柯毅胤

摘 要：鉛酸蓄電池是電動(dòng)車的主要?jiǎng)恿υ?，電?dòng)車導(dǎo)致的火災(zāi)事故多發(fā)在電池充電過程。本文深入探析了鉛酸蓄電池電動(dòng)車充電過程最易引發(fā)火災(zāi)的時(shí)間段和電池?zé)崾Э亍㈦姵貎?nèi)部短路、過充電析氫爆炸、充電器故障導(dǎo)致充電回路短路、充電線路磨損形成短路等起火機(jī)理，并提出防止電動(dòng)車充電過程起火的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；鉛酸蓄電池；起火機(jī)理；短路

中圖分類號(hào)：U484 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

鉛酸蓄電池具有成本低、性價(jià)比高、可靠性好、原材料易得等優(yōu)點(diǎn)，目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)電動(dòng)車使用鉛酸蓄電池。隨著鉛酸蓄電池電動(dòng)車使用量的不斷上升，電動(dòng)車引起的火災(zāi)也呈逐年上升趨勢(shì)，并造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)80%以上的電動(dòng)車火災(zāi)發(fā)生在充電過程中，其中亡人火災(zāi)幾乎全部發(fā)生在車輛停放或充電時(shí)，因此探究電動(dòng)車充電過程的起火機(jī)理對(duì)預(yù)防電動(dòng)車火災(zāi)具有重要意義。

一、鉛酸蓄電池充電的3個(gè)階段和最易引發(fā)火災(zāi)的時(shí)間段

鉛酸蓄電池充電過程是通過鉛極板或板柵和構(gòu)成電解液的稀硫酸的組合利用可逆化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為潛在的化學(xué)能；放電過程則是反過來又把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

鉛酸蓄電池的充電方式較多，而三段式充電是最常見、應(yīng)用最廣泛的充電方式。三段式充電的3個(gè)階段分別指恒流充電階段、恒壓充電階段、降壓浮充階段（又叫涓流充電階段）。目前三段式充電普遍使用智能控制充電器，能夠在3個(gè)不同充電階段自動(dòng)轉(zhuǎn)換充電模式，如圖1所示。

在恒流充電階段，充電電流保持恒定不變（一般設(shè)定在1.8A左右），隨著蓄電池充進(jìn)電量的增多，蓄電池兩端電壓會(huì)不斷上升，最高可達(dá)到58.5V。在這個(gè)階段，充電電流恒定較大，充電電壓不斷上升，所以充電器溫度也不斷升高，該階段的后期（達(dá)到總充電量70%左右）越來越高的電壓容易造成充電器的元器件被擊穿形成短路電流，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。所以該階段是引起火災(zāi)危險(xiǎn)性不斷上升的過程。蓄電池的放電深度越深該階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，放電深度較深時(shí)該階段可持續(xù)5～7小時(shí)。

恒壓充電階段是指到隨著恒流充電的進(jìn)行，蓄電池的電壓逐漸上升到某個(gè)設(shè)定的恒壓值時(shí)，充電器開始以恒定的開關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行充電的階段，該階段的充電電流隨著蓄電池電壓的上升而不斷減小。恒壓值一般設(shè)定為在44.4V～44.8V范圍內(nèi)。恒壓充電階段為恒定高電壓，總體的火災(zāi)危險(xiǎn)性較高，但隨著充電電流不斷下降，引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)性有所下降，該階段持續(xù)時(shí)間約為兩小時(shí)。

降壓浮充階段是指隨著恒壓充電階段的進(jìn)行，蓄電池基本充滿（恒壓充電階段蓄電池的電量達(dá)到總充電量約90%），電池的充電電流逐漸下降到200mA～300mA左右時(shí)，充電器自動(dòng)降低開關(guān)電源的輸出電壓到較低的恒定值，并保持輸出電壓恒定繼續(xù)充電的階段。降壓浮充階段的充電電流繼續(xù)逐漸減小，該階段持續(xù)約2～3小時(shí)，直到完全（100%）充電狀態(tài)。

鉛酸蓄電池充電完成后，充電電流保持在幾十毫安甚至幾毫安以下，因市面上的大部門三段式智能充電器不具備電池飽和自動(dòng)斷電功能，因此蓄電池將一直保持在過充電狀態(tài)直至被人工斷開。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉛酸蓄電池充電量達(dá)到總量的70%～90%階段引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)性最高，即從恒流充電階段轉(zhuǎn)為恒壓階段之前1個(gè)小時(shí)開始到恒壓充電階段結(jié)束的這段時(shí)間，系統(tǒng)一直保持在高電壓、大電流狀態(tài)，最易引發(fā)短路導(dǎo)致火災(zāi)。該時(shí)間段一般為充電開始后的第5～8小時(shí)。假定居民開始充電的時(shí)間為晚上6時(shí)，則最易引發(fā)火災(zāi)的時(shí)間段為11時(shí)至凌晨3時(shí)。另一個(gè)火災(zāi)高危時(shí)段為過度充電階段，過度充電容易造成極板碎裂和脫落，這些活性物質(zhì)的顆粒落到電池底部，容易造成短路，同時(shí)過度充電也大大地增加了電池發(fā)熱和失水。過度充電階段發(fā)生在充電10小時(shí)以上的時(shí)段。

二、鉛酸蓄電池充電過程起火機(jī)理

（一）鉛酸蓄電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)

熱失控是指鉛酸蓄電池的電流和溫度發(fā)生累積的互相增強(qiáng)的作用，并導(dǎo)致蓄電池的損壞的過程。充電過程的電化學(xué)反應(yīng)釋放熱能和充電電流的形成的電池發(fā)熱共同導(dǎo)致熱量集聚，當(dāng)熱能發(fā)生速度大于蓄電池的熱耗散速度時(shí)，蓄電池溫度上升超過環(huán)境溫度；蓄電池溫度升高會(huì)導(dǎo)致充電電流增加，這又引起蓄電池溫度升高，繼而發(fā)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致熱失控。蓄電池?zé)崾Э厝菀自斐呻姵夭垠w軟化故障、電池殼體破裂或者極柱密封不嚴(yán)，導(dǎo)致內(nèi)部電解液漏出形成電池正負(fù)極間外部短路進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。鉛酸蓄電池?zé)崾Э貙?dǎo)致火災(zāi)的案例較少，而鋰電池發(fā)生熱失控導(dǎo)致火災(zāi)事故的情況較多。

（二）鉛酸蓄電池內(nèi)部短路起火

鉛酸蓄電池的最小單元為電壓2V的單格電池，數(shù)個(gè)單格電池串聯(lián)成到所需電壓的蓄電池，如12V電池由6個(gè)單格電池通過導(dǎo)線串聯(lián)而成。單格電池主要的組成部分包括正、負(fù)極板、電解液、隔板、電極、殼體等。鉛蓄電池的內(nèi)部短路指鉛蓄電池內(nèi)部單格電池的正負(fù)極群之間發(fā)生連接、觸碰。造成蓄電池內(nèi)部短路的原因較多，其主要原因有：①隔板質(zhì)量不好或缺損，使極板活性物質(zhì)穿過，致使正、負(fù)極板虛接觸或直接接觸。②隔板竄位致使正負(fù)極板相連。③極板上的活性物質(zhì)脫落后沉淀在電池的底部形成“導(dǎo)電層”，“導(dǎo)電層”厚度增加至接觸到正、負(fù)極板的下緣時(shí)，導(dǎo)致正負(fù)極板相連。④蓄電池密封不嚴(yán)，正負(fù)極板因外來導(dǎo)電物體進(jìn)入二發(fā)生相連。⑤焊接極群和裝配時(shí)有“鉛流"”“鉛豆”殘留在正負(fù)極板間，充放過程導(dǎo)致隔板破損形成正負(fù)極相連。電池在使用和充電過程中因以上等原因?qū)е聝?nèi)部短路，致使電池溫度迅速升高，誘發(fā)熱失控、最終可能導(dǎo)致起火、爆炸。

（三）過充電導(dǎo)致析氫爆炸

鉛酸蓄電池以硫酸水溶液作為反應(yīng)物直接參與電池反應(yīng)，這使得蓄電池在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，而且蓄電池的單格開路電壓 2V 遠(yuǎn)高于水的分解電壓 1.23V，只是由于化學(xué)動(dòng)力學(xué)（反應(yīng)速率慢）原因負(fù)極鉛上析氫的過電位很高，才得以做成蓄電池，但是充電過程水分解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣是不可避免的。鉛酸蓄電池過充電會(huì)大大地增加了電池發(fā)熱和加快水分解反應(yīng)析出大量氫氣，并造成電池失水。endprint

當(dāng)充電過程的電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)電解水產(chǎn)生大量氫氣并不斷地釋放，蓄電池中或空氣中的含氫量累積至爆炸極限（H2占混合氣體體積的4%～74%）時(shí)，遇到點(diǎn)火源就會(huì)形成爆炸。當(dāng)存在以下情況時(shí)蓄電池的爆炸幾率大幅上升：①過充電。②蓄電池內(nèi)部極柱、穿壁焊等處存在虛焊點(diǎn)。③充電電流過大。

正常的充電過程中，如果蓄電池存在排氣孔堵塞問題，鉛酸蓄電池負(fù)極析出的大量氫氣會(huì)先造成電池爆裂，爆裂引起蓄電池震動(dòng)，極柱接線不牢產(chǎn)生火花，從而形成氫氣爆炸，引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

（四）充電器電路老化、磨損導(dǎo)致短路

較多的使用者選擇隨車攜帶充電器，長(zhǎng)期使用和電動(dòng)車行進(jìn)時(shí)的顛簸會(huì)造成充電器線路的老化、磨損，充電時(shí)其電路及插接件容易形成短路并起火。此部分短路原因包括以下3個(gè)方面：一是由于老化、纏繞、拉扯等原因造成絕緣層損傷形成充電器電源線、輸出線短路；二是因連接方式不當(dāng)，線路受擠壓、扭曲變形、磨損等原因造成絕緣層龜裂、導(dǎo)體裸露形成蓄電池組內(nèi)單個(gè)蓄電池之間線路短路；三是插頭插座處發(fā)生短路。

（五）充電器內(nèi)部故障導(dǎo)致充電回路短路

電動(dòng)車充電回路包括插頭、電源線、充電器、充電器輸出線及充電插座、插座與蓄電池連接線、蓄電池端子之間的電氣線路和電氣元器件。充電示意圖如圖2所示。

充電器主要由整流濾波電路、高壓開關(guān)、電壓變換、恒流、恒壓及充電控制等幾個(gè)部分組成。整流濾波電路的用途是將市電交流220V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?00V左右電壓，通過高壓開關(guān)電路及電壓交換，產(chǎn)生充電式所需的低壓直流電壓，再在充電控制后對(duì)蓄電池充電。恒流、恒壓充電控制電路的作用是保持充電時(shí)電流、電壓的穩(wěn)定，以免損壞蓄電池。充電器工作原理框圖如圖3所示。

鉛酸蓄電池大多使用三階段充電器，充電器外殼采用阻燃塑料等，內(nèi)部元器件自身可燃物較少，所以充電器本身起火的幾率較少。但是充電器的內(nèi)部元器件容易出現(xiàn)故障，極易引發(fā)充電回路短路起火。充電器常見故障有保險(xiǎn)絲熔斷，整流二極管被擊穿，電容鼓包，其中?整流二極管，電源濾波電容、開關(guān)功率管、電源管路芯片屬于易損件，長(zhǎng)期使用時(shí)損壞的概率可達(dá)95%以上。

1.充電器故障導(dǎo)致220V輸入電路短路。充電器的輸入電路工作在高電壓、大電流的狀態(tài)下，整流三極管、濾波電容、開關(guān)功率管等容易被擊穿，導(dǎo)致輸入端電路出現(xiàn)短路電流，造成220V輸入電路短路起火。但是市場(chǎng)上正規(guī)的充電器在輸入端大多配備有速斷保險(xiǎn)管，交流電源側(cè)電線短路后會(huì)造成速斷保險(xiǎn)管切斷大電流，或者220V外電路斷路器動(dòng)作，可以較好的避免220V輸入電路起火。

2.充電器故障導(dǎo)致55V輸出電路短路。電動(dòng)車充電器其他較易損壞的元器件包括輸出整流部分的整流二極管、保護(hù)二極管、濾波電容、限流電阻等。如果元器件被擊穿導(dǎo)致短路，蓄電池就會(huì)通過輸出線路向充電器放電，此時(shí)蓄電池持續(xù)釋放的短路大電流會(huì)確定的導(dǎo)致充電器與蓄電池之間的線路起火。目前市場(chǎng)上的絕大多數(shù)充電器沒有在輸出端安裝速斷保險(xiǎn)管，一旦充電器該部分元器件故障后極易導(dǎo)致輸出電路短路。輸出電路短路后最先起火的地方一般是蓄電池的兩個(gè)端子位置，因?yàn)殡妱?dòng)車行駛運(yùn)動(dòng)過程造成輸出電纜與蓄電池端子鏈接處松動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻過大，短路的大電流導(dǎo)致該處位置往往先起火，繼而擊穿連接線絕緣皮起火。市場(chǎng)上較多的電動(dòng)車在設(shè)計(jì)時(shí)將鉛酸蓄電池設(shè)置在車座附近或下方，車座一般采用海綿、皮革等易燃、可燃物制成，故蓄電池的兩個(gè)端子位置起火后會(huì)迅速引燃車座、蓄電池殼和車后部的塑料外殼，導(dǎo)致火勢(shì)快速蔓延。

（六）充電回路之外電氣線路起火

根據(jù)電動(dòng)車電氣控制圖（圖4）可知，在關(guān)閉電動(dòng)車電源總開關(guān)（電門鎖開路）后，蓄電池與控制器之間（A）、控制器到電源總開關(guān)之間的線路（B）、連接防盜器的線路及聲光報(bào)警裝置仍處在帶電狀態(tài)（C），仍有可能引發(fā)電氣火災(zāi)。

鉛酸蓄電池把電能提供給控制器和轉(zhuǎn)換器，電能從控制器和轉(zhuǎn)換器出來到電機(jī)、轉(zhuǎn)把和功能電路。連接轉(zhuǎn)把和功能電路的連接線都屬于信號(hào)線，流過的電流非常小，即使發(fā)生短路也不會(huì)有很大的能量釋放出來，危險(xiǎn)性很小；連接電機(jī)線路發(fā)生短路危險(xiǎn)性也不大，因?yàn)榇颂幍碾妷菏墙?jīng)過控制器出來的，一旦發(fā)生短路，最多把控制器燒壞，然后停止工作，且電機(jī)附近可燃物比較少。而圖中 A、B 兩線因保持在高壓狀態(tài)，線路發(fā)生老化、磨損時(shí)最易形成短路引發(fā)火災(zāi)。A、B線路短路后最先起火的地方一般也是蓄電池的兩個(gè)端子位置，原因同上。

三、鉛酸蓄電池電動(dòng)車充電過程預(yù)防火災(zāi)的技術(shù)措施

根據(jù)鉛酸蓄電池充電過程起火機(jī)理，建議采取阻燃的電線、正確位置安裝5A速斷型保險(xiǎn)管，合理布局蓄電池位置等技術(shù)措施，從而防止火災(zāi)發(fā)生。預(yù)防鉛酸蓄電池電動(dòng)車充電過程中發(fā)生火災(zāi)，建議采取以下技術(shù)措施：

（1）建議充電器的插頭、220輸入電路、輸出電路以及蓄電池與控制器之間、控制器到電源總開關(guān)之間的線路強(qiáng)制采用礦物絕緣電纜，防止短路后起火。

（2）建議電動(dòng)車出廠時(shí)在220輸入電路、輸出電路和電池連接線上均安裝5A 速斷型保險(xiǎn)管。根據(jù)浙江某馳名電動(dòng)車廠家的實(shí)踐，該單位的鉛酸蓄電池系列電動(dòng)車在以上線路改用礦物絕緣電纜并安裝5A 速斷型保險(xiǎn)管后，充電過程短路引發(fā)火災(zāi)事故率可下降90%以上。

（3）電動(dòng)車輸出電路、蓄電池與控制器之間、控制器到電源總開關(guān)之間的線路短路后最先起火的位置為蓄電池的兩個(gè)端子位置，而較多電動(dòng)車的蓄電池安裝在可燃物較多的車座位置，客觀上加快了短路起火后的火勢(shì)蔓延速度。所以建議蓄電池端子位置采取防火保護(hù)措施，并合理調(diào)整蓄電池的安裝位置，避開可燃物較多的部位。

（4）建議充電器設(shè)置充電飽和后自動(dòng)斷電功能，防止過充電應(yīng)發(fā)蓄電池?zé)崾Э睾臀鰵浔ㄊ鹿拾l(fā)生。

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