而在晚上充電時(shí)，電動(dòng)車擺放比較密集，很多電動(dòng)車會(huì)進(jìn)行十二個(gè)小時(shí)不間斷的充電，如此更容易導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生，甚至有些居民為了省錢，在外面私拉電線，導(dǎo)致了火災(zāi)發(fā)生的可能性大大增加。

2.2 起火地點(diǎn)一般為建筑首層

從起火地點(diǎn)的調(diào)研來看，大部分火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)在建筑的第一層，或者是靠近建筑物的停車棚內(nèi)，由于車輛擺放密集，往往一輛車著火，會(huì)導(dǎo)致集體反應(yīng)，導(dǎo)致多輛電瓶車起火甚至爆炸，且建筑的耐火等級(jí)層次不齊，嚴(yán)重影響到火災(zāi)發(fā)生后人員逃離問題，對(duì)人員生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

2.3 火災(zāi)荷載大

眾所周知，鉛蓄電池燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，且大量電動(dòng)車為了美觀和硬度，使用的是高分子材料，這導(dǎo)致了電瓶車失火時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙和有毒氣體。在結(jié)合以上兩個(gè)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致在夜晚發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。

3 結(jié)語

綜上所述，本文從鉛酸蓄電池的工作原理出發(fā)，從電瓶車使用的鉛酸蓄電池的著火原因進(jìn)行分析，和對(duì)火災(zāi)發(fā)生的特點(diǎn)進(jìn)行分析，為電瓶車防范火災(zāi)做出提醒和防范的理論支持。

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