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《廣東電池》2019年12月

借鑒筆記本和電動汽車電池組來制定電動自行車安全標準

時間:2020-04-13    來源:    作者:陳朝陽

作者:陳朝陽,V1, 2019-11-6
國家機械安全防爆小組專家,部級鋰電安全專家,廣東省電池行業協會副主任
 

【摘要】中國的電動自行車數量超過3億輛,發生燃燒的比例在6到20ppm,燃燒甚至帶來人員傷亡,F有的國標GB17762-2018未能識別足夠的安全缺陷,滿足國標的電動車大量燃燒。建議借鑒筆記本和電動汽車的電池組的安全實踐,修訂電動自行車的安全標準,補充識別安全缺陷來增加安全措施,包括:(1)每個電池未單獨檢測電壓造成過充電起火風險,應修訂為對每個電池監控電壓;(2)電池包缺乏溫度探測信號未能發現異常電池發熱后惡化為起火,應增加溫度開關連鎖斷電;(3)缺乏合理的熔斷器在電路的主回路和支路,導致很多電路在機械振動損傷絕緣短路電弧,受潮或泡水電解腐蝕損傷或短路,接觸不良大電阻發熱點燃,應使用失效分析來合理安排熔斷器保護;(4)未徹底密封的電池如鉛酸電池在充電過程會釋放氫氣,應增加風扇來安全稀釋氫氣濃度到不超過空氣體積濃度2%以下,或更換為密封的鋰離子電池;(5)未進行功能安全分析,諸多的電子器件某些器件失效后引起的燃燒未分析,導致燃燒風險概率過高,應使用功能安全分析,控制燃燒風險滿足SIL 3級別的殘余風險不超過1E-8次/小時(即萬年一遇);(6)未進行壽命預測檢測,導致超期的安全缺陷電池燃燒,應開展壽命預測檢測,在壽命接近終止關斷使用,壽命不夠國標品質要求要賠償或召回。
【關鍵詞】電動自行車  電動車  安全  燃燒  標準
 
1. 前言

中國有全世界最大數量的電動自行車,飽和量達到3億輛【1】。電動自行車的燃燒比例在6到20ppm[2],ppm是百萬分之一,每年有很大數量的電動自行車起火事故,F有的國標GB17762-2018 《電動自行車安全技術規范》【3】沒有充分識別產品安全缺陷,滿足國標的電動自行車仍舊大量燃燒,其中重要的原因是電動自行車對比筆記本和電動汽車的電池組的安全設計差距巨大。本文對比電動自行車、筆記本、電動汽車的電池組的安全設計,建議借鑒來改善電動自行車的安全設計和安全標準。
 
2. 電動自行車發生燃燒的原因

  分析中國知網的論文,列出了電動自行車的燃燒原因[1~2,4~9], 結合電路圖復核[10,11], 歸納為如下幾種情形, 對比結果見表1 對比筆記本電動自行車電動汽車的安全設計。

1) 每個電池未單獨檢測電壓造成過充電起火風險,應修訂為對每個電池監控電壓。筆記本電腦或電動汽車的電池組,都采用了每個電池監控電壓的安全方案;而電動自行車卻不監控每個電池電壓,只監控整個電池包的電壓,非常容易出現部分電池電壓不一致的過充電現象,過充電容易引發燃燒。 電動自行車的電池包電壓在48V, 單體容量典型值在20AH,整體容量為240AH左右,遠大于筆記本電腦電池組(電壓在9V到12V, 通常4到6個電池,每個電池容量5AH,電池組容量在20到30AH)。 容量介于筆記本電腦和電動汽車之間,沒有理由不采用每個電池電壓都監控的安全方案。

2) 電池包缺乏溫度探測信號未能發現異常電池發熱后惡化為起火,應增加溫度開關連鎖斷電。筆記本電腦和電動汽車電池組都有溫度傳感器( 包括溫度開關),但是電動自行車的電池包通常沒有溫度開關,應當補充。

3) 缺乏合理的熔斷器安裝在電路的主回路、支路,導致很多電路在機械振動損傷絕緣短路電弧、受潮或泡水電解腐蝕損傷或短路、接觸不良大電阻發熱點燃,應使用失效分析來合理安排熔斷器保護。 在筆記本電腦和電動汽車電池組基本都有熔斷器(或類似的PTC熱敏電阻)保護,電動自行車的電路不應該缺少這種保護。

4) 未徹底密封的電池如鉛酸電池在充電過程會釋放氫氣,應增加風扇來安全稀釋氫氣濃度到不超過空氣體積濃度2%以下,或更換為密封的鋰離子電池。鉛酸電池是沒有徹底密封的電池,當電池容量不一致時刻充電造成部分電池過充電,過充電的電池電解水釋放氫氣和氧氣來鉗制電壓,微量的氫氣和氧氣在電池內部的容器里面堆積,遇到催化劑緩慢反應形成水;如果反應激烈,氫氣和氧氣體積過大,就會沖開容器的橡膠密封口(安全閥)釋放出來【12.13】,所以鉛酸電池又稱為“閥控鉛酸電池”。在鉛酸電池有個俗語為“開鍋”,就是指過充電電解水來徹底充足電,釋放的氫氣、氧氣和熱量就像燒開了水一樣劇烈。 氫氣的爆炸范圍是占空氣體積比例為4%到76%,依照國家安全標準應當設置強制通風確保稀釋氫氣濃度不超過2%體積比例才安全。 依照中國接受使用的聯合國標準(《關于危險貨物運輸的建議書》 第19次修訂版本, 依照產生氫氣速率來判斷貨物的危險性: 遇水發出燃氣速率等于大于 每千克物質在每小時釋放1升為第4.3類遇水發出易燃氣體的危險物質;要求包裝分級: (I)產氣速率 ≥10升/(千克*分鐘)要求用I類包裝; (II) 產氣速率 ≥20升/(千克*小時), 但是低于10升/(千克*分鐘) 要求用II類包裝; (III) 產氣速率 ≥1升/(千克*小時), 但是低于20升/(千克*小時) 要求用III類包裝。鉛酸電池雖然不是遇水放出氫氣物質,但是容量不一致的電池過充釋放氫氣,也可參考釋放氫氣的速率來判斷危險性。

5) 未進行功能安全分析,諸多的電子器件某些器件失效后引起的燃燒未分析,導致燃燒風險概率過高,應使用功能安全分析,控制燃燒風險滿足SIL C級別的1E-8次/小時(即萬年一遇)。

6) 未進行壽命預測檢測導致超期安全缺陷電池燃燒,應開展壽命預測檢測,在壽命接近終止關斷使用,壽命不夠國標品質要求要賠償或召回。
 


3. 現有標準缺陷造成極高燃燒率

現有國標GB17762-2018 《電動自行車安全技術規范》【3】沒有充分識別產品安全缺陷,基本借鑒歐美等國家的標準,給出要求是帶腳踏、限制速度、限制重量、限制輸出功率、要求塑料阻燃性等簡單要求,沒有識別第2段列出的安全缺陷,沒有列出安全措施。
電動自行車電池包容量介于筆記本電池和電動汽車電池之間,應該采納類似的安全措施。但是電動自行車選擇比兩者更低的標準,導致最高的燃燒比例,即 6ppm(即6E-6)到20ppm(即2E-5)[2]。中國認可的國際標準功能安全標準IEC61508 或GB/T20438 規定燃燒危害等級為SIL 3級別,要求殘余風險為1E-8次/小時(即萬年一遇水平)。滿足現有國標的電動自行車的燃燒風險,比國家和國際公認的功能安全的風險高了千萬倍,是安全不合格產品,應該修訂如此不安全的國標,來滿足中國和國際正常的功能安全需求。  
修訂的內容如第2 段列出內容,即表1 中內容。
  
4. 建議的推進修改方式

由廣東省電池行業協會牽頭,從廣東省先行先試,先修訂廣東省地方標準,即在國標有明顯缺陷的情況下,廣東省使用類似筆記本電池組和電動汽車電池組的安全設計實踐,制定比國標更加嚴格的地方標準DB44-XXX 《廣東省電動自行車安全標準》。這樣避免直接遭受編寫國標團隊的反對,集中廣東省的專家力量、政府資源、檢測機構來完善更加嚴格,更加科學的安全標準。 待使用效果良好,再建議升級提到有安全缺陷的國標。
 



5. 參考文獻
[1] 來艷利。典型電動自行車火災特征與防范。西安科技大學 碩士學位論文,2019年6月。第1頁。
[2] 李君。電動車火災調查與物證檢測技術研究。華南理工大學 工程碩士學位論文,2017年5月。第2頁。
[3] 國家市場監督管理總局,中國標準化委員會。GB17762-2018 電動自行車安全技術規范。
[4] 譚欽。電動車消防安全管理問題及對策。廣西民族大學學報(自然科學版),2016年9月。第124到127頁。
[5] 饒球飛。電動自行車火災原因分析及火災調查技術要點探討。消防技術與產品信息,2016年第10期。第65到67頁。
[6] 邵正賢。電動自行車頻發火災原因分析。電動自行車,2013年第8期。
[7] 曾朝軍。淺談電動車安全隱患分析及預防措施。中國知網論文,2019年第06期。第61頁。
[8] 陳勝朋。樓梯間電動車火災數值模擬研究;馂目茖W,2018年06月。第27卷第2期。第100到106頁。
[9] 趙運濤。樓梯間電動自行車火災逃生時間的研究。消防技術與產品信息,2017年第12期。第30到33頁。
[10] 劉春。電動自行車依諾無刷控制器電路圖。中國知網。
[11] 李君。電動自行車宇德無刷控制器電路圖。中國知網。
[12] 管銘。串聯蓄電池組在線狀態檢測與均衡控制裝置開發。山東建筑大學,碩士學位論文,2016年9月。第6頁
[13] 楊劍。電動汽車的安全性分析。湖南大學,碩士學位論文,2005年3月。第7頁。

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