电动自行车及充电器电气安全风险分析

沈援海，郑发秀, 邱瑞, 李强，李金泰

（1.中移（杭州）信息技术有限公司，杭州 311121； 2.威凯检测技术有限公司，广州 510663）

引言

随着智能化、蓄电池等技术的不断发展，以蓄电池作为辅助能源的电动自行车以其便捷、节能环保和性价比高等优点，逐渐成为当今人们出行的重要工具[1]。同时，市场上电动自行车产品质量良莠不齐，电气安全问题屡被报导，消费者对电动自行车产品的可靠性和安全性的投诉也越来越多。根据国家市场监督总局通报的2022年电动自行车和电动自行车电池产品质量国家监督抽查情况，其中电动自行车抽查不合格率高为20.5 %，电动自行车电池抽查不合格率为22.0 %。因此，中国国家质量监督检验检疫总局近期分别发布了专门针对电动自行车整车电气安全的强制性标准GB 42295-2022《电动自行车电气安全要求》和针对电动自行车用充电器安全的强制性标准GB 42296-2022《电动自行车用充电器安全技术要求》，其明确了对电动自行车整车及其充电器的电气安全性的要求，为电动自行车的电气安全要求提供了依据，有助于提高电动自行车的安全性能[2]。

本文将以电动自行车整车及充电器电气安全要求新标准为基础，详细介绍了电动自行车及其充电器电气安全测试过程的关键技术点，并对常见电气安全进行案例分析，以期为业界相关读者提供参考。

1 标准规定

1.1 电动自行车标准

目前，国内的电动自行车主要是指以车载蓄电池作为辅助能源，具有脚踏骑行能力，能实现电助或电驱动功能的两轮自行车。其整车的现行标准主要是GB 17761- 2008《电动自行车通用技术条件》（以下简称GB 17761），该标准规定了电动自行车的整车安全、电气安全、机械安全、阻燃性能、无线电骚扰特性、防火性能和使用说明书的主要技术要求及相应的使用方法。同时为了弥补整车电气安全指标的缺陷，国家质量监督检验检疫总局针对电动自行车的电气安全专门发布了GB 42295-2022《电动自行车电气安全要求》（以下简称GB 42295）标准，其明确规定了电动自行车安全的标识、警示语、连线、绝缘电阻、导线、电压、发热、振动与冲击、防护、电气强度耐温与耐湿的要求及其相应的试验方法[3]。

1.2 电动自行车用充电器标准

当前电动自行车主要电器零部件包括电机、充电器、控制器和电池等部件，其中充电器的安全性能尤其重要，其直接影响着电动自行车的安全使用质量。对于充电器的相关标准主要是GB 42296-2022《电动自行车用充电器安全技术要求》。其规定了电动自行车用充电器的防触电保护类别、标志、安全性、警示语和说明书的技术要求以及相应的检测方法，其主要适用于GB 17761规定的电动自行车用充电器[4]。

综上所述，GB 42295、GB 42296和GB 17761这三项国家强制性标准共同构成了电动自行车产品安全标准体系。

2 车辆电气安全标准技术关键点

2.1 标识和警示

按照GB 52295标准的要求，本次标准新增了对电动自行车电气安全要求，提出了电动自行车整车以及蓄电池的电气安全要求。整车带电部件和蓄电池都需要有相应的标识和警示。例如，在电动自行车整车电压高于35 Vdc和16 Vac的主回路和蓄电池系统中人员容易接触到的带电的防护罩位置，清晰牢固地标注标注警示标识，如图1所示。

图1 当心触电的警示标注

同时，需要在电动自行车的蓄电池上明确标识出其充放电的工作温度范围、最大的充放电的电流、充电最高终止电压、放电最低终止电压等参数，体现消费者进行识别。

2.2 布线、导线与连接

相比GB 17761标准，电动自行车电气安全标准明确规定了在导线的布置及连接方式、连接需要满足一定的强度要求。详细情况如下：

1）布线

首先所有的电气导线布线时均应该布置整齐、捆扎成束固定，布置时应该避开锋利的锐边，避免与可移动部件接触，同时可以增加绝缘护套进行保护。

2）导线

车辆和蓄电池组内或蓄电池组之间连接的使用的导线，其标称横截面积应大于其所在电路的最大工作电流的要求，。详见表1所示。

表1 导线的标称横截面积表

3）连接拉脱力

车辆的插接件插接应该可靠牢固，无松脱。其车辆插接器连接导线的拉脱力，其在主回路中的应不小于50 N，在非主回路中的应不小于20 N；同时对于蓄电池组内部的螺钉、螺母的拆卸扭矩力进行了规定。

2.3 电压

依据GB/T 3805-2008《特低电压（ELV）限值》 规定，在环境湿润的条件和电路无故障情况下，人体本身能承受的电压能力分别为直流电压35 V和交流电压16 V。因此，电动自行车正常工作及电门锁关闭后的电压值应该符合表2的规定。除此之外，电动自行车应该装有熔断器或断路器等短路保护装置。

表2 电压限值表

2.4 绝缘电阻

一般常温情况下，电动自行车的电器部件和线路的各处绝缘值应不小于20 MΩ，其通过直流电压500 V的绝缘电阻表测量。需要注意的是，当部件经历了发热、高温、低温贮存和恒定湿热等环境试验后，其绝缘电阻的最小限值也将变动，详见表3所示。

表3 绝缘电阻限值表

2.5 电气强度

车辆的电气强度要求先在环境温度为（40±2）℃、相对湿度为（93±3）%RH的试验箱内进行持续时间为2天的恒定湿热试验。待试验结束后，在车辆的各试验点（电动机与控制器、仪表、闪光器、开关、电门锁、保护装置、采样电路、蓄电池系统等）进行施加不同电压和时间的试验参数进行电气强度试验，其标准要求蓄电池系统、控制系统等与裸露可导电部件之间无击穿或闪络。

2.6 发热与防护

车辆电气的防护主要分成以下几种，对触及带电部分的防护、短路防护、外露可导欧典部分触电防护、充电保护、放电保护、温度保护、温度异常报警、保护装置失效断电以及互认协同充电等。

而车辆的发热一般是指车辆的电器部件（电动机与控制器、仪表、灯具和保护装置等）在一定条件下工作一段时间后，其温升的变化不能超过规定值，详见表4。

表4 相关矩阵表

因此，车辆部件发热应予以控制，电气电路防护要有适当的防护，充放电异常时需要有相应保护。

2.7 振动与冲击

车辆与车辆的蓄电池系统需要足够的机械可靠性，其能保障车辆零部件不会在振动或冲击情况下存在松动或脱落的现象。因此，电动自行车整车需要进行振动试验，蓄电池系统需进行冲击试验，通过试验检测，确认其电气安全特性是否满足标准要求，车辆是否不会出现电器着火、爆炸、漏液等现象，蓄电池系统是否会出现着火、爆炸、外壳破裂、漏液等现象。

3 充电器安全标准技术关键点

3.1 输出接口安全性

根据电动自行车车辆的蓄电池系统类型，业内存在铅酸蓄电池组充电器和锂离子电池组充电器这两种类型的充电器，依据GB 42296标准要求，这两种类别的充电器插头插座系统不能互插，其插座形式，分别如图2和图3所示。

图2 铅酸蓄电池充电器输出接口对应的插座图

图3 锂离子电池充电器输出接口对应的插座图

因此，为保证车辆安全，充电器与车辆蓄电池系统之间应该存在通讯功能，特别是锂电池充电器，必须完成与被充电系统之间的协同互认，确认了被充电系统的电池组种类、电压、电池容量等参数后，才可以进行充电。这样，可以有效避免了充电器的混用、滥充，过充电电等问题，降低了起火的风险。

3.2 发热与热控制

根据充电器是否具备保护接地，我们可以分成有保护接地的Ⅰ类充电器和无保护接地的Ⅱ类充电器。这两种类型的充电器均应该满足一定的电气安全特性要求，尤其是发热与热失控。首先，充电器表面、电源软性及输出先的温升在温度的试验环境下其金属材料温升不超过30 K，非金属材料不超过50 K；其次，所有的充电器应该具备超温保护功能，当检测到温度超过规定的温度时，其能保证在规定的时间内切断输出电流；最后，充电器应该具备过充切断和颜色切断功能用于切断不同状态下的输出电流。

4 电气安全风险分析

电动自行车产品的质量风险主要表现为交通安全风险和电气安全风险，其中车辆蓄电池系统的电气安全其尤其重要[5,6]。本文根据2022年电动自行车和电动自行车电池产品质量国家监督的抽查情况，主要对车辆蓄电池系统的不合格项目进行分析并给出整改建议，其主要反映行业内的电动自行车蓄电池的电气安全共性问题[7]。

4.1 铅酸蓄电池

电池低温容量问题、能量密度问题以及大电流放电时间短是电动自行车铅酸蓄电产品的三大主要问题。其中前两者主要表现为电池有效工作时间短、影响车辆行驶里程，后者直接影响电池自行车的加速行驶里程，导致广大消费者感觉车辆的电池不耐用、掉电快等问题。针对以上这三种问题，给出了合理的整改建议，详见表5。

表5 相关矩阵表

4.2 锂离子电池

锂离子电池发生电气安全事故的原因很多，往往发生后会造成较大的影响。因此，国抽中的不合格项目过充电、短路保护、放电过流保护等问题显得尤其重要，需要特别关注[8]。其中，过充电项目主要是为了模拟验证消费者在长时间充电或用了电池技术参数不匹配的充电器等情况下电池产品工作状态，如不合格产品将存在发生起火或者爆炸等风险；而短路保护和放电过流保护则都是电池电气风险的重要保护措施，其可以有效避免短路、放电过流等引发的液体泄露、起火、爆炸等危害。对此，在对电池的保护措施严格检验检测的基础上，选用可靠性好的保护元器件，并在设计上合理设计多重保护。

5 结束语

人随着民生活水平的不断提高，广大消费者对电动自行车产品的质量也越来越关注，尤其是涉及财产、人员安全方面等质量问题。因此，本文以电动自行车和电动自行车用充电器的电气安全新国家标准为基础，详细分析了试验测试过程中的关键技术点，并对常见电气安全进行了原因分析，并提出了相应的整改措施建议。后续随着电动自行车产业的持续发展，用户需求也将不断更新变化，如何保证电动自行车及电动自行车用充电器的电气安全将是未来的关注重点，本文为广大客户、研发人员及制造商等提供有力的依据，为电动自行车产业质量提升提供支持。