电动自行车充电过程中起火原因分析及防范对策

姜自营

(临沂市消防支队,山东 临沂 276000）

电动车的大力发展与普及,可显著减少燃油使用量,从源头上解决车辆尾气对大气的污染。电动车行业的发展不可避免地带来了新的安全问题,那就是电动车的火灾事故。根据消防部门统计分析数据,全国每年至少有75%的电动自行车(以下简称“电动车”)火灾发生在蓄电池充电过程中[1]。因此,笔者针对电动车充电过程中的起火原因及相关防范对策,进行深入研究分析。

1.电动车易引发火灾部件分析

造成电动车发生火灾的原因可归结为以下2方面[2]:

第一，电动车硬件配置问题。电气安全保护装置不合格、主要电器器件如充电器和电机等工作参数不匹配、工作线路装配布置不合理、车体外饰大量采用可燃材料等。

第二，使用者操作不当。过度充电、私拉电线充电、非专业人员拆修、私设防盗器等增加电池负荷的器件等等。电动车自身硬件的火灾事故概率是不同的,按照高、中、低3个等级划分如表1所示。

2.电动车充电过程引发火灾原因分析

（1）充电器故障引发火灾

充电器的主要作用是将输入的220 V/50 Hz的交流工频电转换为能够被蓄电池组使用的直流电压和电流。常见的电动自行车充电器属于三段式充电,即经过恒流、恒压和浮充3个阶段。导致充电器发生故障的原因主要有以下3个方面。

表1 电动车不同部件火灾事故概率划分

第一，充电器内部散热差、温升快。影响充电器散热性能的主要因素包括充电器外壳封装较为严密,或留有的换气孔设置不合理,释放热量速度较慢,另外充电器内置的小功率散热扇发生故障。除此之外,蓄电池电量处于欠压状态下,采用三段式充电,充电完成时间一般在9 h左右。充电器长时间工作在上述情况下温升速度很快,温度达到电路器件耐温极限时非常危险。充电器内部电路板所使用到的许多电子元器件,如电容、二极管、集成芯片等基本都不能在持续高温环境下工作。功率消耗较大的三极管等器件在使用时也会产生一定的热量。电动车充电过程中如果主要器件发热严重,而又无法及时的将热量分散出去,很可能导致充电器电路板器件烧毁,甚至造成充电器的起火爆炸。

第二，元器件松动。为方便电池续航,电动车充电器一般随车携带。如果车辆经常行驶在颠簸路况,充电器内部若干元器件会产生松动。如此容易引起充电器充电时的工作电压不稳定,功率振荡,很多电能转换成热能,慢慢集聚,容易烧毁充电器内部耐热性差器件,如电路板、电容等,甚至直接引燃无阻燃的塑料外壳。

第三，缺乏相关保护装置。充电器工作时容易受电网电压波动影响产生较大的瞬时电流,电流达到一定等级后会造成内部变压器一次侧发生短路;蓄电池在充电时,如果不慎将电池正负极接反容易发生爆炸。上述几种意外状况在日常的电动车充电时比较常见。

因此,为防止各种常见电路故障导致充电器直接损坏,设计诸如短路、反接和过热保护等电路是必需的。国内生产电动车充电器的厂家众多,既有品牌电动车生产的配套充电器,也有许多企业生产的各规格普通充电器。虽然充电器所涉及的技术难度不高,但各个厂家推出的充电器质量却参差不齐。选择并使用不具有相关保护功能的劣质充电器,增加了电动车充电时发生火灾的可能性。

（2）蓄电池故障引发火灾

目前市面上比较常见的电动车电池类型可分为铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池等等。铅酸蓄电池凭借较高的性价比一直受到电动车生产商以及消费者的青睐。铅酸蓄电池储存和释放电能的实质是硫酸铅和水进行化学反应。如果出现刺激条件如外界环境中的温度过高,导致反应不稳定,电池容易发生爆炸起火。

第一，铅酸蓄电池析氢过量。蓄电池充电时其电解液的浓度在逐渐增大,若发生热失控现象,电池会析出许多氢气和氧气。氢气属于易燃易爆的不稳定气体,而氧气可助燃。当两者的混合浓度达到4%～74．2%时,一旦周围有电火花产生就能造成瞬间的起火甚至爆炸。

第二，蓄电池过度充电。电池充电时间过长可能是使用者一时的疏忽,也可能是由于电池老化使得电池电压持续相对偏低,充电器不能调整到涓流模式而是一直工作在大电流充电状态下造成的。蓄电池过度充电引发自身高温,正负极接线柱极板受腐蚀作用发生破裂,电解液流出或极柱接线不牢产生火花,遇明火爆炸。

第三，蓄电池“超期服役”。蓄电池超过使用期限,会大大增加起火概率。而目前电动自行车的使用者往往会忽略蓄电池超期的问题,不能及时更换,造成充电过程中过热爆燃事故频发。

（3）线路故障

电动车自身电气线路短路是引发电动车火灾的重要因素。从电动车充电时电流流通回路来看,电气线路主要由充电器(包括电源线和抽头)、车身充电插座、插座与电池之间的导线、各个蓄电池正负极端子之间的连接线。此部分线路发生短路的原因：第一，插头与插座之间连接不牢靠导致的短路。第二，充电器电源线在长期使用后因线路老化或与其它尖锐杂物摩擦导致导线绝缘层损伤引起短路。[3]第三，电动车电池组装之后,其电池相互连接线路可能受外力挤压等作用引起金属层裸露,很容易发生短路现象。通过分析蓄电池发生短路时相关导线截面积与外层绝缘皮分解时间的数据关系总结出数据如表2所示。

表2 电池发生短路时数据

由表2可知,短路电池数量一定的前提下,截面积大的导线绝缘皮分解时间较长,并且随着短路电池数量的增多,导线到达燃点时间越来越短。因此,蓄电池连接导线应选择一定范围内截面积较大的。

许多居民小区、大型超市、工厂企业都提供公用车棚以方便人们临时停放车辆。车棚中若带有充电设施,其充电线路往往线径小、保护装置匮乏。第一，当电动车扎堆充电时容易由充电过载、短路或发热引起火灾。第二，电动车使用者私自改装电气线路,如增加防盗功能,因改装线路不经过电源总线,没有电气保护装置,相关线路一旦发生短路则会引发火灾。第三，电动车车身支架大都采用无阻燃材料的硬质塑料制作,火灾发生后火势愈演愈烈,有毒有害气体在密封空间能够造成人员伤亡。

火灾案例。笔者统计了几起电动车电气线路短路火灾伤亡事故,如表3所示。

3.电动车充电过程火灾防范对策

通过分析电动车充电回路中各个部分可能存在的具体起火原因,可制定出详细的防范措施。下面分别从技术防范和使用防范2个方面详细探讨电动车充电过程火灾防范对策。

（1）技术防范对策

第一，充电器交流电源回路设置速断式保险管。鉴于许多公共场合中的临时充电线路或者充电桩设施存在安全保护装置不规范问题,充电器生产企业应在保证产品使用稳定的前提下,在充电器插头部分或者其壳体电路板前端安装5 A/250 V规格的速断保险丝。当充电器的变压器一次侧发生故障或者电源线因金属部分裸露等原因造成短路时能够第一时间切断电源。

第二，充电器直流输出回路安装速断式保险管。一是，充电器插头在充电过程中可能因为外力作用造成接触不良。二是，各个蓄电池的接线柱也可能因为挤压等原因造成短路。因此,有必要在充电器与电动车的电源连接部分安装速断保险丝。

第三，确保控制器线路断路器工作可靠。电动车控制器线路比较复杂,尤其是带有自动巡航、电机锁、报警等附加功能的控制器。为确保各功能线路出现电气故障时不会产生连锁反应,蓄电池与控制器连接主电路必须安装断路器。由于该断路器每次起跳都会影响电动车正常使用,许多用户为了免去维修麻烦就主动拆除断路器,小故障引起整车线路烧毁的实例屡见不鲜。

表3 电动车电气线路短路火灾伤亡事故

（2）使用防范对策

第一，规范充电器标准。电动车充电器质量差是造成车辆充电起火的主要原因之一。只有保证整流、滤波、稳压、过载及短路保护等功能完整且采用阻燃材料、散热快的充电器才是质量合格,可被人们放心使用的电动车配件。在购买充电器时应优先选择安全性高的品牌产品,不能因为价格便宜就盲目选择使用。

第二，检查蓄电池安全性能。电动车电池可用电容量在低于10%时候进行充电,一般需要持续充电10 h左右。蓄电池过度充电达到一定次数会导致电池内极板活性物质早期疏化。除此之外,高温环境下应保证电池充电四周通风散热状况,尤其是炎热季节更应避免过充电。当发现电池充电不正常时,如总是充不满或者直接不能充电时,应立即停止充电。首先排除充电器保护装置是否失灵故障,之后仔细检查电池性能。

第三，做好电气线路检查、维护工作。电动车电路导线在长期使用过程中,导线的橡胶绝缘层易产生老化开裂,尤其是在多条电路线混扎的集束线中,一旦几根导线由于绝缘层老化开裂,在过载高温烘烤下极容易引起线间相互短路并燃烧,所以在日常的维护保养中,应注重检查电路导线的老化龟裂程度,发现有破损开裂的导线应及时包扎或更换,车辆当行驶一段时间后,应当在有维修资质的部门作一次整体的检测。