電動自行車充電器長時空載狀態(tài)下起火可能性的研究分析

郭 磊，張 科，寇曉適，董曼玲，丁國君（國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052）

電動自行車充電器長時空載狀態(tài)下起火可能性的研究分析

郭 磊，張 科，寇曉適，董曼玲，丁國君
（國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052）

電動自行車的使用已經(jīng)非常普及，其安全性也一直備受爭議，在充電狀態(tài)下引起火災(zāi)的案例很多，其源頭往往集中在蓄電池和充電器兩個部位。本文通過理論分析、實地調(diào)研及模擬試驗對電動自行車充電器長時間空載狀態(tài)下是否會引起嚴(yán)重發(fā)熱起火進(jìn)行了分析，對國內(nèi)電動自行車充電器的安全使用具有一定的借鑒意義。

電動自行車；充電器；空載；起火

0 前言

電動自行車自1995年在我國誕生以來，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)一直沿用1999年的《電動自行車通用技術(shù)條件》，其中對電動自行車的防火指標(biāo)并沒有規(guī)定。近些年，隨著電動自行車數(shù)量急劇上升，由于防火安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不健全、廠家在防火成本上的忽略、市場監(jiān)管不到位、用戶使用存放方面問題等原因?qū)е氯珖妱幼孕熊嚮馂?zāi)事故頻發(fā)，造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失呈逐年上升趨勢，迫切需要全社會高度關(guān)注。

國內(nèi)有關(guān)報導(dǎo)電動自行車充電時引起火災(zāi)的案例很多，但對于電動自行車充電器在長時間空載狀態(tài)下是否引起火災(zāi)未見相關(guān)報導(dǎo)。充電器和蓄電池是現(xiàn)在電動自行車起火的兩個重要部件，本文主要對電動自行車充電器在空載狀態(tài)下是否引起火災(zāi)的可能性進(jìn)行分析。

圖1　高頻開關(guān)電源式充電器原理圖

1　 充電器原理介紹

電動自行車充電器是專門為電動自行車蓄電池配置的充電裝置。主要參數(shù)有電壓、電流和功率。按充電器內(nèi)部配置變壓器區(qū)分，可分為工頻、高頻兩大類。使用工頻變壓器的充電器體積、重量大，市場上使用較少；使用高頻變壓器的為高頻開關(guān)電源式充電器，體積小、效率高，市場占有率達(dá)到90%以上。

高頻開關(guān)電源式充電器一般由交流輸入整流部分、高頻逆變部分、高頻變壓器、輸出整流部分、電壓電流采樣部分及控制保護(hù)等多部分組成［2］，主要工作原理是：220V交流電經(jīng)整流，C1濾波得到280～400V左右直流電，再經(jīng)高頻逆變成高頻方波，再經(jīng)高頻變壓器降壓后整流成穩(wěn)定可控的直流電。

2　 充電器起火的可能原因

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2947.1-2008《電動自行車用蓄電池及充電器》對電動自行車充電器有具體規(guī)定，例如： 充電器空載直流輸出電壓應(yīng)不超過42.4V（構(gòu)成電池組的單體數(shù)量越多，各單體電池間出現(xiàn)充電電壓不均衡的概率就越大，造成部分電池過充電而引起火災(zāi)的可能性越大），但是現(xiàn)在市場上追求續(xù)航里程遠(yuǎn)，把電池容量增大，大部分充電電壓超過國家標(biāo)準(zhǔn)值，電池組裝后對應(yīng)電壓甚至包括60V、72V和90V等；充電器工作時溫升應(yīng)不高于50K，且輸出電壓的漂移量應(yīng)不大于0.3V。正規(guī)充電器生產(chǎn)廠家的合格產(chǎn)品大部分標(biāo)準(zhǔn)是按照GB4706.18-1999《家用和類似用途電器的安全電池充電器的特殊要求》和GB/T2947.1-2008《電動自行車用蓄電池及充電器》的規(guī)定進(jìn)行，其充電器除了自身具備的恒壓、限流功能外，還具有過流保護(hù)裝置和極性接反保護(hù)功能，其外殼為阻燃塑料，此外正規(guī)廠家在充電器內(nèi)輸入端和輸出端安裝保險絲等后備保護(hù)裝置。因此，正規(guī)充電器生產(chǎn)廠家的合格產(chǎn)品起火或引發(fā)火災(zāi)的幾率很小。對于市場上假冒偽劣充電器，由于設(shè)計、生產(chǎn)工藝和元器件產(chǎn)品質(zhì)量等原因，存在無過流保護(hù)裝置或輸出端無極性接反保護(hù)；有的為了節(jié)約成本，輸入輸出端的電線線徑全都“瘦身”，“瘦身”電線更易折損磨破，耐熱性絕緣性都將變差現(xiàn)象較為普遍，很多用戶在原有標(biāo)配的正規(guī)生產(chǎn)廠家的充電器損壞后，購買偽劣充電器，給安全埋下隱患［5］。

充電器空載狀態(tài)下可能存在的起火原因如下：

（1）充電回路線路及插接件短路。充電器連接220V電源后的充電回路可能存在以下兩種情況的短路：一是充電器電源線由于經(jīng)常纏繞、拉扯、老化等原因造成絕緣層損傷形成短路；二是插頭插座處發(fā)生短路。

（2）充電器內(nèi)部元器件損壞。開關(guān)電源式充電器實際上就是一個開關(guān)電源加上一個檢測電路，如果充電器高壓端整流二極管、電源開關(guān)管或濾波電容擊穿，電源回路就會出現(xiàn)短路電流，此時充電器輸入輸出端若未配置保險絲，內(nèi)部的過流保護(hù)裝置也失效的話，可能會造成充電裝置起火。

（3）天氣原因。在陰雨天氣下，充電器暴露在外后受潮或進(jìn)水，雖然是空載狀態(tài)，但仍會造成內(nèi)部短路，產(chǎn)生較大電流，此時充電器輸入輸出端若未配置保險絲，內(nèi)部的過流保護(hù)裝置也失效的話，可能會造成充電裝置起火。

（4）劣質(zhì)充電器選型及設(shè)計不合理，質(zhì)量不可靠。部分廠家擅自降低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，選用的電線線徑小、質(zhì)量差、絕緣外皮易破損；插接件質(zhì)量低劣，未做防水防塵處理；一些廠家為降低成本，未安裝保險絲或過流保護(hù)裝置，使內(nèi)部短路時得不到有效保護(hù)。

（5）私自改裝或使用不得當(dāng)。在使用環(huán)節(jié)中，有些用戶為圖方便，擅自將標(biāo)配的小容量保險絲更換為大容量保險絲，或者拆除保護(hù)裝置；由于充電器的頻繁使用，很多用戶充完電后只拔掉充電器輸出插頭，不把充電器電源斷開，讓充電器長期接通電源空載運行，再加上空載狀態(tài)下風(fēng)扇并不工作，熱量散發(fā)不出去，這有可能會造成充電器電氣元件的劣化，引起內(nèi)部回路絕緣下降甚至短路，此時輸入輸出端若未配置保險絲，內(nèi)部的過流保護(hù)裝置也失效的話，在夏天濕度較大時，充電器內(nèi)電路板容易受潮引起短路，可能會造成充電裝置起火。

3　電動自行車生產(chǎn)廠家調(diào)研

筆者對電動自行車生產(chǎn)廠家進(jìn)行實地調(diào)查了解，大多數(shù)充電器都不是電動車廠家直接生產(chǎn)，而是由外協(xié)單位提供。正規(guī)電動車廠家在采購的充電器中做抽檢試驗，測試充電器輸出電壓和輸出電流，檢測電壓和電流的穩(wěn)定性，確保充電器合格；所使用的充電器外殼及電源線均采用阻燃材料；充電器空載狀態(tài)下風(fēng)扇不工作；充電回路中裝有過流保護(hù)裝置。

調(diào)研結(jié)果顯示：一般正規(guī)廠家生產(chǎn)的充電器，在長期空載情況下不會出現(xiàn)起火的情況。理由如下：（1）空載狀態(tài)下，充電器內(nèi)部回路中電流為毫安級，原則上不會引起太大的溫升。（2）充電器內(nèi)部電路有過流保護(hù)裝置，輸入輸出端有保險絲作為雙重保護(hù)，如果發(fā)生因短路引起的回路過流情況時，保護(hù)裝置會迅速動作斷開電源通路，不會發(fā)生溫度急速升高起火。（3）充電器內(nèi)部電路板為阻燃材料，出現(xiàn)短路時至多是燒毀內(nèi)部元器件，但電路板不會燃燒。（4）充電器外殼及電源線均采用阻燃材料，不會起火。

但不排除存在一些廠家為了節(jié)約成本，充電器外殼和線會采用一般材料，保護(hù)裝置也可能沒有，在發(fā)生內(nèi)部故障時有可能會導(dǎo)致發(fā)熱起火。

4　對充電器的空載模擬試驗

隨機抽取YD、YY、JX、KP、WX、JB等六種品牌的電動車充電器（正在使用中的產(chǎn)品）。所有充電器分兩組在以下環(huán)境下進(jìn)行模擬溫升試驗［1］。試驗步驟如下：

步驟一：無風(fēng)干燥環(huán)境下，對第一組所有充電器（YY、JB、JX各一只）長時間空載狀態(tài)運行，在溫度升起的前3個小時使用紅外熱像儀進(jìn)行密集觀測其溫升情況，直至溫度穩(wěn)定，同時記錄各充電器空載電流和輸出電壓，并觀察其現(xiàn)象；

步驟二：對第二組所有充電器（YD、YY、KP、WX各一只）在充電器旁放置加濕器等裝置模擬雨天空氣濕度大效果，然后長時間空載狀態(tài)運行，在溫度升起的前3個小時進(jìn)行密集觀測其溫升情況，直至溫度穩(wěn)定，同時記錄各充電器空載電流和輸出電壓，并觀察其現(xiàn)象；

步驟三：如果第二組所有充電器在受潮情況下仍無異常，對第二組充電器噴灑少量水模擬雨水浸入效果，然后長時間空載狀態(tài)運行，在溫度升起的前3個小時進(jìn)行密集觀測其溫升情況，直至溫度穩(wěn)定，同時記錄各充電器空載電流和輸出電壓，并觀察其現(xiàn)象。

根據(jù)試驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）無風(fēng)干燥環(huán)境下，對第一組所有充電器（YY、JB、JX）長時間空載狀態(tài)運行，充電器內(nèi)風(fēng)扇不工作，充電回路中空載電流在15mA以內(nèi)。充電器內(nèi)部元器件只有電阻元件溫度增加明顯，最高可達(dá)到103℃，之后保持穩(wěn)定不再增加；其它如電容、變壓器、整流硅、線路及散熱片溫度增加均不明顯，比環(huán)境溫度略高。整個內(nèi)部發(fā)熱情況反映在外殼時，整體最高溫度基本都穩(wěn)定保持在42～44℃范圍內(nèi)，整體溫升基本都在15～17K范圍內(nèi)，溫度穩(wěn)定保持了6個小時而無變化。發(fā)熱最明顯的電阻不足以引起外殼及線路起火，對電路板更無影響，但長期如此可能會造成電阻元件劣化。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1　無風(fēng)干燥環(huán)境下充電器長時間空載試驗

（2）對第二組所有充電器（YD、YY、KP、WX）在充電器旁放置加濕器等裝置，然后長時間空載狀態(tài)運行，所有充電器均在一個半密閉的鐵箱內(nèi)，鐵箱內(nèi)濕度一度達(dá)到98%以上，但所有充電器外殼整體最高溫度基本都穩(wěn)定保持在42～44℃范圍內(nèi)，整體溫升基本都在15～17K范圍內(nèi)，無任何異常情況發(fā)生。分析是由于外殼的防護(hù)，一般的悶濕天氣難以造成充電器內(nèi)部電路板的受潮繼而引起短路。試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2　潮濕環(huán)境下充電器長時間空載試驗

（3）從第二組充電器中挑選了KP和WX兩個充電器，打開外殼，用加濕器造成電路板濕潤至凝露結(jié)水，之后分別插上電源。KP充電器輸入端的保險絲瞬間熔斷，整個回路不帶電，使用紅外測溫觀察KP充電器電路板溫度與環(huán)溫近似。說明充電器內(nèi)輸入端安裝有保險絲，防止短路造成的后續(xù)破壞。

WX充電器輸入端輸出端均無保險絲，但插上電源后充電燈熄滅，表示電路跳開，內(nèi)部過流保護(hù)裝置發(fā)生作用，之后測溫發(fā)現(xiàn)，在充電器內(nèi)變壓器二次側(cè)（通往蓄電池側(cè)）整個回路無電流，溫度與環(huán)境溫度近似，變壓器一次側(cè)（通往220V電源側(cè)）仍有電壓，最高溫度穩(wěn)定保持在89℃。說明充電器內(nèi)部有過流保護(hù)裝置，只能對變壓器二次側(cè)以后故障起到保護(hù)作用。

（4）阻燃材料的阻燃特性是相對的。使用明火一直點燃充電器電源線及外殼時，可以造成電源線和外殼輕微燒融，但火源一旦離開，電源線和外殼處的燃燒隨即自行熄滅。說明充電器內(nèi)部出現(xiàn)電弧或火花不可能造成電源線和外殼起火，除非是充電器外部有持續(xù)的火源對其燃燒。

5　 結(jié)論

目前，我國電動自行車行業(yè)采用的電池多數(shù)為鉛酸蓄電池，其適用的充電器多為開關(guān)電源式充電器，即所謂三段式充電器，具有恒壓、限流和浮充的功能［3］。此類充電器由于內(nèi)部發(fā)熱元器件溫升有限、元器件自身可燃材料少、充電回路有過流保護(hù)裝置、充電器外殼均采用阻燃塑料等，因此，充電器內(nèi)部起火幾率很小，引發(fā)火災(zāi)的幾率更小［4］。試驗證明帶有保護(hù)裝置的充電器空載狀態(tài)下，即使發(fā)生內(nèi)部短路的情況，保護(hù)裝置也會動作，防止故障擴大，帶有保護(hù)裝置的充電器空載狀態(tài)下起火的可能性很小。

充電器空載狀態(tài)下引起火災(zāi)的前提必須是充電回路中出現(xiàn)短路的情況，同時充電器內(nèi)輸入輸出端未安裝保險絲，內(nèi)部的過流保護(hù)裝置也意外失效的話，無法斷開回路大電流，且所使用的外殼、電源線均為非阻燃材料，幾種不利條件均具備，才有可能引起火災(zāi)。因此，如果是正規(guī)廠家生產(chǎn)的使用阻燃材料并帶有過流保護(hù)裝置的充電器在空載狀態(tài)下即使遇到受潮、絕緣破損或其它因素造成短路后引起火災(zāi)的可能性依然很小。對于不含有過流保護(hù)裝置的劣質(zhì)充電器，不排除其內(nèi)部由于受潮、絕緣破損或其它因素造成短路后引起火災(zāi)的可能性。

［1］李斌，吳瑩. 電動車用蓄電池充電器故障模擬試驗［J］. 消防管理研究，2013（32）：798-800.

［2］陳竹. 電動自行車充電器原理與維修要點［J］.電動自行車，2011（12）：46-48.

［3］張萬民，韓建平，原小永. 電動車火災(zāi)成因分析及預(yù)防對策［J］. 火災(zāi)調(diào)查與分析，2011（30）：870-872.

［4］ 張民. 從電動車電池充電技術(shù)談充電器的選擇［J］.電動自行車，2010（9）：48-50.

（編輯∶季晨宸）

郭 磊（1982-），男，河南，高級工程師，碩士；研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)。