移動電源風(fēng)險評估及安全分析

楊亦洲 田 鵬 朱昊天

（江蘇省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院（江蘇省信息安全測評中心）、國家物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 無錫 214073）

引言

移動電源是由電池或電池組、相應(yīng)的電路及外殼組合而成，可以提供穩(wěn)定直流輸出的非固定電源系統(tǒng)[1]，并且可由人隨身攜帶，具有儲存電能的器具。目前，隨著電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品的小型化，便攜化趨勢更加明顯，但電池的技術(shù)近年來相對發(fā)展穩(wěn)定，沒有顯著的突破，僅靠低功耗的設(shè)計延長產(chǎn)品續(xù)航能力是有限的，因此外置移動電源成為了解決續(xù)航能力的最佳解決方案之一。

我國作為世界上最大的移動電源制造國和消費國，每年占全球移動電源總產(chǎn)值的近70 %，然而市面上銷售的移動電源價格差異巨大，質(zhì)量參差不齊，部分銷售的移動電源無任何產(chǎn)品相關(guān)的測試和認(rèn)證，這讓產(chǎn)品安全性、可靠性成為了隱患。

1 移動電源風(fēng)險評估

移動電源失效的現(xiàn)象主要表現(xiàn)為漏液、泄氣、破裂、起火和爆炸，造成失效的原因有很多，主要原因有電池芯品質(zhì)不過關(guān)；保護電路和控制部分設(shè)計不合理、電路部分采用劣質(zhì)芯片和材料導(dǎo)致控制異常；外殼、印制板和導(dǎo)線未采用阻燃材料導(dǎo)致發(fā)生異常時不能起到二次防護的作用；標(biāo)識不明確或不標(biāo)識容易引起消費者的誤解。

1.1 電池芯

目前市面上銷售的移動電源一般采用鋰聚合物電池或鋰離子電池，鋰聚合物電池和鋰離子電池的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同，鋰聚合物電池使用的是凝膠電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)，鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)。鋰離子電池在過充電、常溫外部短路、高溫外部短路或強制放電等情況異常情況發(fā)生時，電池芯內(nèi)部可能出現(xiàn)內(nèi)部能量急劇導(dǎo)致溫度急劇升高、材料分解和氧化、封裝撕裂等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池芯內(nèi)部膨脹和內(nèi)壓加大，當(dāng)壓力達(dá)到極限后就可能出現(xiàn)起火或爆炸等現(xiàn)象。因為聚合物鋰離子電池采用了凝膠電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)，這類電解質(zhì)不會因為劇烈高溫而產(chǎn)生氣體，從而降低了起火或爆炸的幾率。雖然聚合物鋰離子電池的安全性、極限工作條件、工作壽命與綠色環(huán)保上比鋰離子電池有優(yōu)勢，但成本過高，因此在市場上大多數(shù)廠家還是采用鋰離子電池。

1.2 升壓模塊、保護電路板和BMS

升壓模塊決定了移動電源的轉(zhuǎn)換效率和給設(shè)備供電的電壓穩(wěn)定性，升壓模塊通常通過IC芯片升壓和穩(wěn)壓，通過升壓電路進行電路輸出，正常情況下升壓后的轉(zhuǎn)換效率在80 %左右。保護板通常分為硬件式保護板和軟件式保護板，硬件式保護板通常采用專用電池保護芯片，當(dāng)電池芯電壓達(dá)到保護值時MOS管切斷充電回路或放電回路，部分廠家還采用熱電偶采集溫度進行溫度保護，這也是大多數(shù)廠家所采用的的保護方式，該保護方式的缺陷在于只能實現(xiàn)過充點和過放電保護，部分能夠?qū)崿F(xiàn)過流保護和反接保護，且保護閥值是不可更改。軟件式保護板目前在移動電源中應(yīng)用較少，主要在戶外使用的環(huán)境下才會采用，涉及到通訊保護、啟動電源保護，觀察保護等。由于常見的移動電源功能單一，因此很少有移動電源采用BMS。

1.3 材料和組裝

移動電源的組裝部分除了電池芯和保護電路及升壓模塊外，還包含了外殼、印制板和絕緣材料，這些阻燃性材料等級應(yīng)不低于V-1級。鋰離子電池或電池組應(yīng)滿足GB 31241-2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)要求。對于模壓和注塑成形的熱塑性外殼的結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證外殼材料在釋放由模壓或注塑所形成產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力時，該外殼材料的任何收縮或變形均不會暴露出內(nèi)部零件[1]。

1.4 標(biāo)識

標(biāo)識是市面上移動電源最容易出現(xiàn)問題的項目，標(biāo)識是用戶對移動電源產(chǎn)品了解的最直接來源，標(biāo)識的不正確、不明確、不清晰很容易對用戶造成誤導(dǎo)，導(dǎo)致危險。移動電源的本體上應(yīng)該用中文引導(dǎo)語或其他明確方式標(biāo)識移動電源名稱、型號；制造商名稱、商標(biāo)或識別標(biāo)志；額定輸入電壓電流、額定輸出電壓及電流。額定容量，商家經(jīng)常用容量和電池芯容量來混淆額定容量的概念，誤導(dǎo)消費者。電池或電池組種類及額定能量，額定能力可以幫助用戶判斷該移動電源是否符合民航攜帶的要求。多輸出端口是經(jīng)常出現(xiàn)未標(biāo)識或標(biāo)識不明確地方，需標(biāo)識同檔輸出電壓的總電流值，而且在每個輸出端口的明顯處應(yīng)該標(biāo)識該端口的額定輸出電壓及電流。

2 移動電源安全分析

移動電源作為信息類產(chǎn)品的一分部分，需要滿足GB 4943.1-2011的標(biāo)準(zhǔn)要求，由于移動電源的特殊性，還需要滿足GB/T 35590-2017的標(biāo)準(zhǔn)要求。但目前市場上除了品牌影響力較大的企業(yè)之外，絕大部分小微企業(yè)都未在移動電源本體上標(biāo)注滿足GB/T 35590-2017的要求，甚至有一些企業(yè)標(biāo)錯了標(biāo)準(zhǔn)號，可以看出部分企業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)名稱都不熟悉更何況標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行力。部分企業(yè)為了削減研發(fā)成本，模仿其他家產(chǎn)品的方案，過于追求快速充放電，無線充電，大容量，多端口輸出能吸引眼球的指標(biāo)，而不重視滿足這些指標(biāo)的同時，存在的安全隱患，未對產(chǎn)品進行合理的測試驗證。有些企業(yè)為了惡性競爭和利潤，甚至不采用保護電路，購買灌有泥沙的廢舊電池芯。針對上述的現(xiàn)象，本文對移動電源容易出現(xiàn)安全隱患的部分進行分析和詳解。

2.1 常溫下的有效輸出容量及轉(zhuǎn)換效率

常溫下的有效輸出容量要求不低于額定容量，也就是移動電源的世紀(jì)有效輸出容量。以常見的20 000 mAh為例，20 000 mAh實際是電池芯的容量，電池芯通常額定電壓為3.7 V，而移動電源的輸出端口為5 V，通過公式（1）可得，實際利用到的移動電源能量理論最高達(dá)74 %，當(dāng)用該移動電源給設(shè)備充電時，存在電路轉(zhuǎn)換損耗、內(nèi)阻損耗、電壓損耗、運行損耗、供電損耗等。升壓電路采用臺灣芯片正?？蛇_(dá)85 %，美國芯片可達(dá)85～90 %，國產(chǎn)芯片可達(dá)80～85 %。通常升壓轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到80 %，也是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，所以20 000 mAh的電池芯容量最終到達(dá)終端設(shè)備的能量大概為12 000 mAh。市面上很多小微廠家用電池芯容量作為額定容量，偷換概念，夸大充電能力，但用實際不能滿足用戶的需求，存在容量虛標(biāo)，轉(zhuǎn)換效率低下的現(xiàn)象。

式中：

R—額定值；

C—容量；

U—電壓。

2.2 常溫外部短路

常溫外部短路是模擬電池芯單一故障的狀態(tài)，針對鋰離子電池，由于正負(fù)極短路，電池放電電流過大，使得電池芯內(nèi)部溫度急劇升高，高溫會破壞電池芯內(nèi)部的隔膜，從而造成內(nèi)部短路造成更大的短路現(xiàn)象，造成了不可逆的氣體，致使電解液在高溫下迅速揮發(fā)成氣體，導(dǎo)致電池芯內(nèi)部壓力過大，當(dāng)電池芯在泄壓機能失效的情況下會導(dǎo)致爆炸和起火的現(xiàn)象。由于軟包鋰離子電池對材料的要求相較于圓柱形電池要高，因此軟包鋰離子電池也是日常試驗中失效率較高的鋰電池封裝形式，軟包鋰離子電池短路導(dǎo)致失效的可以從正/負(fù)極活性材料、電極配比、電解液和制造工藝等多個方向來分析，從而提高電池對瞬態(tài)大電流和短路時高溫的極限能力。降低極耳內(nèi)阻可以有效減少熱量的產(chǎn)生和積累，及對封口區(qū)的熱沖擊，挺高鋁塑封裝強度，降低失效的概率。

2.3 過充電

過充電主要是對電池芯在過壓過流的情況下的一個安全極限測試，也是日常測試中失效率較高的一個項目，該項測試主要考核的是保護失效后電池芯在面對極限的條件下是否會導(dǎo)致危險，如果出現(xiàn)了極端情況是否能夠釋能。目前的在新版便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求討論稿中對過充電的測試條件較以前要寬松，測試條件劃分更為細(xì)致，因此該條款需要在新標(biāo)準(zhǔn)推出后通過測試的驗證來考核對電池芯的測試嚴(yán)酷程度。

3 結(jié)論

造成移動電源存在安全隱患的原因有很多，但主要原因有以下幾點：

1）市場監(jiān)管力度不夠，目前含有鋰離子電池或電池組的信息技術(shù)或音視頻類產(chǎn)品，在進行強制性認(rèn)證時，鋰離子電池或電池組必須通過自愿性認(rèn)證或者按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進行考核通過后才可投入市場，而帶有移動電源一起銷售的信息技術(shù)或音視頻類目前市面上幾乎沒有。移動電源屬于自愿性認(rèn)證的范疇，沒有得到相應(yīng)的重視，這也是GB/T 35590-2017標(biāo)準(zhǔn)普及度不夠的重要原因之一，這也導(dǎo)致了企業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行力低下。

2）消費者群體對產(chǎn)品認(rèn)知不夠，由于移動電源的安全宣傳力度不夠，導(dǎo)致普通消費者對移動電源安全問題的忽視，往往將目光放在價格低，容量大，充電塊，體積小[2]等方面，這給部分企業(yè)有了可乘之機，通過消費者的心理肆意夸大產(chǎn)品性能，通過一些輔助功能博人眼球，混淆視聽，蒙蔽消費者[2]。

3）執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)部分項目方法不明確，GB/T 35590-2017標(biāo)準(zhǔn)的部分條款在方法和判斷上存在不明確的情況，導(dǎo)致在市場抽檢的時候，一些不合格廠家通過對標(biāo)準(zhǔn)中模糊的定義來進行辯解，例如：輸出電壓、紋波和雜訊中未明確規(guī)定放置10 min后測量的數(shù)據(jù)是待載測量還是空載測量。