电动自行车充电电气安全技术分析

2023-12-28周瑞阳

中国设备工程 2023年24期

周瑞阳

（厦门市九安安全检测评价事务所有限公司，福建厦门 361000）

近年来，电动自行车作为一款新型交通工具，具有价格低、使用便捷、易于维护的显著优势，赢得了消费者的广泛青睐，而电动自行车的节能环保属性也与我国可持续发展、节能环保的战略理念相契合，电动自行车年销售量与市场保有量逐年稳步增加。然而，在电动自行车充电期间却存在安全隐患，充电起火事故时有发生，造成了严重的经济损失。在这一背景下，必须加大对电动自行车充电电气安全技术的研究，有效改善电动自行车使用体验，提高电动自行车充电安全。

1 电动自行车充电起火问题

1.1 形成原因

根据实际应用情况来看，在电动自行车使用期间，充电起火问题的形成原因包括线路短路、插件接触不良、充电器故障、蓄电池故障4 个方面。（1）线路短路。电源线在使用期间逐渐出现老化现象，如果电源线到达设计寿命后继续使用、长期处于复杂运行环境，或是存在线路缠绕、拉扯等情况，都有可能损坏线路绝缘层，进而出现短路故障，导致线路超温和向外释放电弧。（2）插件接触不良。当前，绝大多数电动自行车都选用黄铜材质插件，通过冷铆压合工艺把插件与电气部件相互连接，如果插件本身存在安装不牢固等质量问题，或是在电动自行车使用期间出现插头未完全插入插座、插件遭受外力碰撞等情况，都会影响插件接触效果，进而出现电阻增加、局部过热超温、短路等电气故障，引发电气火灾事故。（3）充电器故障。充电器长期处于高负荷运行状态，致使元器件老化速度加快，有可能出现击穿电源开关管、短路等故障问题。以常见的开关电源式充电器为例，由开关电源和检测电路组成，使用期间出现击穿开关管故障或是击穿高压端整流二极管故障后，将会在电源回路内形成短路电流，最终引发电源侧线路起火事故。（4）蓄电池故障。早期型号电动自行车产品的蓄电池不具备自动断电功能，如果使用者在充满电后未及时断开电源，则蓄电池将持续处于充电状态，随着时间推移，部件老化速度加快，最终出现正负极板变形、蓄电池短路等故障问题，存在安全隐患。同时，如果充电器与蓄电池组互不兼容，在充电期间也有可能出现电阻电容烧损、输出电压超标、蓄电池爆炸等问题。

1.2 危害后果

相比新能源汽车、燃油汽车、自行车等其他交通工具，电动自行车的故障率与火灾事故发生率偏高，容易在停车棚等区域发生电气火灾事故，造成严重经济损失，偶尔出现人员伤亡。根据我国应急管理部消防救援局调查数据显示，2022 年1 ～3 月，全国共发生3777 起电动自行车火灾事故，同比上升35.9%，远超过其他交通工具的火灾平均增长幅值，而过度充电、电池单体故障是引起火灾事故的主要原因，所占比例分别为62.1%与23.5%。简单来讲，当前面临着严峻的电动自行车充电安全形势，并对我国电动自行车行业发展造成了阻碍。

2 电动自行车充电电气安全技术的应用策略

2.1 加装线路保护装置

为预防充电线路在工作期间出现短路、超温、断路等电气故障，安全完成充电任务。需要在充电线路上加装保护装置，常用装置包括熔断器、空气开关、防火限流保护器、电压保护装置。（1）熔断器起到了电流保护作用，可配备速断型保险管，如果熔断器上流经电流值超过安全阀值，则凭借电流所释放热量来熔断保险管，切断电路，后续待故障处理完毕后更换全新保险管即可，避免充电线路出现过电流与超温运行故障。（2）空气开关也被称为空气断路器，使用功能可熔断器较为相似，布置在蓄电池通向控制器主回路上，负责在电动自行车充电期间持续监测电路电流值，如果实时电流值超过额定电流，可以自动断开电路、停止充电。（3）防火限流开关具备瞬间切断短路电流的优势，凭借半导体内部载流子运动来展开断开动作，切断电流时不会产生电弧，而传统空气开关的分段时间较长，普遍在30 ～50ms。（4）电压保护装置以控制充电线路电压值为功能定位，提供过电压保护与欠电压保护。在电动自行车充电期间，无论是线路电压峰值超过最大稳态电压峰值，还是实时电压值低于最小电压限定值，都会立即开展保护动作，并在线路恢复到足够电压后重新投入电动机，继续充电过程。

2.2 选用新型电源插头

为避免因插头插座接触不良而出现插头超温等运行故障，需要在电动自行车上配备新型的电源插头，具体使用防脱插头、防水插头2 种：（1）防脱插头。在电源插头和插座两侧对称设置插孔板与配套的插孔防护组件，由复位弹簧、防护推板、辅助推板等部件组成。用户在电动自行车充电期间，如果没有把插头完全插入插座，将无法切换为充电模式，督促用户完全插入插头。同时，充电线路在中途遭受外部拉扯时，也可以有效预防插头松脱问题出现，并在插头轻微松脱后，利用插孔防护组件的吸附磁铁来自动复位插座。（2）防水插头。考虑到电动自行车充电环境较为复杂，如果用户选择在露天场所充电，插头部位容易渗入水分，引发短路等故障出现。因此，需要配备具备防水功能的电源插头，在插头外部额外设置防护罩，由防护罩阻隔雨水进入内部，或是在插头表面额外设置塑料护套，起到完全阻隔插头与外部空气及雨水的作用。

2.3 智能充电

对于选用公共充电桩进行充电的用户，为彻底解决电动自行车过度充电的问题，预防电池短路故障与电池爆炸等安全事故出现。需要应用智能充电技术，持续检测电池充电状态，充满电后立即断电，或是更换其他电池继续充电，智能充电系统结构由推送机构、机械臂、充电仓、调温模块4 部分组成。（1）推送机构。在装置主体上布置导轨与固定连接电控伸缩机，在推送机构检测到装入电池组后，电控伸缩机通电向指定方向推送推动板，推动板经过导轨推送就位，把电池组放置在正确位置。（2）机械臂。具备升降功能，在基座上安装伺服电控伸缩机，带动升缩机穿过环形底板抵达基座部位，把电池组件放入充电仓内部。（3）充电仓。在底部中心部位设置单个或是多个充电接口，充电接口凸出底座，下方设置充电器，通过伺服电机、环形底板等配件把充电仓体旋转就位，保持充电仓充电接口与电池组件电源接口连接状态，进行充电，待传感器反馈信号，或是电池组件闪烁绿灯后，再旋转充电仓位置，自动实现充电与断电功能。（4）调温模块。在基座内侧设置电阻加热器，周边设置散热风扇与温度传感器。在电池组件充电期间，由传感器持续检测工作温度与环境温度，工作温度超标时启动散热风扇进行降温，环境温度偏低时，则启动电阻加热器来提升温度，避免电池组件在高温、低温条件下出现运行故障。

2.4 创新电动自行车充电形式

早期型号电动自行车普遍采取有线充电方式，无论是充电效果还是电气安全系数，都会受到外部环境、操作行为的影响，充满不确定性，如用户出现未完全插入插头、拉扯碰撞充电线路等错误操作行为。同时，所使用充电线路随着时间推移逐渐出现严重老化问题，绝缘性能被削弱，有可能出现绝缘失效、短路、超温等运行故障，存在安全隐患。

因此，为彻底解决此类安全隐患，预防充电火灾事故发生，需要创新电动自行车充电形式，由无线充电取代传统有线充电形式，具体可采取电场耦合传能、电磁感应传能、无线电波传能、磁共振传能4 项技术。（1）电场耦合传能。充电设备与电动自行车充电器二者采取非对称偶极自来传输电流，此项技术有着充电转换率高的优势，但存在充电设备体积较大、功率偏低、充电速度慢的局限性。（2）电磁感应传能。基于电磁感应原理，率先把电能转换成磁场，后续凭借磁通变化手段向电动自行车输送电能，有着建造成本低廉、充电设备体积小的优势，但对充电距离有着严格要求，必须抵近安放充电设备进行充电，如果充电设备与电池组件间隔距离超标，则会出现充电中断、无法充电情况，且在充电期间会产生明显电能损耗。（3）无线电波传能。提前把微波转换为电能后持续输送给电池组件，有着传输距离远、传输过程稳定性强的优势，但根据实际应用情况来看，电能传输功率偏小，普遍保持在100MW 左右，需要较长时间完成电动自行车充电任务。（4）磁共振传能。要求用户把充电设备与电动自行车充电器二者调节到相同谐振频率，利用变化磁场来形成电场，持续把发射端能量传递给接收端。此项技术具备范围充电和远距离充电条件，可以在相同时间段内完成多台电动自行车的充电任务，但传输损耗量较高，在充电期间会消耗过多电能。

2.5 蓄电池防篡改

电动自行车本质上属于一类非机动车交通工具，为保证交通安全，我国在《电动自行车安全技术规范》，明确规定电动自行车蓄电池最大标称电压不得超过48V、整车质量不超过55kg。然而，部分用户为增加电动自行车续航里程，选择私自篡改蓄电池容量，或是安装其他型号蓄电池。在电动自行车充电期间，由于蓄电池与充电器互不兼容，或是蓄电池本身存在质量问题，更容易出现充电故障和引发火灾。因此，需要应用到蓄电池防篡改技术，一方面，在电动自行车出厂前做好质量检验工作，产品质量必须完全符合现行规范要求，如蓄电池固定安装在电池组盒内部、电池组件与盒体保持尺寸匹配状态、蓄电池与盒体侧壁间隙值不得超过30mm、禁止预留扩展车载蓄电池接口与外设蓄电池托架。另一方面，明确电动自行车通信协议标准，搭建蓄电池数字身份追溯机制，提前在系统内建立蓄电池台账，存储蓄电池标准编号、适配车辆、标准容量等信息。在电动自行车使用期间，每隔一段时间或是在各次充电前，系统对蓄电池数字身份进行追溯认证，如果检测到蓄电池容量超标，或是存在私自更换蓄电池等违规操作行为，远程锁定电动自行车充电功能。

2.6 电气安全试验

为避免因产品质量问题而在电动自行车使用期间频繁出现电气故障、出现充电起火安全事故，在电动自行车生产期间，制造企业必须严格遵循《电动自行车安全技术规范》（GB 17761-2018）规定要求，对电动自行车开展电气安全试验，根据试验结果来判断产品质量是否达标，试验内容包括电气装置、控制系统、充电器和蓄电池。（1）对于电气装置。采取目视检查与触摸检查方式来观察导线布线情况是否无误，检查电池输出端电路内是否安装熔断器或是断路器等保护装置，断开动力蓄电池后使用耐电压测试仪来检测电气强度是否达标。（2）对于控制系统，把电动自行车通电，依次检测制动断电、过流保护与防失控等各项功能是否得到顺利使用。以过流保护功能检测为例，把车辆放在地面上，保持驱动轮离地状态，串联直流电流表，并联直流稳定电压，驱动电动机运转后握闸制动，同步检查电流表测量数值，观察电流跌落限值后判断电动机是否断电。（3）对于充电器，在输出端接入满电状态蓄电池，保持额定电压状态，如果接入电池10min 后充电器未出现故障问题，则表明充电器质量达标。随后，验证防触电保护功能，在充电器内放入试验探棒，检查防触电保护功能发挥情况。（4）对于蓄电池，把电池组件充满电后放置2h 以上，再使用直流电压表来测量蓄电池电压值是否超标，并对蓄电池匹配性能、预留扩展接口、电池组件和盒体侧壁间隙值进行测量，判断蓄电池是否经过篡改。