電動車火災有“法”可控

文/本刊記者 包冬冬

據報道，電動自行車的火災80%都發生在充電過程中。要避免這類火災，需要制定完善相關安全質量標準、建立屬于電動車的安全充電規范體系、嚴把質量關。

2018年4月1日北京市海淀區一電動車商店火災現場 源自北京青年報

2018年4月1日1時23分，北京市海淀區一電動車商店發生火災，事故造成4人死亡。近年來，此類事故并不少見。究竟是何原因導致電動自行車火災頻發？本刊記者采訪了中國科學技術大學安全科學與工程系副主任王青松副教授，請他詳細作答。

記者（以下簡稱“記”）：王老師，您好。近年來，一些電動自行車火災事故造成了慘重的人員傷亡。請您介紹下，目前國內使用較為普遍的電動自行車以及電動汽車的電池組成及安全保護裝置。

王青松（以下簡稱“王”）：一般的電池由正極活性材料、隔膜、負極活性材料、電解液、正負極集流體、電池殼、電池蓋組成。根據電池反應原理的不同，可分為鉛酸動力電池、鎳氫動力電池、鋰離子動力電池等。

目前在國內，電動汽車上使用的絕大部分都是鋰離子電池，電動自行車部分使用鋰離子電池。其中，又以三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池的應用最為廣泛。二者的區別主要在于正極材料的不同。這里首先需要介紹，常規“三元材料”是指由三種化學成分（元素），組分（單質及化合物）或部分（零件）組成的材料整體，包括合金、無機非金屬材料、有機材料、高分子復合材料等，廣泛應用于礦物提取、金屬冶煉、材料加工、新型能源等行業。鋰離子電池常用的三元正極材料是以鎳、鈷、錳為主構成的化合物，里面鎳鈷錳的比例可以根據實際需要調整。三元鋰電池能量的優勢是密度大，同等重量的電池，能為車輛提供更長的續航里程；磷酸鐵鋰電池在大量純電動客車上以及部分純電動貨車上都有搭載，它的材料性質與三元材料相比更加穩定，缺點是能量密度要比三元鋰電池低得多，并且低溫環境下，電池衰減嚴重。雖然磷酸鐵鋰電池在同等重量的情況下能量比三元鋰電池低，但勝在成本低，安全性高，因此也有不少的車型采用這種電池技術。

對于動力電池的安全問題，除了電池材料技術外，普遍認為電池包（PACK）及電池管理系統（Battery Management System的縮寫，即BMS）在保障電池安全方面的作用無可替代。此外，對于單體的鋰離子電池來說，安全閥等安全裝置也可以在一定程度上避免鋰離子電池的燃燒、爆炸等現象。

動力電池電池包成品由三部分構成，即電池模組、電池管理系統和固定架外殼，涵蓋了熱管理、結構設計、高壓控制、安全管理等內容，其中電池管理系統具有防止過充、避免過放、控制溫度、保持電池組件電壓和溫度平衡、預測電池的剩余電量和剩余行駛里程等功能。

記：就您介紹的電池成分和安全保護裝置，在使用中存在哪些先進之處，同時，伴隨哪些易于引發火災的安全隱患?哪一環節最易發生電動自行車火災?主要原因有哪些?請結合事故案例說明。

王：如上所說，三元鋰電池能量的優勢是能量密度大，同等重量的電池，能為車輛提供更長的續航里程，在未來一段時間內，也將會更受市場青睞。但是相應的，三元鋰電池的比能量（電子術語，參與電極反應的單位質量的電極材料放出電能的大小稱為該電池的比能量）雖然增加了，電池的材料也變得更不穩定，并且相對磷酸鐵鋰電池，在一些濫用測試中，三元鋰電池也更容易出現熱失控、燃燒等現象。

電池管理系統的主要作用主要體現在：第一，估測電池的荷電狀態(SOC)，保證電池的電量始終在合理的狀態；第二，動態監測，實時監測電池模組中電池的端電壓（指電源正負兩極之間的電壓，又稱路端電壓或端壓）、充放電電流等，避免出現過充和過放現象。因為不管是過充還是過放，都會對電池造成不可逆轉的損傷，尤其是過充，電池過充到一定程度后，電池內部會出現鋰枝晶（指采用液態電解質的鋰電池在充電時，鋰離子還原時形成的樹枝狀金屬鋰單質）穿透隔膜，造成電池內短路，最終發生火災爆炸；第三，為單體電池均衡充電，保持電池內部電池的一致性。這三者從不同的方面出發，相互協同，SOC估測模塊保證了電池的剩余電量在合理使用范圍內，確保了電池更長的使用壽命。隨著電池內部電量的飽和或者放空，充放電電流都會相應出現動態變化，而通過動態檢測模塊，監測端電壓，充放電電流的變化，保證了電池不會發生過充和過放現象。

此外，均衡技術也是確保電池的安全使用的一項關鍵技術。因為同一生產線，同一批次的電池，在使用中也會存在個體上的差異。均衡技術的開發旨在保證模組中的電池的一致性。比如，在充電過程中，如果對模組中的所有電池充入等同的電量，但此時單體電池的荷電狀態不一致，這就會造成有的電池滿電，有的電池未充滿，有的卻過充了的現象，這些都是需要避免的。

根據對近年來發生的電動車火災事故的原因調查顯示，絕大多數的火災都是發生在充電階段。充電過程中發生火災的主要原因是電動車自身電氣線路短路、充電器線路過負荷、電動車電池故障引起。根據相關調查，電動自行車的起火并非是電池質量不過關，而是使用者的操作不當或者是相關元器件質量缺陷所致。

電動車在充電時，如果相關的安全保護措施（短路、過充保護措施）失效，就會造成電池的過充。當電池被過充時，會在其負極上形成一定量的鋰枝晶，并產生大量焦耳熱，而快速的產熱會引發電池內部各組分之間的化學、電化學反應，由此引起電池鼓包甚至引發電池熱失控。

但近年來發生的一些電動車火災事故，其深層次的原因往往都是安全保護裝置的失效或者是對電池受到外界的影響。另外，現在市場上的電動車外飾材料基本都是易燃的塑料，當電動自行車的內部元器件、線路等出現短路，很容易引燃車身，進一步加劇火勢。

記：請問，存在上述安全隱患的深層次原因是什么?應該如何看待現存的安全隱患與其承載的經濟、環保、節能之間的關系?

王：我認為，存在上述安全隱患的深層次原因，主要有以下3方面。一是電池的質量。電池的質量決定了其使用過程中是否容易出現過載或者漏液的情形。二是相關保護措施作用失效。短路、過充等保護措施的作用失效，直接決定了電池不能安全使用，尤其在充電過程中，容易發生過充，造成火災。三是生產、裝配的不規范；內部電線布置紊亂，電池包氣密性不好，保護措施的質量不過關。

對于現存的安全隱患與其承載的經濟、環保、節能之間的關系來說，我認為還是利大于弊的。首先在運行費用方面，電動車只有燃油汽車的 1/10；另外，隨著汽車工業越加發達和人民生活水平的提高，對汽車的需求越來越大，不管是對不可再生資源的大量消耗，還是產生的尾氣污染，傳統的燃油汽車已經成了破壞環境的一個主要原因。環保和節能的優勢，決定了電動汽車取代傳統燃油汽車的必要性。電動汽車在使用時，幾乎不會產生氣體污染，并且現在市場上的電池基本都能達到數千次循環的穩定性，同時，現在從電動汽車上淘汰的鋰離子電池還可以進行梯次利用，比如應用到儲能等方面，這進一步提高了電池的材料利用率。另外，針對鋰離子電池內部的貴重金屬等材料，現在市場上也有一些企業可以對其進行回收提取，進行再利用。這一系列的措施對鋰離子電池的材料進行最大限度的利用。

而針對電動汽車的安全隱患，我們也應該給與足夠的重視，從源頭上出發，提高電池自身的安全穩定性，如：開發使用安全電解液、陶瓷隔膜等；在安全應用方面，優化電池管理系統、增強防護措施等。

記：請問，我們應該采取哪些措施預防電動自行車充電過程中的電池火災?請從政策制定、質量把關、技術革新等多角度介紹。

王：電動自行車的火災80%都發生在充電過程中，電池過充電時容易發生失控，引發火災。電動車在充電過程中，元器件的老化、線路的短路、充電的環境、電動車材質等是引發充電火災的因素。尤其是目前的電動車防火性能較差，電動車的電池盒、儀表盤、燈座等都不一定是經過阻燃處理的材料，易發生火災。

要避免充電過程中電池火災的發生，在宏觀方面需要制定相關的強制性標準：一是制定相關安全標準，在源頭上對電動車的生產裝配進行篩選，落實電動車的安全化、規范化生產。在相關政策規定的保障下，對市場上的電動車的生產廠家進行嚴格的質量把關，落實產品質量的承擔責任。二是建立起一套屬于電動車的安全充電規范體系，避免電動車因過充、過載引發的火災。如有可能，通過相關政策的制定，嚴格約束電動車的充電場所，做到集中充電，規范管理。禁止在樓道等通風條件差、人員流動較大的場所進行充電。

對電動車的質量把關粗略分為3個方面。一是對電池及相關元器件的把關和對電動車上其他非金屬材料的質量把關。比如：電池以及相關元器件的老化，會大大提高充電過程中發生短路的可能性。而現在市場存在的二手充電自行車還有可能存在著拼裝、假冒的現象，這樣的電池不僅在充電過程中容易造成過充的現象，還有可能存在著漏液的現象。二是對于電池盒這樣直接接觸電池和高溫元器件非金屬材料，應該起到阻燃、防火的作用，可以延緩、抑制電池火災的擴散。至少可以承受充電過程中產生的局部高溫。三是對于安全保護裝置的要求，決定了電動車的安全使用和預防火災的發生。

在技術革新方面，如上所說，電動自行車作為一種廣泛應用的交通工具，需要一套屬于自己的特有的充電體系。針對不同體系的動力電池，怎樣的充電方式才能既合理保證電池的安全使用壽命，又能有效利用電池儲存的能量，這是目前亟待探索并解決的。同時，可以通過對電動車進行結構設計，添加相應的散熱和隔熱手段，一方面保證在充電過程中局部熱量可以有效地散發到外界，避免熱量的積累造成火災；另一方面，也可以通過相應的隔熱手段對已經失控的電池或者局部的火災進行緩解，將火災的范圍縮減到最低。

記：2018年 1月16日，工業和信息化部、公安部等四部門修訂《電動自行車安全技術規范》，對電動自行車產品標準進行修訂完善，提高電動自行車的防火安全性能等級，這對預防電動自行車火災有哪些作用?

王: 在防火安全性能方面，修訂的《電動自行車安全技術規范》添加了防火性能、阻燃性能等要求。

在阻燃性能方面，要求電動自行車中的電氣部件，如短路保護裝置、電源連接器、主回路電線等，與電池直接接觸的非金屬材料，如電池組盒、充電插頭以及充電池的非金屬材料其他的裝飾材料等都應符合相關國標（GB/T 5169.16—2008《電工電子產品著火危險試驗 第16部分: 試驗火焰 50W 水平與垂直火焰試驗方法》和 GB 8410—2006《GB 8410-2006汽車內飾材料的燃燒特性》）的規定。

防火性能，電動自行車的電池組盒、保護裝置、儀表、燈具應當能承受GB/T5169.11-2006 《電工電子產品著火危險試驗 第11部分 灼熱絲熱絲基本試驗方法 成品的灼熱絲可燃性試驗方法》規定550 ℃的灼熱絲試驗。對于通過最大額定電流大于1.0A的電源線纜及單芯導線，其接插件的絕緣材料部件應當能承受GB/T5169.11 規定 750 ℃的灼熱絲試驗。

顧名思義，阻燃性能是指材料所具有的減慢、終止或防止有焰燃燒的特性，電池在充電過程中，由于電流的作用，電源連接器和主回路電線都會產生熱量，這是無法避免的。這就要求了這些材料需要有一定的阻燃性能，可以承擔在充放電過程中釋放出的焦耳熱，不會被引燃。另一方面，阻燃材料還有著減慢、終止燃燒的性能，當出現小范圍的火焰時，阻燃材料的存在可以有效將其限制在一定范圍內，直至其熄滅。而要求電池組盒、保護裝置、儀表、燈具、電源線纜及單芯導線這些材料具有一定的防火性能，就能在很大程度上延緩甚至是杜絕電動車大規模燃燒的發生。這二者協同作用，即在源頭上降低了火災出現的可能性，也在很大程度上抑制了火焰的擴散。將電動車的火災危險性降到可承受范圍內，也給火災的撲滅工作提供了很大的便利。