电动两轮车电池充电安全风险分析

薛宇 龚皓 诸葛相丽

摘 要：充电泛指使用市电（交流220V）给电动两轮车所用的电池进行充电，把电网的电能转变为化学能。本文从电动两轮车使用及充电入手，对三段式充电过程进行了技术分析，对铅酸电池和锂离子电池的充电安全事故，特别是发生热失控的原因进行了剖析，介绍了智能判断、二次回路反馈设计、外壳阻燃等强化充电安全措施，展望了充电的发展方向和安全管理措施。

关键词：充电过程，安全事故分析，改进措施，发展方向

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.035

电动两轮车主要包含电动自行车和电动摩托车（含电动轻便摩托车）两大类。所使用的电池基本上以铅酸蓄电池、锂离子蓄电池为主。世界上其他国家的电动两轮车是作为休闲娱乐工具，我国的电动两轮车一般是作为交通工具。所以电动两轮车使用者要求我国的电动两轮车能跑得快、走的远。据不完全统计，2021年电动自行车社会保有量为3.2亿，新增电动自行车3500万辆、电动摩托车3000万辆，年出口电动两轮车360万辆左右。电动两轮车用锂离子电池产量75GWh。电动两轮车用鉛酸蓄电池产量130GWh。电动两轮车锂离子动力电池主要是锰酸锂电池、三元电池、磷酸铁锂电池。

电动两轮车所用的电池，主要是铅酸蓄电池和锂离子蓄电池。近年国家在积极推行电动自行车3C认证，以及轻量化、锂电化，所以锂电车占比也逐年提高。截止2022年初，电动两轮车所用电池，铅酸蓄电池总占比为75%，占新增的65%；锂离子蓄电池总占比为25%，占新增量的35%。相对而言，锂离子蓄电池价格更贵一些。

1 充电过程分析

常见的充电方法分为三段式、脉冲式、恒流式等。但电动两轮车电池通常使用三段式的充电方式。典型的三段式充电分为恒流充电阶段、恒压充电阶段、涓流充电阶段，恒流充电阶段大约充入总充电量的80%，也称为高效充电阶段，恒压充电阶段大约充入总充电量的15%，也称为高压充电阶段，涓流充电阶段则进行最后的补充电。以市面上最常见的4820型充电器的充电过程为例，在恒流充电阶段，保持3A左右的恒定直流电流，被充电电池组的电压从42V逐步充到58V左右，切换到恒压充电阶段，此时充电器输出的直流电流不再恒定，开始慢慢下降，充电电压则上升到59V左右并保持恒定，当直流充电电流逐步减小，达到550mA左右时，切换到涓流充电阶段，此时充电指示灯由红色转为绿色后，充电器使用52V左右恒压和50mA以下的小电流对电池进行最后的补充充电[1]。充电过程曲线图如图1、图2所示。

脉冲式充电过程，主要包含预充、恒流充电和脉冲充电三个阶段。脉冲式充电的好处是，在充电过程中可以即时消除电池电极的极化电压，缩短充电总时间，但同时也存在充电电流大、发热大、电池容易失水的问题，故采用不多。但在二级市场对旧电池组的维护中，由于通过脉冲可以去除部分电极上的结晶，据有一定修复作用，常常被采用。恒流式充电其实就是三段式的第一段，现在很少采用。

2 安全事故分析

据统计，2 021年全国共发生电动两轮车火灾1. 8万余起，安全风险突出，充电阶段占55%，其中锂离子电池充电是事故发生的重灾区。分析充电事故产生过程（以4820充电器为例），第一，由于充电器逻辑设计，从恒流充电转为恒压充电的切换条件为电池组端电压达到58V。例如4 8V电池组，铅酸电池是由4块12V单体电池，单体电池由6个2V的电池单格组成。锂离子电池则由12串（三元电池，单体电池电压3.7V）、13串（铁锂电池， 单体电池电压3.2V）组成，单体电池电压在充电过程中，正常情况下，逐步由低电位充到高电位，整个电池组电压也应达到58V。但是实际充电时可能发生意外，发生某一单体电池损坏、短路等原因，那么串联其中的一个单体电池电压2V/3.2V/3.7V就会降为很低的电压，造成由每个单体电池电压串联累计的电压值就可能达不到恒流阶段-恒压阶段切换电压，由于充电器逻辑判断，一直未达到切换电压，就一直使用大电流对电池组进行恒流充电。长时间就会导致电池组发生过充，轻则引起电池失水鼓涨、重则可能发生燃烧等事故。理论上锂离子电池组还有BMS保护系统，但是如果后期非专业改装或者维修，使得BMS设置的保护电压、电流值过高，不能起到保护作用，则极易造成充电安全风险，由于锂离子电池的膈膜薄、内阻小，有可能出现爆燃事故；第二，冬天和夏天的温度也相差很大，即使正常充电，采用同样的充电程序、电流、电压、切换电压等参数设计，由于电池对温度比较敏感，本身就可能发生冬天充不满，夏天充鼓涨的情况，也存在一定的充电安全风险；第三，由于恶性竞争，一味降低成本，造成充电器设计不合理，一旦发生内部短路时，产生的现象是，充电器输出端电压突然升高，从最大57V的输出电压，可能突然阶跃到100V以上，直接造成被充电电池组的短路，造成充电事故。研究结果表明，锂离子电池的能量密度每增加1kWh/kg，热失控的触发温度将随之降低0.42℃。

可见高能量密度电池（锂离子电池）相比普通电池（铅酸电池）更容易发生热失控现象。电池的热失控是指由于电池发热与散热之间的平衡失控所引起的。通常由电池组成的材料在高温下的分解和相互反应所导致。热失控的过程包括以下几种反应：第一，固体电解质间相分解。第二，阳极活性物质与电解液的反应。第三，电池电解液分解。第四，阴极活性物质与电解液发生反应。特别是热失控刚开始时，电池阳极材料表面的SEI分解，这个过程中会产生部分的氧气和可燃气体，很可能会发生燃烧。如果电池组没有成熟的电池安全结构设计，就可能引发充电安全事故。

3 强化充电安全措施

针对目前三段式充电的技术特点，分析充电过程事故的产生原因，为了进一步强化充电安全管理，提出了技术改进方法。第一，进行充电过程热失控管理，对三段式充电的恒流-恒压充电阶段的切换条件，电池组端电压达到切换电压值不再作为唯一的切换条件，增加充电过程充入电量的监控，利用充电器芯片运算，从恒流充电开始时，就即时检测充电的电压、电流、时间，采用电流对时间积分的运算，即时累积计算充入电池组的电荷量，智能判断电池是否已充满。以4820电池组为例，当充入电量累积达到1.2C（电池组额定容量的120%）时，就算未达到切换电压，充电器也要智能判断停止恒流充电，防止电池过充产生危险。在恒压充电和涓流充电阶段，则设计成当时间达到足够长时，设置为4小时左右，也要智能判断停止充电[2]；第二，在充电器的二次回路增加反馈线路设计，要求跨接一次、二次回路的电容器须使用二个以上电容串联，跨接光耦质量更要好，设计要求当一次回路与二次回路万一发生短路时，一次回路的电压不会串到二次回路，造成充电器输出电压急剧升高，这样可以减少发生充电事故的概率；第三，电池组和充电器的外壳材料，常常采用ABS材料，阻燃等级从V1级提高到V0级，这个改进成本增加不多，但阻燃效果明显提升。

4 发展趋势

充电过程数据通讯、智能化、绿色环保是发展的大趋势。技术法规逐步要求电池组要具备电源管理系统（目前锂离子电池均已经安装BMS），让电动两轮车、充电器、电池组都增添“智慧大脑”，就给充电过程提供了安全保障的基础，充电开始前，充电器先与电池组进行通讯握手，充电器获得电池组的电池性质、电池组串数、额定电压、电流、满电状态等技术参数。充电过程中，即时把充电时电池组的温度、充电电流、累计充入电荷量等信息发送给充电器，由充电器进行智能判断，选择适应的充电阶段、动态调整充电参数，实现按需充电。尽量避免出现过充、鼓涨、燃烧等充电事故。同时，针对电池充电夏天易过充鼓涨、冬天充不满的问题，引入温度补偿的概念，让充电器根据充电环境温度，对充电电压参数自动进行微调，或者根据具体电池热线采用预置温度-电压充电曲线图，进行个性化充电。最后，设计符合电磁兼容要求的充电器，充电过程尽量减少对外界辐射，增强充电过程抗外界干扰的能力，实现充电过程绿色环保。

参考文献

[1]薛宇，秦婷，张绪芳.充电器国家标准中充电参数的规定和分析[J].中国自行车，2022（11）：106-107.

[2]国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会：电动自行车用充电器技术要求：GB/T 36944-2018[S].

作者简介

薛宇，本科，教授级高级工程师，全国铅酸蓄电池标准化技术委员会委员（SAC/TC 69），主要从事电动自行车、电池、充电器等电子电器产品的检验、认证、标准化工作。

龚皓，硕士，高级工程师，主要从事电动自行车、电池、充电器等电子电器产品的检验管理、认证、标准化工作。

诸葛相丽，硕士，工程师，主要从事电动自行车、电池、充电器等产品的检验管理。

（责任编辑：张瑞洋）