铅酸蓄电池电动车充电过程起火机理探析

柯毅胤

摘 要：铅酸蓄电池是电动车的主要动力源，电动车导致的火灾事故多发在电池充电过程。本文深入探析了铅酸蓄电池电动车充电过程最易引发火灾的时间段和电池热失控、电池内部短路、过充电析氢爆炸、充电器故障导致充电回路短路、充电线路磨损形成短路等起火机理，并提出防止电动车充电过程起火的技术措施。

关键词：电动车；铅酸蓄电池；起火机理；短路

中图分类号：U484 文献标识码：A

铅酸蓄电池具有成本低、性价比高、可靠性好、原材料易得等优点，目前市场上绝大多数电动车使用铅酸蓄电池。随着铅酸蓄电池电动车使用量的不断上升，电动车引起的火灾也呈逐年上升趋势，并造成重大人员伤亡和财产损失。据统计，我国80%以上的电动车火灾发生在充电过程中，其中亡人火灾几乎全部发生在车辆停放或充电时，因此探究电动车充电过程的起火机理对预防电动车火灾具有重要意义。

一、铅酸蓄电池充电的3个阶段和最易引發火灾的时间段

铅酸蓄电池充电过程是通过铅极板或板栅和构成电解液的稀硫酸的组合利用可逆化学反应将电能转化为潜在的化学能；放电过程则是反过来又把化学能转化为电能。

铅酸蓄电池的充电方式较多，而三段式充电是最常见、应用最广泛的充电方式。三段式充电的3个阶段分别指恒流充电阶段、恒压充电阶段、降压浮充阶段（又叫涓流充电阶段）。目前三段式充电普遍使用智能控制充电器，能够在3个不同充电阶段自动转换充电模式，如图1所示。

在恒流充电阶段，充电电流保持恒定不变（一般设定在1.8A左右），随着蓄电池充进电量的增多，蓄电池两端电压会不断上升，最高可达到58.5V。在这个阶段，充电电流恒定较大，充电电压不断上升，所以充电器温度也不断升高，该阶段的后期（达到总充电量70%左右）越来越高的电压容易造成充电器的元器件被击穿形成短路电流，进而引发火灾。所以该阶段是引起火灾危险性不断上升的过程。蓄电池的放电深度越深该阶段持续时间越长，放电深度较深时该阶段可持续5～7小时。

恒压充电阶段是指到随着恒流充电的进行，蓄电池的电压逐渐上升到某个设定的恒压值时，充电器开始以恒定的开关电源的输出电压进行充电的阶段，该阶段的充电电流随着蓄电池电压的上升而不断减小。恒压值一般设定为在44.4V～44.8V范围内。恒压充电阶段为恒定高电压，总体的火灾危险性较高，但随着充电电流不断下降，引发火灾的危险性有所下降，该阶段持续时间约为两小时。

降压浮充阶段是指随着恒压充电阶段的进行，蓄电池基本充满（恒压充电阶段蓄电池的电量达到总充电量约90%），电池的充电电流逐渐下降到200mA～300mA左右时，充电器自动降低开关电源的输出电压到较低的恒定值，并保持输出电压恒定继续充电的阶段。降压浮充阶段的充电电流继续逐渐减小，该阶段持续约2～3小时，直到完全（100%）充电状态。

铅酸蓄电池充电完成后，充电电流保持在几十毫安甚至几毫安以下，因市面上的大部门三段式智能充电器不具备电池饱和自动断电功能，因此蓄电池将一直保持在过充电状态直至被人工断开。

研究发现，当铅酸蓄电池充电量达到总量的70%～90%阶段引发火灾的危险性最高，即从恒流充电阶段转为恒压阶段之前1个小时开始到恒压充电阶段结束的这段时间，系统一直保持在高电压、大电流状态，最易引发短路导致火灾。该时间段一般为充电开始后的第5～8小时。假定居民开始充电的时间为晚上6时，则最易引发火灾的时间段为11时至凌晨3时。另一个火灾高危时段为过度充电阶段，过度充电容易造成极板碎裂和脱落，这些活性物质的颗粒落到电池底部，容易造成短路，同时过度充电也大大地增加了电池发热和失水。过度充电阶段发生在充电10小时以上的时段。

二、铅酸蓄电池充电过程起火机理

（一）铅酸蓄电池热失控引发火灾

热失控是指铅酸蓄电池的电流和温度发生累积的互相增强的作用，并导致蓄电池的损坏的过程。充电过程的电化学反应释放热能和充电电流的形成的电池发热共同导致热量集聚，当热能发生速度大于蓄电池的热耗散速度时，蓄电池温度上升超过环境温度；蓄电池温度升高会导致充电电流增加，这又引起蓄电池温度升高，继而发生恶性循环，最终导致热失控。蓄电池热失控容易造成电池槽体软化故障、电池壳体破裂或者极柱密封不严，导致内部电解液漏出形成电池正负极间外部短路进而引发火灾。铅酸蓄电池热失控导致火灾的案例较少，而锂电池发生热失控导致火灾事故的情况较多。

（二）铅酸蓄电池内部短路起火

铅酸蓄电池的最小单元为电压2V的单格电池，数个单格电池串联成到所需电压的蓄电池，如12V电池由6个单格电池通过导线串联而成。单格电池主要的组成部分包括正、负极板、电解液、隔板、电极、壳体等。铅蓄电池的内部短路指铅蓄电池内部单格电池的正负极群之间发生连接、触碰。造成蓄电池内部短路的原因较多，其主要原因有：①隔板质量不好或缺损，使极板活性物质穿过，致使正、负极板虚接触或直接接触。②隔板窜位致使正负极板相连。③极板上的活性物质脱落后沉淀在电池的底部形成“导电层”，“导电层”厚度增加至接触到正、负极板的下缘时，导致正负极板相连。④蓄电池密封不严，正负极板因外来导电物体进入二发生相连。⑤焊接极群和装配时有“铅流"”“铅豆”残留在正负极板间，充放过程导致隔板破损形成正负极相连。电池在使用和充电过程中因以上等原因导致内部短路，致使电池温度迅速升高，诱发热失控、最终可能导致起火、爆炸。

（三）过充电导致析氢爆炸

铅酸蓄电池以硫酸水溶液作为反应物直接参与电池反应，这使得蓄电池在热力学上是不稳定的，而且蓄电池的单格开路电压 2V 远高于水的分解电压 1.23V，只是由于化学动力学（反应速率慢）原因负极铅上析氢的过电位很高，才得以做成蓄电池，但是充电过程水分解反应产生氢气是不可避免的。铅酸蓄电池过充电会大大地增加了电池发热和加快水分解反应析出大量氢气，并造成电池失水。endprint

当充电过程的电化学反应持续电解水产生大量氢气并不断地释放，蓄电池中或空气中的含氢量累积至爆炸极限（H2占混合气体体积的4%～74%）时，遇到点火源就会形成爆炸。当存在以下情况时蓄电池的爆炸几率大幅上升：①过充电。②蓄电池内部极柱、穿壁焊等处存在虚焊点。③充电电流过大。

正常的充电过程中，如果蓄电池存在排气孔堵塞问题，铅酸蓄电池负极析出的大量氢气会先造成电池爆裂，爆裂引起蓄电池震动，极柱接线不牢产生火花，从而形成氢气爆炸，引发火灾等安全事故。

（四）充电器电路老化、磨损导致短路

较多的使用者选择随车携带充电器，长期使用和电动车行进时的颠簸会造成充电器线路的老化、磨损，充电时其电路及插接件容易形成短路并起火。此部分短路原因包括以下3个方面：一是由于老化、缠绕、拉扯等原因造成绝缘层损伤形成充电器电源线、输出线短路；二是因连接方式不当，线路受挤压、扭曲变形、磨损等原因造成绝缘层龟裂、导体裸露形成蓄电池组内单个蓄电池之间线路短路；三是插头插座处发生短路。

（五）充电器内部故障导致充电回路短路

电动车充电回路包括插头、电源线、充电器、充电器输出线及充电插座、插座与蓄电池连接线、蓄电池端子之间的电气线路和电气元器件。充电示意图如图2所示。

充电器主要由整流滤波电路、高压开关、电压变换、恒流、恒压及充电控制等几个部分组成。整流滤波电路的用途是将市电交流220V电压转变为直流300V左右电压，通过高压开关电路及电压交换，产生充电式所需的低压直流电压，再在充电控制后对蓄电池充电。恒流、恒压充电控制电路的作用是保持充电时电流、电压的稳定，以免损坏蓄电池。充电器工作原理框图如图3所示。

铅酸蓄电池大多使用三阶段充电器，充电器外壳采用阻燃塑料等，内部元器件自身可燃物较少，所以充电器本身起火的几率较少。但是充电器的内部元器件容易出现故障，极易引发充电回路短路起火。充电器常见故障有保险丝熔断，整流二极管被击穿，电容鼓包，其中?整流二极管，电源滤波电容、开关功率管、电源管路芯片属于易损件，长期使用时损坏的概率可达95%以上。

1.充电器故障导致220V输入电路短路。充电器的输入电路工作在高电压、大电流的状态下，整流三极管、滤波电容、开关功率管等容易被击穿，导致输入端电路出现短路电流，造成220V输入电路短路起火。但是市场上正规的充电器在输入端大多配备有速断保险管，交流电源侧电线短路后会造成速断保险管切断大电流，或者220V外电路断路器动作，可以较好的避免220V输入电路起火。

2.充电器故障导致55V输出电路短路。电动车充电器其他较易损坏的元器件包括输出整流部分的整流二极管、保护二极管、滤波电容、限流电阻等。如果元器件被击穿导致短路，蓄电池就会通过输出线路向充电器放电，此时蓄电池持续释放的短路大电流会确定的导致充电器与蓄电池之间的线路起火。目前市场上的绝大多数充电器没有在输出端安装速断保险管，一旦充电器该部分元器件故障后极易导致输出电路短路。输出电路短路后最先起火的地方一般是蓄电池的两个端子位置，因为电动车行驶运动过程造成输出电缆与蓄电池端子链接处松动导致接触电阻过大，短路的大电流导致该处位置往往先起火，继而击穿连接线绝缘皮起火。市场上较多的电动车在设计时将铅酸蓄电池设置在车座附近或下方，车座一般采用海绵、皮革等易燃、可燃物制成，故蓄电池的两个端子位置起火后会迅速引燃车座、蓄电池壳和车后部的塑料外壳，导致火势快速蔓延。

（六）充电回路之外电气线路起火

根据电动车电气控制图（图4）可知，在關闭电动车电源总开关（电门锁开路）后，蓄电池与控制器之间（A）、控制器到电源总开关之间的线路（B）、连接防盗器的线路及声光报警装置仍处在带电状态（C），仍有可能引发电气火灾。

铅酸蓄电池把电能提供给控制器和转换器，电能从控制器和转换器出来到电机、转把和功能电路。连接转把和功能电路的连接线都属于信号线，流过的电流非常小，即使发生短路也不会有很大的能量释放出来，危险性很小；连接电机线路发生短路危险性也不大，因为此处的电压是经过控制器出来的，一旦发生短路，最多把控制器烧坏，然后停止工作，且电机附近可燃物比较少。而图中 A、B 两线因保持在高压状态，线路发生老化、磨损时最易形成短路引发火灾。A、B线路短路后最先起火的地方一般也是蓄电池的两个端子位置，原因同上。

三、铅酸蓄电池电动车充电过程预防火灾的技术措施

根据铅酸蓄电池充电过程起火机理，建议采取阻燃的电线、正确位置安装5A速断型保险管，合理布局蓄电池位置等技术措施，从而防止火灾发生。预防铅酸蓄电池电动车充电过程中发生火灾，建议采取以下技术措施：

（1）建议充电器的插头、220输入电路、输出电路以及蓄电池与控制器之间、控制器到电源总开关之间的线路强制采用矿物绝缘电缆，防止短路后起火。

（2）建议电动车出厂时在220输入电路、输出电路和电池连接线上均安装5A 速断型保险管。根据浙江某驰名电动车厂家的实践，该单位的铅酸蓄电池系列电动车在以上线路改用矿物绝缘电缆并安装5A 速断型保险管后，充电过程短路引发火灾事故率可下降90%以上。

（3）电动车输出电路、蓄电池与控制器之间、控制器到电源总开关之间的线路短路后最先起火的位置为蓄电池的两个端子位置，而较多电动车的蓄电池安装在可燃物较多的车座位置，客观上加快了短路起火后的火势蔓延速度。所以建议蓄电池端子位置采取防火保护措施，并合理调整蓄电池的安装位置，避开可燃物较多的部位。

（4）建议充电器设置充电饱和后自动断电功能，防止过充电应发蓄电池热失控和析氢爆炸事故发生。

参考文献

[1]马恩强，苏文威.电动自行车火灾综合防治探究[J].消防科学与技术，2016，35（5）：704-706.

[2]王刚，张万民.电动车充电过程起火原因分析及技术防范措施[J].消防科学与技术，2012，32（12）：1376-1379.

[3]张万民，韩建平，原小永.电动车火灾成因分析及预防对策[J].消防科学与技术，2011，30（9）：870-872.

[4]吴礼龙，胡安雄.电动车火灾现状分析与对策研究[J].消防技术与产品信息，2013（10）：3-5.

[5]陶猛.铅酸蓄电池系统起火原因分析及研究[D].沈阳工业大学，2014.

[6]柯楠.阀控铅酸蓄电池的热失控及其对策[J].自动化应用，2015（9）：123-125.

[7]王铭祥.阀控密封铅酸蓄电池的失水、热失控故障原因分析及解决措施[D].中国通信能源会议，2012.

[8]杨振华，张少波.铅酸蓄电池爆炸原因分析及注意事项[J].汽车电器，2006（9）：47-49.endprint