《广东电池》2019年12月

借鉴笔记本和电动汽车电池组来制定电动自行车安全标准

时间：2020-04-13 来源：作者：陈朝阳

作者：陈朝阳，V1, 2019-11-6
国家机械安全防爆小组专家，部级锂电安全专家，广东省电池行业协会副主任

【摘要】中国的电动自行车数量超过3亿辆，发生燃烧的比例在6到20ppm，燃烧甚至带来人员伤亡。现有的国标GB17762-2018未能识别足够的安全缺陷，满足国标的电动车大量燃烧。建议借鉴笔记本和电动汽车的电池组的安全实践，修订电动自行车的安全标准，补充识别安全缺陷来增加安全措施，包括：（1）每个电池未单独检测电压造成过充电起火风险，应修订为对每个电池监控电压；（2）电池包缺乏温度探测信号未能发现异常电池发热后恶化为起火，应增加温度开关连锁断电；（3）缺乏合理的熔断器在电路的主回路和支路，导致很多电路在机械振动损伤绝缘短路电弧，受潮或泡水电解腐蚀损伤或短路，接触不良大电阻发热点燃，应使用失效分析来合理安排熔断器保护；（4）未彻底密封的电池如铅酸电池在充电过程会释放氢气，应增加风扇来安全稀释氢气浓度到不超过空气体积浓度2%以下，或更换为密封的锂离子电池；（5）未进行功能安全分析，诸多的电子器件某些器件失效后引起的燃烧未分析，导致燃烧风险概率过高，应使用功能安全分析，控制燃烧风险满足SIL 3级别的残余风险不超过1E-8次/小时（即万年一遇）；（6）未进行寿命预测检测，导致超期的安全缺陷电池燃烧，应开展寿命预测检测，在寿命接近终止关断使用，寿命不够国标品质要求要赔偿或召回。
【关键词】电动自行车电动车安全燃烧标准

1. 前言

中国有全世界最大数量的电动自行车，饱和量达到3亿辆^【1】。电动自行车的燃烧比例在6到20ppm^[2]，ppm是百万分之一，每年有很大数量的电动自行车起火事故。现有的国标GB17762-2018 《电动自行车安全技术规范》^【3】没有充分识别产品安全缺陷，满足国标的电动自行车仍旧大量燃烧，其中重要的原因是电动自行车对比笔记本和电动汽车的电池组的安全设计差距巨大。本文对比电动自行车、笔记本、电动汽车的电池组的安全设计，建议借鉴来改善电动自行车的安全设计和安全标准。

2. 电动自行车发生燃烧的原因

分析中国知网的论文，列出了电动自行车的燃烧原因^[^1~2,4~9]，结合电路图复核^[^10,11], 归纳为如下几种情形，对比结果见表1 对比笔记本电动自行车电动汽车的安全设计。

1) 每个电池未单独检测电压造成过充电起火风险，应修订为对每个电池监控电压。笔记本电脑或电动汽车的电池组，都采用了每个电池监控电压的安全方案；而电动自行车却不监控每个电池电压，只监控整个电池包的电压，非常容易出现部分电池电压不一致的过充电现象，过充电容易引发燃烧。电动自行车的电池包电压在48V, 单体容量典型值在20AH，整体容量为240AH左右，远大于笔记本电脑电池组（电压在9V到12V, 通常4到6个电池，每个电池容量5AH，电池组容量在20到30AH）。容量介于笔记本电脑和电动汽车之间，没有理由不采用每个电池电压都监控的安全方案。

2) 电池包缺乏温度探测信号未能发现异常电池发热后恶化为起火，应增加温度开关连锁断电。笔记本电脑和电动汽车电池组都有温度传感器（包括温度开关），但是电动自行车的电池包通常没有温度开关，应当补充。

3) 缺乏合理的熔断器安装在电路的主回路、支路，导致很多电路在机械振动损伤绝缘短路电弧、受潮或泡水电解腐蚀损伤或短路、接触不良大电阻发热点燃，应使用失效分析来合理安排熔断器保护。在笔记本电脑和电动汽车电池组基本都有熔断器（或类似的PTC热敏电阻）保护，电动自行车的电路不应该缺少这种保护。

4) 未彻底密封的电池如铅酸电池在充电过程会释放氢气，应增加风扇来安全稀释氢气浓度到不超过空气体积浓度2%以下，或更换为密封的锂离子电池。铅酸电池是没有彻底密封的电池，当电池容量不一致时刻充电造成部分电池过充电，过充电的电池电解水释放氢气和氧气来钳制电压，微量的氢气和氧气在电池内部的容器里面堆积，遇到催化剂缓慢反应形成水；如果反应激烈，氢气和氧气体积过大，就会冲开容器的橡胶密封口（安全阀）释放出来^【12.13】，所以铅酸电池又称为“阀控铅酸电池”。在铅酸电池有个俗语为“开锅”，就是指过充电电解水来彻底充足电，释放的氢气、氧气和热量就像烧开了水一样剧烈。氢气的爆炸范围是占空气体积比例为4%到76%,依照国家安全标准应当设置强制通风确保稀释氢气浓度不超过2%体积比例才安全。依照中国接受使用的联合国标准（《关于危险货物运输的建议书》第19次修订版本, 依照产生氢气速率来判断货物的危险性：遇水发出燃气速率等于大于每千克物质在每小时释放1升为第4.3类遇水发出易燃气体的危险物质；要求包装分级：（I）产气速率 ≥10升/(千克*分钟)要求用I类包装; (II) 产气速率 ≥20升/(千克*小时), 但是低于10升/(千克*分钟) 要求用II类包装; (III) 产气速率 ≥1升/(千克*小时), 但是低于20升/(千克*小时) 要求用III类包装。铅酸电池虽然不是遇水放出氢气物质，但是容量不一致的电池过充释放氢气，也可参考释放氢气的速率来判断危险性。

5) 未进行功能安全分析，诸多的电子器件某些器件失效后引起的燃烧未分析，导致燃烧风险概率过高，应使用功能安全分析，控制燃烧风险满足SIL C级别的1E-8次/小时（即万年一遇）。

6) 未进行寿命预测检测导致超期安全缺陷电池燃烧，应开展寿命预测检测，在寿命接近终止关断使用，寿命不够国标品质要求要赔偿或召回。

3. 现有标准缺陷造成极高燃烧率

现有国标GB17762-2018 《电动自行车安全技术规范》^【3】没有充分识别产品安全缺陷,基本借鉴欧美等国家的标准，给出要求是带脚踏、限制速度、限制重量、限制输出功率、要求塑料阻燃性等简单要求，没有识别第2段列出的安全缺陷，没有列出安全措施。
电动自行车电池包容量介于笔记本电池和电动汽车电池之间，应该采纳类似的安全措施。但是电动自行车选择比两者更低的标准，导致最高的燃烧比例，即 6ppm（即6E-6）到20ppm(即2E-5)^[2]。中国认可的国际标准功能安全标准IEC61508 或GB/T20438 规定燃烧危害等级为SIL 3级别，要求残余风险为1E-8次/小时（即万年一遇水平）。满足现有国标的电动自行车的燃烧风险，比国家和国际公认的功能安全的风险高了千万倍，是安全不合格产品，应该修订如此不安全的国标，来满足中国和国际正常的功能安全需求。
修订的内容如第2 段列出内容，即表1 中内容。

4. 建议的推进修改方式

由广东省电池行业协会牵头，从广东省先行先试，先修订广东省地方标准，即在国标有明显缺陷的情况下，广东省使用类似笔记本电池组和电动汽车电池组的安全设计实践，制定比国标更加严格的地方标准DB44-XXX 《广东省电动自行车安全标准》。这样避免直接遭受编写国标团队的反对，集中广东省的专家力量、政府资源、检测机构来完善更加严格，更加科学的安全标准。待使用效果良好，再建议升级提到有安全缺陷的国标。

5. 参考文献
[1] 来艳利。典型电动自行车火灾特征与防范。西安科技大学硕士学位论文，2019年6月。第1页。
[2] 李君。电动车火灾调查与物证检测技术研究。华南理工大学工程硕士学位论文，2017年5月。第2页。
[3] 国家市场监督管理总局，中国标准化委员会。GB17762-2018 电动自行车安全技术规范。
[4] 谭钦。电动车消防安全管理问题及对策。广西民族大学学报（自然科学版），2016年9月。第124到127页。
[5] 饶球飞。电动自行车火灾原因分析及火灾调查技术要点探讨。消防技术与产品信息，2016年第10期。第65到67页。
[6] 邵正贤。电动自行车频发火灾原因分析。电动自行车，2013年第8期。
[7] 曾朝军。浅谈电动车安全隐患分析及预防措施。中国知网论文，2019年第06期。第61页。
[8] 陈胜朋。楼梯间电动车火灾数值模拟研究。火灾科学，2018年06月。第27卷第2期。第100到106页。
[9] 赵运涛。楼梯间电动自行车火灾逃生时间的研究。消防技术与产品信息，2017年第12期。第30到33页。
[10] 刘春。电动自行车依诺无刷控制器电路图。中国知网。
[11] 李君。电动自行车宇德无刷控制器电路图。中国知网。
[12] 管铭。串联蓄电池组在线状态检测与均衡控制装置开发。山东建筑大学，硕士学位论文，2016年9月。第6页
[13] 杨剑。电动汽车的安全性分析。湖南大学，硕士学位论文，2005年3月。第7页。

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