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杭州电瓶车行驶中爆燃,私改铅酸电池为锂电池有多危险?

时间:2021-07-21 作者:综合报道 阅读:
杭州电瓶车行驶中突然爆燃,导致两父女重度烧伤。专家及消防队分析后得出结论,系锂电池爆燃,而该车辆出厂时搭配的更安全稳定的铅酸电池,怎么会变成锂电池呢?原来在电瓶车用户中,存在着大量为了提高续航,减轻重量,私自改装车辆换电池的情况……
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7月18日上午11点,杭州玉皇山路,一辆电瓶车行驶中突然爆燃,一家三口受伤,其中父女两人伤情严重。伤者家属称,小女孩已经被医院下了3次病危通知书,可能需要终生插管。

据@杭州交警 发布的起火视频显示,事发突然,整辆车瞬间变成火球将人包住,场面十分可怕。浙江一家知名电动自行车品牌研发中心电源部负责人看过电动车自燃的视频后分析认为,“这种情况,极大概率就是锂电池造成的。”

只有锂电池才会烧得这么突然,这么猛

这位专家说,铅酸电池出现这种情况概率极低,甚至几乎不可能,这是因为铅酸电池基本不太会发生自燃情况。

这位负责人说,铅酸电池发生自燃或爆炸需要两个条件,首先是过充情况下,会产生氢气和氧气两种气体,第二是放电过程中,有电火花引燃。“也就是说,铅酸电池在充电情况下,基本不会发生自燃或爆炸,只有在放电也就是行驶过程中,出现电火花或短路,这样与氢气、氧气发生反应才会自燃或爆炸。

但铅酸电池内有溢气阀门,当电池有过充情况,产生的气压较高时,阀门会自动打开,将气体(氢气和氧气)排出,所以行驶过程中发生自燃或爆炸的概率小,最多也就是电路板烧坏。而且铅酸电池本身是负反馈系统,电池组有保险丝,外部短路的话保险丝立马熔断。内部短路的话铅板本身不燃烧只会发热把电解液气化烘干,电解液没了,电池自然断路危险解除。

而锂电池是正反馈系统,“里面的电解液有机物质(六氟磷酸锂),具有可燃性,其正极是锂离子,负极是石墨,通常情况下,锂离子是镶嵌在正极内,当过充满电后,如果发生短路,容易造成锂析出,加上其化学性质比较活泼,不能与空气中氧气接触,一接触,就容易造成热失控,化学反应比较剧烈(比如爆炸),电动车也自然容易烧起来。

专业人士表示,锂电池内部比较常见的保护措施有几种:

1.最重要的就是锂电池保护板,它主要防止电流过充、过放、过流或者短路,防止电池异常导致高温甚至燃烧。如果没有保护板,一组电池中如果某一颗出问题就会导致异常甚至短路。当然,保护板的功能和质量也差异很大,普通的几十元,很多好的保护板就要上百元甚至大容量电池保护板要好几百。

锂电池保护板示意图

2.电池支架。我们常见的锂电池看起来是一大块,其实里面是无数小的电池组合而成,把电池组合固定很重要,需要用到支架,很多大品牌为了安全起见,支架结构会让每一块小电池分离几毫米的距离,并且固定(称pack架),利于散热,也让电池更稳定。但这样的支架会影响同体积下电池的密度。于是,有些电池追求小体积、大容量,就会取消更专业的支架,让电池贴在一起,这样虽然容量大了,温度却难以控制,稳定性也很差。

3.防水性能。这一点比较好理解,就是外壳的严密性,锂电池最怕进水。

4.充电器的功率。一般来讲,大品牌都会平衡充电时长和效率,给出一个安全的方案。如果用到改装的充电器,加大电流,会导致充电电池过热,尤其在夏天室外,这也是隐患

一般电单车电池的位置在脚踏处或座位下,网上有不少教授自行铅酸换锂电池的教学视频

锂电池保护板的组成和功能

保护板通常包括控制IC、MOS管、电阻、电容及辅助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存储器等。其中控制IC,在一切正常的情况下控制MOS开关导通,使电芯与外电路导通,而当电芯电压或回路电流超过规定值时,它立刻控制MOS开关关断,保护电芯的安全。其他元器件主要作用如下:

1、电阻:起限流、采样作用;

2、电容:对直流电而言电阻值“∞“,对交流电而言阻值接近零,电容两端电压不能突变,能起瞬间稳压作用,滤波作用;

3、FUSE:熔断保险丝,起过流保护作用;

4、PTC: PTC是Positive Temperature Coefficient的缩写,意即正温度系数电阻,(温度越高,阻值越大),可以防止电池高温放电和不安全的大电流的发生,即过流保护作用。 

5、NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写,意即负温度系数,在环境温度升高时,其阻值降低,使用电设备或充电设备及时反应、控制内部中断而停止充放电。

6、ID是Identification 的缩写,即身份识别的意思它分为两种:一是存储器,常为单线接口存储器,存储电池种类、生产日期等信息;二是识别电阻。两者可起到产品的可追溯和应用的限制。

常见到的锂电池保护板电路图

图中的两个N沟道MOS管分别控制充电和放电的通断。并联的二极管是MOS管的寄生二极管。

在对外界口中,TH为温度检测,内部是一个10K NTC接到电池负极;ID是电池在位检测,一般是47K/10K电阻接到电阻负极,有的是0R电阻;TH和ID均是选配,并不是所有锂电池都有的。

在清华大学卓晴博士的微信公众号 @TsinghuaJoking 上,也详细介绍过锂电池保护板的过充保护、过放保护和过流/短路保护等。

▌ 过充保护

当电池充电时,电流从电池包的正极流入,经过FUSE后从负极流出,最下方的两个MOS管均是导通状态。如下图红色箭头所示方向:

电池充电时电流方向如箭头所示

充电时,控制IC X1会时刻监测第5脚VDD和第6脚VSS之间的电压,当这个电压大于等于过充截止电压且满足过充电压的延时时间时,X1会通过控制第3脚来关闭MOS管Q2,Q2被关闭之后,充电回路被切断(Q2的体二极管D2也是反向截止的),这个时候,电池只能放电。

当下面两个条件满足其一时,便可以解除充电保护::1,电芯两端的电压下降到保护IC的过充恢复电压。2,在电池包得输出端加负载放电,放电到电压小于过充保护电压。

▌过放保护

电池两端向负载输出电流时,电流按照下图的红色箭头流动。

 电池放电时电流方向如箭头所示

放电池,控制芯片IC X1将会通过第5管脚检测C1上的电压。当这个电压小于放电截止电压后并持续一段时间,控制IC将会通过DO管脚控制Q1截止,此时放电回路被切断。

当下面条件满足时,IC X1接触过放保护:拿掉负载,给电池包充电,当VM-VDD之间的电压达到过放恢复电压值时,控制IC X1会重新打开MOS管Q1。

▌过流/短路保护

过流保护则是通过IC X1第2管脚(VM)检测流经控制MOS管电压。如果该电压过大并持续一定时间,控制IC将会关闭Q1,断开放电回路。将输出端负载拿掉,控制IC会自动将Q1重新打开。

保护电流为21A锂电池保护板

过流保护电压VM常常在0.1 ~ 0.2V,这个数值与IC的型号有关。

过流保护数值除了与VM有关之外,也和Q1,Q2两个MOS管的导通电阻有关系。如果MOS管的导通内阻越大,保护电流值就越小。

如:内阻为20mΩ的MOS管,选用的过电流值为0.15V的控制IC,那过流保护的电流应为:0.15V/(0.02*2)=3.75A。

▌控制IC失效时FUSE保护

有的保护板里面会加上保险丝,在控制IC失效之后,起到一个二级保护作用,避免更坏的结果,当然也会增加成本。

保护电流为100A锂电池保护板

为什么总有人把铅酸电池换成锂电池?

专业人士介绍,本质上,电动自行车电池和电动汽车电池同属于锂离子蓄电池,属于二次电池,工作原理都是通过锂离子在电池的正、负极间来回流动,完成充、放电过程。

“电动汽车应用最广泛的是磷酸铁锂电池和三元锂电池。”专业人士说,磷酸铁锂电池能量密度低,安全性能好。电池温度处于500℃~600℃时,其内部化学成分才开始分解。但车辆续航里程一般,当温度低于-5℃时,充电效率低,不适合北方在冬天充电的需求。三元锂电池能量密度高,活性高、存电量大,耐高温性稍差,低温时电池更加稳定。

电动自行车多使用铅酸蓄电池和锂电池,“铅酸蓄电池相比锂电池,成本低,性价比高,重量重,能量密度不高,充电慢。”专业人士说,铅酸电池相对更安全一些,锂电池如果使用不当,更多发爆炸火灾现象。

据杭州日报报道,受伤女孩的妈妈称,当时夫妻俩骑的两辆车都是在同一家店买的,后来换过新的电瓶,也在这家店里。

杭州市消防救援支队对事发的起火电动车进行了一次详细的火灾调查。出事的这辆电动车,用的电池是锂电池。电瓶因为发生爆炸,重量已经比原先轻了不少。

出事电动车烧毁后照片

车辆中间夹层里完整保留了购车发票和非机动车行驶证。购车发票上面写着电动车购买时间为2018年。记者根据爆炸电动车的型号在店内找到同款电动车,而从该款电动车的说明书上看到,其原装电池应为铅酸电池。

据悉,市场上品牌电动车都会有原厂的电池,并提供质保,这都是通过国家质检的。然而有些人对于原厂锂电池的容量、价格都不太满意,还有些原厂是铅酸电池,直接改成锂电池的,这就使得第三方电池有了市场。

私换电池安全隐患大

2019年4月,工信部新修订的《电动自行车安全技术规范》也就是新国标正式实施。其中规定,电动自行车须具有脚踏骑行能力、最高设计车速不超过25公里/小时,电池的电压不得大于48伏。

可见,只要一台品牌电动车用了非原厂的电池,就属于改装的范畴了。除了改铅酸电池为锂电池,或者增加锂电池容量,通常的改装行为还有给车辆安装新的控制器、解除蜂鸣报警,这样做的目的是为了提高车辆的最高时速。

上海自行车行业协会总工程师徐道行指出,改装车辆并不是一件轻松的事。通常,制造一辆正规的电动自行车,需要使用100多节电池串联并联。每节电池都需具备相应的性能、符合相关的制造标准,电池的连接也需要严格遵守BMS电池管理系统。而市面上的个体商家并不能具备相应的技术改造能力,其使用的锂电池也大多质量低劣。因此,私自改造往往意味着极大的安全隐患。

责编:Luffy Liu

本文内容参考杭州日报、TsinghuaJoking、快科技、华商网

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