杭州電瓶車行駛中爆燃，私改鉛酸電池為鋰電池有多危險(xiǎn)？
時(shí)間:2021-07-21 10:21來(lái)源:電子工程專輯 作者:綜合報(bào)道
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杭州電瓶車行駛中突然爆燃，導(dǎo)致兩父女重度燒傷。專家及消防隊(duì)分析后得出結(jié)論，系鋰電池爆燃，而該車輛出廠時(shí)搭配的更安全穩(wěn)定的鉛酸電池，怎么會(huì)變成鋰電池呢？原來(lái)在電瓶車用戶中，存在著大量為了提高續(xù)航，減輕重量，私自改裝車輛換電池的情況……
7月18日上午11點(diǎn)，杭州玉皇山路，一輛電瓶車行駛中突然爆燃，一家三口受傷，其中父女兩人傷情嚴(yán)重。傷者家屬稱，小女孩已經(jīng)被醫(yī)院下了3次病危通知書(shū)，可能需要終生插管。
據(jù)@杭州交警 發(fā)布的起火視頻顯示，事發(fā)突然，整輛車瞬間變成火球?qū)⑷税。瑘?chǎng)面十分可怕。浙江一家知名電動(dòng)自行車品牌研發(fā)中心電源部負(fù)責(zé)人看過(guò)電動(dòng)車自燃的視頻后分析認(rèn)為，“這種情況，極大概率就是鋰電池造成的。”
只有鋰電池才會(huì)燒得這么突然，這么猛
這位專家說(shuō)，鉛酸電池出現(xiàn)這種情況概率極低，甚至幾乎不可能，這是因?yàn)殂U酸電池基本不太會(huì)發(fā)生自燃情況。
這位負(fù)責(zé)人說(shuō)，鉛酸電池發(fā)生自燃或爆炸需要兩個(gè)條件，首先是過(guò)充情況下，會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣兩種氣體，第二是放電過(guò)程中，有電火花引燃。“也就是說(shuō)，鉛酸電池在充電情況下，基本不會(huì)發(fā)生自燃或爆炸，只有在放電也就是行駛過(guò)程中，出現(xiàn)電火花或短路，這樣與氫氣、氧氣發(fā)生反應(yīng)才會(huì)自燃或爆炸。
但鉛酸電池內(nèi)有溢氣閥門，當(dāng)電池有過(guò)充情況，產(chǎn)生的氣壓較高時(shí)，閥門會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，將氣體（氫氣和氧氣）排出，所以行駛過(guò)程中發(fā)生自燃或爆炸的概率小，最多也就是電路板燒壞。而且鉛酸電池本身是負(fù)反饋系統(tǒng)，電池組有保險(xiǎn)絲，外部短路的話保險(xiǎn)絲立馬熔斷。內(nèi)部短路的話鉛板本身不燃燒只會(huì)發(fā)熱把電解液氣化烘干，電解液沒(méi)了，電池自然斷路危險(xiǎn)解除。
而鋰電池是正反饋系統(tǒng)，“里面的電解液有機(jī)物質(zhì)（六氟磷酸鋰），具有可燃性，其正極是鋰離子，負(fù)極是石墨，通常情況下，鋰離子是鑲嵌在正極內(nèi)，當(dāng)過(guò)充滿電后，如果發(fā)生短路，容易造成鋰析出，加上其化學(xué)性質(zhì)比較活潑，不能與空氣中氧氣接觸，一接觸，就容易造成熱失控，化學(xué)反應(yīng)比較劇烈（比如爆炸），電動(dòng)車也自然容易燒起來(lái)。
專業(yè)人士表示，鋰電池內(nèi)部比較常見(jiàn)的保護(hù)措施有幾種：
1.最重要的就是鋰電池保護(hù)板，它主要防止電流過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流或者短路，防止電池異常導(dǎo)致高溫甚至燃燒。如果沒(méi)有保護(hù)板，一組電池中如果某一顆出問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致異常甚至短路。當(dāng)然，保護(hù)板的功能和質(zhì)量也差異很大，普通的幾十元，很多好的保護(hù)板就要上百元甚至大容量電池保護(hù)板要好幾百。
鋰電池保護(hù)板示意圖
2.電池支架。我們常見(jiàn)的鋰電池看起來(lái)是一大塊，其實(shí)里面是無(wú)數(shù)小的電池組合而成，把電池組合固定很重要，需要用到支架，很多大品牌為了安全起見(jiàn)，支架結(jié)構(gòu)會(huì)讓每一塊小電池分離幾毫米的距離，并且固定（稱pack架），利于散熱，也讓電池更穩(wěn)定。但這樣的支架會(huì)影響同體積下電池的密度。于是，有些電池追求小體積、大容量，就會(huì)取消更專業(yè)的支架，讓電池貼在一起，這樣雖然容量大了，溫度卻難以控制，穩(wěn)定性也很差。
3.防水性能。這一點(diǎn)比較好理解，就是外殼的嚴(yán)密性，鋰電池最怕進(jìn)水。
4.充電器的功率。一般來(lái)講，大品牌都會(huì)平衡充電時(shí)長(zhǎng)和效率，給出一個(gè)安全的方案。如果用到改裝的充電器，加大電流，會(huì)導(dǎo)致充電電池過(guò)熱，尤其在夏天室外，這也是隱患
一般電單車電池的位置在腳踏處或座位下，網(wǎng)上有不少教授自行鉛酸換鋰電池的教學(xué)視頻
鋰電池保護(hù)板的組成和功能
保護(hù)板通常包括控制IC、MOS管、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲(chǔ)器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，它立刻控制MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。其他元器件主要作用如下：
1、電阻：起限流、采樣作用；
2、電容：對(duì)直流電而言電阻值“∞“，對(duì)交流電而言阻值接近零，電容兩端電壓不能突變，能起瞬間穩(wěn)壓作用，濾波作用；
3、FUSE：熔斷保險(xiǎn)絲，起過(guò)流保護(hù)作用；
4、PTC： PTC是Positive Temperature Coefficient的縮寫(xiě)，意即正溫度系數(shù)電阻，（溫度越高，阻值越大），可以防止電池高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，即過(guò)流保護(hù)作用。
5、NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫(xiě)，意即負(fù)溫度系數(shù)，在環(huán)境溫度升高時(shí)，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時(shí)反應(yīng)、控制內(nèi)部中斷而停止充放電。
6、ID是Identification 的縮寫(xiě)，即身份識(shí)別的意思它分為兩種：一是存儲(chǔ)器，常為單線接口存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)電池種類、生產(chǎn)日期等信息；二是識(shí)別電阻。兩者可起到產(chǎn)品的可追溯和應(yīng)用的限制。
常見(jiàn)到的鋰電池保護(hù)板電路圖
圖中的兩個(gè)N溝道MOS管分別控制充電和放電的通斷。并聯(lián)的二極管是MOS管的寄生二極管。
在對(duì)外界口中，TH為溫度檢測(cè)，內(nèi)部是一個(gè)10K NTC接到電池負(fù)極；ID是電池在位檢測(cè)，一般是47K/10K電阻接到電阻負(fù)極，有的是0R電阻；TH和ID均是選配，并不是所有鋰電池都有的。
在清華大學(xué)卓晴博士的微信公眾號(hào) @TsinghuaJoking 上，也詳細(xì)介紹過(guò)鋰電池保護(hù)板的過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)和過(guò)流/短路保護(hù)等。
過(guò)充保護(hù)
當(dāng)電池充電時(shí)，電流從電池包的正極流入，經(jīng)過(guò)FUSE后從負(fù)極流出，最下方的兩個(gè)MOS管均是導(dǎo)通狀態(tài)。如下圖紅色箭頭所示方向：
電池充電時(shí)電流方向如箭頭所示
充電時(shí)，控制IC X1會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)第5腳VDD和第6腳VSS之間的電壓，當(dāng)這個(gè)電壓大于等于過(guò)充截止電壓且滿足過(guò)充電壓的延時(shí)時(shí)間時(shí)，X1會(huì)通過(guò)控制第3腳來(lái)關(guān)閉MOS管Q2，Q2被關(guān)閉之后，充電回路被切斷（Q2的體二極管D2也是反向截止的），這個(gè)時(shí)候，電池只能放電。
當(dāng)下面兩個(gè)條件滿足其一時(shí)，便可以解除充電保護(hù)：：1，電芯兩端的電壓下降到保護(hù)IC的過(guò)充恢復(fù)電壓。2，在電池包得輸出端加負(fù)載放電，放電到電壓小于過(guò)充保護(hù)電壓。
過(guò)放保護(hù)
電池兩端向負(fù)載輸出電流時(shí)，電流按照下圖的紅色箭頭流動(dòng)。
電池放電時(shí)電流方向如箭頭所示
放電池，控制芯片IC X1將會(huì)通過(guò)第5管腳檢測(cè)C1上的電壓。當(dāng)這個(gè)電壓小于放電截止電壓后并持續(xù)一段時(shí)間，控制IC將會(huì)通過(guò)DO管腳控制Q1截止，此時(shí)放電回路被切斷。
當(dāng)下面條件滿足時(shí)，IC X1接觸過(guò)放保護(hù)：拿掉負(fù)載，給電池包充電，當(dāng)VM-VDD之間的電壓達(dá)到過(guò)放恢復(fù)電壓值時(shí)，控制IC X1會(huì)重新打開(kāi)MOS管Q1。
過(guò)流/短路保護(hù)
過(guò)流保護(hù)則是通過(guò)IC X1第2管腳（VM）檢測(cè)流經(jīng)控制MOS管電壓。如果該電壓過(guò)大并持續(xù)一定時(shí)間，控制IC將會(huì)關(guān)閉Q1，斷開(kāi)放電回路。將輸出端負(fù)載拿掉，控制IC會(huì)自動(dòng)將Q1重新打開(kāi)。
保護(hù)電流為21A鋰電池保護(hù)板
過(guò)流保護(hù)電壓VM常常在0.1 ~ 0.2V，這個(gè)數(shù)值與IC的型號(hào)有關(guān)。
過(guò)流保護(hù)數(shù)值除了與VM有關(guān)之外，也和Q1,Q2兩個(gè)MOS管的導(dǎo)通電阻有關(guān)系。如果MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻越大，保護(hù)電流值就越小。
如：內(nèi)阻為20mΩ的MOS管，選用的過(guò)電流值為0.15V的控制IC，那過(guò)流保護(hù)的電流應(yīng)為：0.15V/（0.02*2）=3.75A。
控制IC失效時(shí)FUSE保護(hù)
有的保護(hù)板里面會(huì)加上保險(xiǎn)絲，在控制IC失效之后，起到一個(gè)二級(jí)保護(hù)作用，避免更壞的結(jié)果，當(dāng)然也會(huì)增加成本。
保護(hù)電流為100A鋰電池保護(hù)板
為什么總有人把鉛酸電池?fù)Q成鋰電池？
專業(yè)人士介紹，本質(zhì)上，電動(dòng)自行車電池和電動(dòng)汽車電池同屬于鋰離子蓄電池，屬于二次電池，工作原理都是通過(guò)鋰離子在電池的正、負(fù)極間來(lái)回流動(dòng)，完成充、放電過(guò)程。
“電動(dòng)汽車應(yīng)用最廣泛的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。”專業(yè)人士說(shuō)，磷酸鐵鋰電池能量密度低，安全性能好。電池溫度處于500℃~600℃時(shí)，其內(nèi)部化學(xué)成分才開(kāi)始分解。但車輛續(xù)航里程一般，當(dāng)溫度低于-5℃時(shí)，充電效率低，不適合北方在冬天充電的需求。三元鋰電池能量密度高，活性高、存電量大，耐高溫性稍差，低溫時(shí)電池更加穩(wěn)定。
電動(dòng)自行車多使用鉛酸蓄電池和鋰電池，“鉛酸蓄電池相比鋰電池，成本低，性價(jià)比高，重量重，能量密度不高，充電慢。”專業(yè)人士說(shuō)，鉛酸電池相對(duì)更安全一些，鋰電池如果使用不當(dāng)，更多發(fā)爆炸火災(zāi)現(xiàn)象。
據(jù)杭州日?qǐng)?bào)報(bào)道，受傷女孩的媽媽稱，當(dāng)時(shí)夫妻倆騎的兩輛車都是在同一家店買的，后來(lái)?yè)Q過(guò)新的電瓶，也在這家店里。
杭州市消防救援支隊(duì)對(duì)事發(fā)的起火電動(dòng)車進(jìn)行了一次詳細(xì)的火災(zāi)調(diào)查。出事的這輛電動(dòng)車，用的電池是鋰電池。電瓶因?yàn)榘l(fā)生爆炸，重量已經(jīng)比原先輕了不少。
出事電動(dòng)車燒毀后照片
車輛中間夾層里完整保留了購(gòu)車發(fā)票和非機(jī)動(dòng)車行駛證。購(gòu)車發(fā)票上面寫(xiě)著電動(dòng)車購(gòu)買時(shí)間為2018年。記者根據(jù)爆炸電動(dòng)車的型號(hào)在店內(nèi)找到同款電動(dòng)車，而從該款電動(dòng)車的說(shuō)明書(shū)上看到，其原裝電池應(yīng)為鉛酸電池。
據(jù)悉，市場(chǎng)上品牌電動(dòng)車都會(huì)有原廠的電池，并提供質(zhì)保，這都是通過(guò)國(guó)家質(zhì)檢的。然而有些人對(duì)于原廠鋰電池的容量、價(jià)格都不太滿意，還有些原廠是鉛酸電池，直接改成鋰電池的，這就使得第三方電池有了市場(chǎng)。
私換電池安全隱患大
2019年4月，工信部新修訂的《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》也就是新國(guó)標(biāo)正式實(shí)施。其中規(guī)定，電動(dòng)自行車須具有腳踏騎行能力、最高設(shè)計(jì)車速不超過(guò)25公里/小時(shí)，電池的電壓不得大于48伏。
可見(jiàn)，只要一臺(tái)品牌電動(dòng)車用了非原廠的電池，就屬于改裝的范疇了。除了改鉛酸電池為鋰電池，或者增加鋰電池容量，通常的改裝行為還有給車輛安裝新的控制器、解除蜂鳴報(bào)警，這樣做的目的是為了提高車輛的最高時(shí)速。
上海自行車行業(yè)協(xié)會(huì)總工程師徐道行指出，改裝車輛并不是一件輕松的事。通常，制造一輛正規(guī)的電動(dòng)自行車，需要使用100多節(jié)電池串聯(lián)并聯(lián)。每節(jié)電池都需具備相應(yīng)的性能、符合相關(guān)的制造標(biāo)準(zhǔn)，電池的連接也需要嚴(yán)格遵守BMS電池管理系統(tǒng)。而市面上的個(gè)體商家并不能具備相應(yīng)的技術(shù)改造能力，其使用的鋰電池也大多質(zhì)量低劣。因此，私自改造往往意味著極大的安全隱患。
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