移动电源风险评估及安全分析

杨亦洲 田 鹏 朱昊天

（江苏省电子信息产品质量监督检验研究院（江苏省信息安全测评中心）、国家物联网产品及应用系统质量监督检验中心 无锡 214073）

引言

移动电源是由电池或电池组、相应的电路及外壳组合而成，可以提供稳定直流输出的非固定电源系统[1]，并且可由人随身携带，具有储存电能的器具。目前，随着电子产品的迅猛发展，产品的小型化，便携化趋势更加明显，但电池的技术近年来相对发展稳定，没有显著的突破，仅靠低功耗的设计延长产品续航能力是有限的，因此外置移动电源成为了解决续航能力的最佳解决方案之一。

我国作为世界上最大的移动电源制造国和消费国，每年占全球移动电源总产值的近70 %，然而市面上销售的移动电源价格差异巨大，质量参差不齐，部分销售的移动电源无任何产品相关的测试和认证，这让产品安全性、可靠性成为了隐患。

1 移动电源风险评估

移动电源失效的现象主要表现为漏液、泄气、破裂、起火和爆炸，造成失效的原因有很多，主要原因有电池芯品质不过关；保护电路和控制部分设计不合理、电路部分采用劣质芯片和材料导致控制异常；外壳、印制板和导线未采用阻燃材料导致发生异常时不能起到二次防护的作用；标识不明确或不标识容易引起消费者的误解。

1.1 电池芯

目前市面上销售的移动电源一般采用锂聚合物电池或锂离子电池，锂聚合物电池和锂离子电池的主要区别在于电解质的不同，锂聚合物电池使用的是凝胶电解质或固态电解质，锂离子电池使用的是液体电解质。锂离子电池在过充电、常温外部短路、高温外部短路或强制放电等情况异常情况发生时，电池芯内部可能出现内部能量急剧导致温度急剧升高、材料分解和氧化、封装撕裂等现象，从而导致电池芯内部膨胀和内压加大，当压力达到极限后就可能出现起火或爆炸等现象。因为聚合物锂离子电池采用了凝胶电解质或固态电解质，这类电解质不会因为剧烈高温而产生气体，从而降低了起火或爆炸的几率。虽然聚合物锂离子电池的安全性、极限工作条件、工作寿命与绿色环保上比锂离子电池有优势，但成本过高，因此在市场上大多数厂家还是采用锂离子电池。

1.2 升压模块、保护电路板和BMS

升压模块决定了移动电源的转换效率和给设备供电的电压稳定性，升压模块通常通过IC芯片升压和稳压，通过升压电路进行电路输出，正常情况下升压后的转换效率在80 %左右。保护板通常分为硬件式保护板和软件式保护板，硬件式保护板通常采用专用电池保护芯片，当电池芯电压达到保护值时MOS管切断充电回路或放电回路，部分厂家还采用热电偶采集温度进行温度保护，这也是大多数厂家所采用的的保护方式，该保护方式的缺陷在于只能实现过充点和过放电保护，部分能够实现过流保护和反接保护，且保护阀值是不可更改。软件式保护板目前在移动电源中应用较少，主要在户外使用的环境下才会采用，涉及到通讯保护、启动电源保护，观察保护等。由于常见的移动电源功能单一，因此很少有移动电源采用BMS。

1.3 材料和组装

移动电源的组装部分除了电池芯和保护电路及升压模块外，还包含了外壳、印制板和绝缘材料，这些阻燃性材料等级应不低于V-1级。锂离子电池或电池组应满足GB 31241-2014标准规定的相关要求。对于模压和注塑成形的热塑性外壳的结构应能保证外壳材料在释放由模压或注塑所形成产生的内应力时，该外壳材料的任何收缩或变形均不会暴露出内部零件[1]。

1.4 标识

标识是市面上移动电源最容易出现问题的项目，标识是用户对移动电源产品了解的最直接来源，标识的不正确、不明确、不清晰很容易对用户造成误导，导致危险。移动电源的本体上应该用中文引导语或其他明确方式标识移动电源名称、型号；制造商名称、商标或识别标志；额定输入电压电流、额定输出电压及电流。额定容量，商家经常用容量和电池芯容量来混淆额定容量的概念，误导消费者。电池或电池组种类及额定能量，额定能力可以帮助用户判断该移动电源是否符合民航携带的要求。多输出端口是经常出现未标识或标识不明确地方，需标识同档输出电压的总电流值，而且在每个输出端口的明显处应该标识该端口的额定输出电压及电流。

2 移动电源安全分析

移动电源作为信息类产品的一分部分，需要满足GB 4943.1-2011的标准要求，由于移动电源的特殊性，还需要满足GB/T 35590-2017的标准要求。但目前市场上除了品牌影响力较大的企业之外，绝大部分小微企业都未在移动电源本体上标注满足GB/T 35590-2017的要求，甚至有一些企业标错了标准号，可以看出部分企业对标准名称都不熟悉更何况标准的执行力。部分企业为了削减研发成本，模仿其他家产品的方案，过于追求快速充放电，无线充电，大容量，多端口输出能吸引眼球的指标，而不重视满足这些指标的同时，存在的安全隐患，未对产品进行合理的测试验证。有些企业为了恶性竞争和利润，甚至不采用保护电路，购买灌有泥沙的废旧电池芯。针对上述的现象，本文对移动电源容易出现安全隐患的部分进行分析和详解。

2.1 常温下的有效输出容量及转换效率

常温下的有效输出容量要求不低于额定容量，也就是移动电源的世纪有效输出容量。以常见的20 000 mAh为例，20 000 mAh实际是电池芯的容量，电池芯通常额定电压为3.7 V，而移动电源的输出端口为5 V，通过公式（1）可得，实际利用到的移动电源能量理论最高达74 %，当用该移动电源给设备充电时，存在电路转换损耗、内阻损耗、电压损耗、运行损耗、供电损耗等。升压电路采用台湾芯片正常可达85 %，美国芯片可达85～90 %，国产芯片可达80～85 %。通常升压转换效率可以达到80 %，也是标准规定值，所以20 000 mAh的电池芯容量最终到达终端设备的能量大概为12 000 mAh。市面上很多小微厂家用电池芯容量作为额定容量，偷换概念，夸大充电能力，但用实际不能满足用户的需求，存在容量虚标，转换效率低下的现象。

式中：

R—额定值；

C—容量；

U—电压。

2.2 常温外部短路

常温外部短路是模拟电池芯单一故障的状态，针对锂离子电池，由于正负极短路，电池放电电流过大，使得电池芯内部温度急剧升高，高温会破坏电池芯内部的隔膜，从而造成内部短路造成更大的短路现象，造成了不可逆的气体，致使电解液在高温下迅速挥发成气体，导致电池芯内部压力过大，当电池芯在泄压机能失效的情况下会导致爆炸和起火的现象。由于软包锂离子电池对材料的要求相较于圆柱形电池要高，因此软包锂离子电池也是日常试验中失效率较高的锂电池封装形式，软包锂离子电池短路导致失效的可以从正/负极活性材料、电极配比、电解液和制造工艺等多个方向来分析，从而提高电池对瞬态大电流和短路时高温的极限能力。降低极耳内阻可以有效减少热量的产生和积累，及对封口区的热冲击，挺高铝塑封装强度，降低失效的概率。

2.3 过充电

过充电主要是对电池芯在过压过流的情况下的一个安全极限测试，也是日常测试中失效率较高的一个项目，该项测试主要考核的是保护失效后电池芯在面对极限的条件下是否会导致危险，如果出现了极端情况是否能够释能。目前的在新版便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求讨论稿中对过充电的测试条件较以前要宽松，测试条件划分更为细致，因此该条款需要在新标准推出后通过测试的验证来考核对电池芯的测试严酷程度。

3 结论

造成移动电源存在安全隐患的原因有很多，但主要原因有以下几点：

1）市场监管力度不够，目前含有锂离子电池或电池组的信息技术或音视频类产品，在进行强制性认证时，锂离子电池或电池组必须通过自愿性认证或者按照相应的标准进行考核通过后才可投入市场，而带有移动电源一起销售的信息技术或音视频类目前市面上几乎没有。移动电源属于自愿性认证的范畴，没有得到相应的重视，这也是GB/T 35590-2017标准普及度不够的重要原因之一，这也导致了企业对标准的执行力低下。

2）消费者群体对产品认知不够，由于移动电源的安全宣传力度不够，导致普通消费者对移动电源安全问题的忽视，往往将目光放在价格低，容量大，充电块，体积小[2]等方面，这给部分企业有了可乘之机，通过消费者的心理肆意夸大产品性能，通过一些辅助功能博人眼球，混淆视听，蒙蔽消费者[2]。

3）执行标准部分项目方法不明确，GB/T 35590-2017标准的部分条款在方法和判断上存在不明确的情况，导致在市场抽检的时候，一些不合格厂家通过对标准中模糊的定义来进行辩解，例如：输出电压、纹波和杂讯中未明确规定放置10 min后测量的数据是待载测量还是空载测量。