电动车火灾有“法”可控

文/本刊记者 包冬冬

据报道，电动自行车的火灾80%都发生在充电过程中。要避免这类火灾，需要制定完善相关安全质量标准、建立属于电动车的安全充电规范体系、严把质量关。

2018年4月1日北京市海淀区一电动车商店火灾现场 源自北京青年报

2018年4月1日1时23分，北京市海淀区一电动车商店发生火灾，事故造成4人死亡。近年来，此类事故并不少见。究竟是何原因导致电动自行车火灾频发？本刊记者采访了中国科学技术大学安全科学与工程系副主任王青松副教授，请他详细作答。

记者（以下简称“记”）：王老师，您好。近年来，一些电动自行车火灾事故造成了惨重的人员伤亡。请您介绍下，目前国内使用较为普遍的电动自行车以及电动汽车的电池组成及安全保护装置。

王青松（以下简称“王”）：一般的电池由正极活性材料、隔膜、负极活性材料、电解液、正负极集流体、电池壳、电池盖组成。根据电池反应原理的不同，可分为铅酸动力电池、镍氢动力电池、锂离子动力电池等。

目前在国内，电动汽车上使用的绝大部分都是锂离子电池，电动自行车部分使用锂离子电池。其中，又以三元锂离子电池和磷酸铁锂电池的应用最为广泛。二者的区别主要在于正极材料的不同。这里首先需要介绍，常规“三元材料”是指由三种化学成分（元素），组分（单质及化合物）或部分（零件）组成的材料整体，包括合金、无机非金属材料、有机材料、高分子复合材料等，广泛应用于矿物提取、金属冶炼、材料加工、新型能源等行业。锂离子电池常用的三元正极材料是以镍、钴、锰为主构成的化合物，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。三元锂电池能量的优势是密度大，同等重量的电池，能为车辆提供更长的续航里程；磷酸铁锂电池在大量纯电动客车上以及部分纯电动货车上都有搭载，它的材料性质与三元材料相比更加稳定，缺点是能量密度要比三元锂电池低得多，并且低温环境下，电池衰减严重。虽然磷酸铁锂电池在同等重量的情况下能量比三元锂电池低，但胜在成本低，安全性高，因此也有不少的车型采用这种电池技术。

对于动力电池的安全问题，除了电池材料技术外，普遍认为电池包（PACK）及电池管理系统（Battery Management System的缩写，即BMS）在保障电池安全方面的作用无可替代。此外，对于单体的锂离子电池来说，安全阀等安全装置也可以在一定程度上避免锂离子电池的燃烧、爆炸等现象。

动力电池电池包成品由三部分构成，即电池模组、电池管理系统和固定架外壳，涵盖了热管理、结构设计、高压控制、安全管理等内容，其中电池管理系统具有防止过充、避免过放、控制温度、保持电池组件电压和温度平衡、预测电池的剩余电量和剩余行驶里程等功能。

记：就您介绍的电池成分和安全保护装置，在使用中存在哪些先进之处，同时，伴随哪些易于引发火灾的安全隐患?哪一环节最易发生电动自行车火灾?主要原因有哪些?请结合事故案例说明。

王：如上所说，三元锂电池能量的优势是能量密度大，同等重量的电池，能为车辆提供更长的续航里程，在未来一段时间内，也将会更受市场青睐。但是相应的，三元锂电池的比能量（电子术语，参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小称为该电池的比能量）虽然增加了，电池的材料也变得更不稳定，并且相对磷酸铁锂电池，在一些滥用测试中，三元锂电池也更容易出现热失控、燃烧等现象。

电池管理系统的主要作用主要体现在：第一，估测电池的荷电状态(SOC)，保证电池的电量始终在合理的状态；第二，动态监测，实时监测电池模组中电池的端电压（指电源正负两极之间的电压，又称路端电压或端压）、充放电电流等，避免出现过充和过放现象。因为不管是过充还是过放，都会对电池造成不可逆转的损伤，尤其是过充，电池过充到一定程度后，电池内部会出现锂枝晶（指采用液态电解质的锂电池在充电时，锂离子还原时形成的树枝状金属锂单质）穿透隔膜，造成电池内短路，最终发生火灾爆炸；第三，为单体电池均衡充电，保持电池内部电池的一致性。这三者从不同的方面出发，相互协同，SOC估测模块保证了电池的剩余电量在合理使用范围内，确保了电池更长的使用寿命。随着电池内部电量的饱和或者放空，充放电电流都会相应出现动态变化，而通过动态检测模块，监测端电压，充放电电流的变化，保证了电池不会发生过充和过放现象。

此外，均衡技术也是确保电池的安全使用的一项关键技术。因为同一生产线，同一批次的电池，在使用中也会存在个体上的差异。均衡技术的开发旨在保证模组中的电池的一致性。比如，在充电过程中，如果对模组中的所有电池充入等同的电量，但此时单体电池的荷电状态不一致，这就会造成有的电池满电，有的电池未充满，有的却过充了的现象，这些都是需要避免的。

根据对近年来发生的电动车火灾事故的原因调查显示，绝大多数的火灾都是发生在充电阶段。充电过程中发生火灾的主要原因是电动车自身电气线路短路、充电器线路过负荷、电动车电池故障引起。根据相关调查，电动自行车的起火并非是电池质量不过关，而是使用者的操作不当或者是相关元器件质量缺陷所致。

电动车在充电时，如果相关的安全保护措施（短路、过充保护措施）失效，就会造成电池的过充。当电池被过充时，会在其负极上形成一定量的锂枝晶，并产生大量焦耳热，而快速的产热会引发电池内部各组分之间的化学、电化学反应，由此引起电池鼓包甚至引发电池热失控。

但近年来发生的一些电动车火灾事故，其深层次的原因往往都是安全保护装置的失效或者是对电池受到外界的影响。另外，现在市场上的电动车外饰材料基本都是易燃的塑料，当电动自行车的内部元器件、线路等出现短路，很容易引燃车身，进一步加剧火势。

记：请问，存在上述安全隐患的深层次原因是什么?应该如何看待现存的安全隐患与其承载的经济、环保、节能之间的关系?

王：我认为，存在上述安全隐患的深层次原因，主要有以下3方面。一是电池的质量。电池的质量决定了其使用过程中是否容易出现过载或者漏液的情形。二是相关保护措施作用失效。短路、过充等保护措施的作用失效，直接决定了电池不能安全使用，尤其在充电过程中，容易发生过充，造成火灾。三是生产、装配的不规范；内部电线布置紊乱，电池包气密性不好，保护措施的质量不过关。

对于现存的安全隐患与其承载的经济、环保、节能之间的关系来说，我认为还是利大于弊的。首先在运行费用方面，电动车只有燃油汽车的 1/10；另外，随着汽车工业越加发达和人民生活水平的提高，对汽车的需求越来越大，不管是对不可再生资源的大量消耗，还是产生的尾气污染，传统的燃油汽车已经成了破坏环境的一个主要原因。环保和节能的优势，决定了电动汽车取代传统燃油汽车的必要性。电动汽车在使用时，几乎不会产生气体污染，并且现在市场上的电池基本都能达到数千次循环的稳定性，同时，现在从电动汽车上淘汰的锂离子电池还可以进行梯次利用，比如应用到储能等方面，这进一步提高了电池的材料利用率。另外，针对锂离子电池内部的贵重金属等材料，现在市场上也有一些企业可以对其进行回收提取，进行再利用。这一系列的措施对锂离子电池的材料进行最大限度的利用。

而针对电动汽车的安全隐患，我们也应该给与足够的重视，从源头上出发，提高电池自身的安全稳定性，如：开发使用安全电解液、陶瓷隔膜等；在安全应用方面，优化电池管理系统、增强防护措施等。

记：请问，我们应该采取哪些措施预防电动自行车充电过程中的电池火灾?请从政策制定、质量把关、技术革新等多角度介绍。

王：电动自行车的火灾80%都发生在充电过程中，电池过充电时容易发生失控，引发火灾。电动车在充电过程中，元器件的老化、线路的短路、充电的环境、电动车材质等是引发充电火灾的因素。尤其是目前的电动车防火性能较差，电动车的电池盒、仪表盘、灯座等都不一定是经过阻燃处理的材料，易发生火灾。

要避免充电过程中电池火灾的发生，在宏观方面需要制定相关的强制性标准：一是制定相关安全标准，在源头上对电动车的生产装配进行筛选，落实电动车的安全化、规范化生产。在相关政策规定的保障下，对市场上的电动车的生产厂家进行严格的质量把关，落实产品质量的承担责任。二是建立起一套属于电动车的安全充电规范体系，避免电动车因过充、过载引发的火灾。如有可能，通过相关政策的制定，严格约束电动车的充电场所，做到集中充电，规范管理。禁止在楼道等通风条件差、人员流动较大的场所进行充电。

对电动车的质量把关粗略分为3个方面。一是对电池及相关元器件的把关和对电动车上其他非金属材料的质量把关。比如：电池以及相关元器件的老化，会大大提高充电过程中发生短路的可能性。而现在市场存在的二手充电自行车还有可能存在着拼装、假冒的现象，这样的电池不仅在充电过程中容易造成过充的现象，还有可能存在着漏液的现象。二是对于电池盒这样直接接触电池和高温元器件非金属材料，应该起到阻燃、防火的作用，可以延缓、抑制电池火灾的扩散。至少可以承受充电过程中产生的局部高温。三是对于安全保护装置的要求，决定了电动车的安全使用和预防火灾的发生。

在技术革新方面，如上所说，电动自行车作为一种广泛应用的交通工具，需要一套属于自己的特有的充电体系。针对不同体系的动力电池，怎样的充电方式才能既合理保证电池的安全使用寿命，又能有效利用电池储存的能量，这是目前亟待探索并解决的。同时，可以通过对电动车进行结构设计，添加相应的散热和隔热手段，一方面保证在充电过程中局部热量可以有效地散发到外界，避免热量的积累造成火灾；另一方面，也可以通过相应的隔热手段对已经失控的电池或者局部的火灾进行缓解，将火灾的范围缩减到最低。

记：2018年 1月16日，工业和信息化部、公安部等四部门修订《电动自行车安全技术规范》，对电动自行车产品标准进行修订完善，提高电动自行车的防火安全性能等级，这对预防电动自行车火灾有哪些作用?

王: 在防火安全性能方面，修订的《电动自行车安全技术规范》添加了防火性能、阻燃性能等要求。

在阻燃性能方面，要求电动自行车中的电气部件，如短路保护装置、电源连接器、主回路电线等，与电池直接接触的非金属材料，如电池组盒、充电插头以及充电池的非金属材料其他的装饰材料等都应符合相关国标（GB/T 5169.16—2008《电工电子产品着火危险试验 第16部分: 试验火焰 50W 水平与垂直火焰试验方法》和 GB 8410—2006《GB 8410-2006汽车内饰材料的燃烧特性》）的规定。

防火性能，电动自行车的电池组盒、保护装置、仪表、灯具应当能承受GB/T5169.11-2006 《电工电子产品着火危险试验 第11部分 灼热丝热丝基本试验方法 成品的灼热丝可燃性试验方法》规定550 ℃的灼热丝试验。对于通过最大额定电流大于1.0A的电源线缆及单芯导线，其接插件的绝缘材料部件应当能承受GB/T5169.11 规定 750 ℃的灼热丝试验。

顾名思义，阻燃性能是指材料所具有的减慢、终止或防止有焰燃烧的特性，电池在充电过程中，由于电流的作用，电源连接器和主回路电线都会产生热量，这是无法避免的。这就要求了这些材料需要有一定的阻燃性能，可以承担在充放电过程中释放出的焦耳热，不会被引燃。另一方面，阻燃材料还有着减慢、终止燃烧的性能，当出现小范围的火焰时，阻燃材料的存在可以有效将其限制在一定范围内，直至其熄灭。而要求电池组盒、保护装置、仪表、灯具、电源线缆及单芯导线这些材料具有一定的防火性能，就能在很大程度上延缓甚至是杜绝电动车大规模燃烧的发生。这二者协同作用，即在源头上降低了火灾出现的可能性，也在很大程度上抑制了火焰的扩散。将电动车的火灾危险性降到可承受范围内，也给火灾的扑灭工作提供了很大的便利。