电动自行车蓄电池及充电器起火原因分析

冯昌喜

摘要：随着电动自行车市场保有量的增多，电动自行车火灾数量也随之增加，电动自行车主要起火原因为蓄电池及充电器故障。因此，研究电动自行车蓄电池及充电器的起火原因非常重要，也能给后续火灾调查工作奠定一定的基础。本文着重对电动自行车锂离子蓄电池及充电器起火原理进行分析，找出可能引发火灾的故障原因和影响因素，并总结电动自行车蓄电池和充电器火灾特点。

关键词：电动自行车; 锂离子蓄电池; 蓄电池充电器; 起火原因分析

1   锂离子蓄电池起火原因分析

锂离子蓄电池在发生故障后或在火烧、高压、高温等极端条件下，内部锂离子受热膨胀结晶，刺穿隔膜，造成短路，短路电流会使电池内部温度和气压急剧上升，最终使外壳破裂，造成漏液、起火和爆炸等严重事故。本文将锂离子电池起火原因分析分为锂离子蓄电池过充电起火分析、锂离子蓄电池穿刺起火分析和锂离子蓄电池短路起火分析。

1.1  锂离子蓄电池过充电起火分析

一般情况下，锂离子蓄电池组在外部会增设保护板，避免锂离子蓄电池过充电、过放电，同时防止短路电流和内部温度过高造成电池组内部失控。但由于保护板质量不过关、保护板与蓄电池不配套和电芯不一致性等原因，使得锂离子蓄电池组在充电过程中仍可能出现过充现象。根据《电动自行车用蓄电池及充电器第3部分锂离子蓄电池及充电器》（QBT2947.3-2008）中5.1.6.2规定，对充满电的锂离子蓄电池，放电电子保护电路后，以与安时量数值同等大小的电流充电1h后，锂离子蓄电池应不泄露、不爆炸、不起火。但锂电池由于自身性质原因，一旦发生过充电，会对电池内部造成严重损害，极片上回散落针状锂金属结晶，刺穿隔膜发生微短路，加剧了锂电池自身的自放电，甚至造成短路，形成短路电流，使电池温度急剧升高，电解液分解气化，在这种情况下，电池温度过高，内部产生大量气体，并且锂电池外壳被撑破，使空气进入，与锂电池发生激烈氧化，最终燃烧爆炸，引发火灾。

1.2   锂离子蓄电池穿刺起火分析

根據《电动自行车用蓄电池及充电器第3部分锂离子蓄电池及充电器》（QB/T2947.3-2008）中6.1.2.10规定，锂离子蓄电池在满电状态下，在20℃±5℃的情况下，从锂离子蓄电池组中抽取单体电池，将一个直径为3mm的钢钉穿过单体电池的中心（对于方形电池穿刺必须在垂直于电池宽度的方向），并将钢钉停留在电池内部30s以上，要求电池不漏液、不起火、不爆炸。而目前电动自行车锂离子蓄电池能够达到要求的电池组较少，很多情况下，锂离子蓄电池大多不能满足要求，同时在穿刺空洞形成后，内部金属氧化物接触氧气，导致形成氧化反应，产生大量的热量，这些热量会导致锂离子蓄电池负极石墨粉末与空气发生氧化反应，产生明火燃烧现象。

在电动自行车日常行驶过程中，一旦发生交通事故，导致车架支撑钢条变形甚至破碎，钢条金属贯穿锂离子电池，当金属刺穿蓄电池组时，会造成电池正负极短路，瞬间放出大电流，这种大电流通过串联电路传给电池组中的所有电池，产生大量的热;同时穿刺会使电芯极板暴露在空气当中，锂与氧气发生氧化反应，产生热量。

从上述分析可以看出，虽然标准中规定锂离子电池发生穿刺时应不燃烧不爆炸，但对于锂离子电池而言，交通事故中一旦发生穿刺，会直接导致电池内部的微短路，产生极大电流和大量的热，热量的不断积蓄必然会引发电池组的燃烧爆炸，引燃周边可燃物。

1.3  锂离子蓄电池短路原因分析

锂离子蓄电池由于功能缺陷、意外原因发生短路后，瞬间产生大电流，使得电池内部温度急剧升高，熔化蓄电池内部隔膜，加剧反应剧烈程度，最终导致电池漏液、燃烧，甚至爆炸情况的产生。

在锂离子蓄电池组中，电芯发生短路后，大电流会通过串联电路，传导到蓄电池组每个电芯中，进而使得整组蓄电池组均发生短路故障。通过对锂离子蓄电池短路进行分析来看，锂离子蓄电池组发生短路，具有引发火灾的可能性。

上述列举了三种锂离子蓄电池起火的原因，此外，蓄电池安装方式及位置不当、蓄电池高温情况下充放电、蓄电池保护板失灵和由电池支架材料劣质导致的蓄电池振动幅度较大等原因都可能造成锂离子蓄电池引发火灾。

2   充电器起火原因分析

根据《电动自行车用蓄电池及充电器第1部分：密封铅酸蓄电池及充电器》（QB/T2947.3-2008）中规定，质量合格的充电器外壳必须采用阻燃材料制作，并且内部需配有短路保护装置和散热系统。目前，市场上所销售的电动自行车电池充电器品种繁多，商品“琳琅满目”，价格从十几元到几十元不等，差价可达三倍以上。由于电动自行车充电器缺乏统一的标准，各种质量的充电器充斥着整个市场，一些不法商家生产的假冒劣质充电器存在着较多问题，三段式充电对电压和电流要求的浮充精度都比较高，一些劣质充电器就去掉匹配的保护电路和电压检测电路，甚至为了应付检查，蒙混过关，在充电器电路板上虽然设有保护电路和检测电路，但是并没有连接在电路中，导致了充电器即使在正常使用的过程中同样具有引发火灾的可能性。

2.1  充电器内部元器件起火分析

在电动自行车日常使用过程中，充电器内部元器件由于质量问题或受到颠簸等原因，可能出现短路等情况。以充电器内部二极管为例，充电器中二极管由于质量问题，可能被电流或电压反向击穿，一旦发生击穿现象，二极管不在单向导通，造成二极管的短路，而在没有保险丝的情况下，输出端和输入端的发生短路会出现以下情况：在输入端的二极管一旦发生短路，大电流就会直接引燃输入端处电阻，同时大电流会通过电感向输出端传导，引燃导线绝缘，造成火灾。而在充电器输出端的二极管一旦发生短路，由于蓄电池自身就是一个充放电装置，就会使得正常向电池中冲进的电流反向回流至充电器，形成“逆冲”产生短路大电流，直接引燃充电器内部电阻和导线绝缘，引发火灾。因此，充电器内部二极管一旦发生短路，不管是在输入端或是输出端，都会造成充电器内部以及导线绝缘的起火引燃。

正常情况下，充电连接线路中一旦发生短路，短路时大电流在通过保险丝的时候，会直接熔断保险丝，使得整体电路处于断路状态，从而起到了保护电路的作用二极管虽然这种连接方式不影响充电器的正常工作，但对于保护电路和防止火灾事故的发生时十分必要的。

2.2  充电器风扇堵塞起火分析

电动自行车蓄电池充电时间往往比较长，如果充电器不能及时散热，会导致充电器积热不散，内部电器元件过热发生故障，形成故障电流，使充电线路引燃起火。目前电动自行车蓄电池充电时间大多在夜间，一旦充电器风扇被硬物、灰尘堵塞或根本没有风扇会导致充电持续时间内充电器温度持续上升，加之充电环境比较封闭，周边可燃物较多，容易引发火灾。有实验表明，在20℃环境下，对36V铅酸蓄电池组进行充电，如果充电器内部风扇堵塞，充电结束时充电器内部温度可达80℃。（李斌）这种高温会导致充电线路绝缘老化，造成短路，同时具有引燃周边可燃物的可能。

3   电动自行车蓄电池火灾特点

从上述分析可以看出，电动自行车蓄电池作为整车的能量提供来源和中心枢纽位置，电动自行车火灾起火原因往往与蓄电池都有着密不可分的关系，很多情况下，起火部位虽然不在蓄电池上，但由于电能输出异常，蓄电池和充电器内部各器件必定会发生不可逆转的改变。电动自行车电池火灾有以下特点：

3.1  夜间充电过程火災多发

从火灾时间上看，火灾多发生在夜间充电阶段，白天电动自行车主要为人们的出行提供便利，骑行过程中，用户可以在第一时间发现起火并及时处理，不会造成整车引燃等灾害性后果。而夜间主要是电动自行车蓄电池充电时间，车主往往是在休息前将充电器与蓄电池连接，为蓄电池充电，直至第二天出行前才将插头断开，充电时间甚至可达12个小时，使蓄电池在充满电后仍对蓄电池进行充电，充入的电能全部转化为热能，造成蓄电池内部温度不断升高，有引燃周围导线绝缘的危险;特别是一些用户选取的充电器价格便宜，质量不过关，充电器内部往往没有限流保护措施，使得蓄电池内部温度持续升高，最终可能导致电池的热失控。

3.2  起火地点一般为建筑首层

从起火地点上来讲，火灾多发生在蓄电池充电场所，一般在停车棚、建筑物首层或过道内。这些建筑耐火等级方面没有明确的规范，防火分区划分混乱，缺乏消防设施和灭火设备等消防装备，不能有效防止初期火灾，车辆间停放间距没有明确标准，一般根据场地及电源插排数量决定，停放在场地内的车辆种类繁多，内部燃烧物质多样化，电气线路敷设杂乱，夜间充电过程中没有专人看管，缺乏统一的管理。

3.3  火灾荷载大

包裹物燃烧毒害性大，易造成人员伤亡。在目前的电动自行车市场中，豪华型电动自行车占有率在75%以上，豪华型电动自行车外部包裹物、内部电池壳和电机外壳等都为高分子材料制作，一旦发生燃烧，会产生CO、HCL等大量有毒烟气，加之火灾多发生在夜间，会对人们的生命造成严重威胁。

4   结语

本文对电动自行车锂离子蓄电池及充电器起火过程进行了系统的理论分析，但是电动自行车蓄电池起火是一个非常复杂的过程，涉及技术和知识层面比较广泛，还有许多问题需要进行深入研究。

参考文献：

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[5]    李  燕.电动自行车用锂电池充电器设计[D].河南：河南师范大学，2012.