電動自行車及充電器電氣安全風(fēng)險分析

沈援海，鄭發(fā)秀, 邱瑞, 李強(qiáng)，李金泰

（1.中移（杭州）信息技術(shù)有限公司，杭州 311121； 2.威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

隨著智能化、蓄電池等技術(shù)的不斷發(fā)展，以蓄電池作為輔助能源的電動自行車以其便捷、節(jié)能環(huán)保和性價比高等優(yōu)點，逐漸成為當(dāng)今人們出行的重要工具[1]。同時，市場上電動自行車產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，電氣安全問題屢被報導(dǎo)，消費者對電動自行車產(chǎn)品的可靠性和安全性的投訴也越來越多。根據(jù)國家市場監(jiān)督總局通報的2022年電動自行車和電動自行車電池產(chǎn)品質(zhì)量國家監(jiān)督抽查情況，其中電動自行車抽查不合格率高為20.5 %，電動自行車電池抽查不合格率為22.0 %。因此，中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局近期分別發(fā)布了專門針對電動自行車整車電氣安全的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 42295-2022《電動自行車電氣安全要求》和針對電動自行車用充電器安全的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 42296-2022《電動自行車用充電器安全技術(shù)要求》，其明確了對電動自行車整車及其充電器的電氣安全性的要求，為電動自行車的電氣安全要求提供了依據(jù)，有助于提高電動自行車的安全性能[2]。

本文將以電動自行車整車及充電器電氣安全要求新標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了電動自行車及其充電器電氣安全測試過程的關(guān)鍵技術(shù)點，并對常見電氣安全進(jìn)行案例分析，以期為業(yè)界相關(guān)讀者提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

1.1 電動自行車標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)的電動自行車主要是指以車載蓄電池作為輔助能源，具有腳踏騎行能力，能實現(xiàn)電助或電驅(qū)動功能的兩輪自行車。其整車的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要是GB 17761- 2008《電動自行車通用技術(shù)條件》（以下簡稱GB 17761），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動自行車的整車安全、電氣安全、機(jī)械安全、阻燃性能、無線電騷擾特性、防火性能和使用說明書的主要技術(shù)要求及相應(yīng)的使用方法。同時為了彌補整車電氣安全指標(biāo)的缺陷，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局針對電動自行車的電氣安全專門發(fā)布了GB 42295-2022《電動自行車電氣安全要求》（以下簡稱GB 42295）標(biāo)準(zhǔn)，其明確規(guī)定了電動自行車安全的標(biāo)識、警示語、連線、絕緣電阻、導(dǎo)線、電壓、發(fā)熱、振動與沖擊、防護(hù)、電氣強(qiáng)度耐溫與耐濕的要求及其相應(yīng)的試驗方法[3]。

1.2 電動自行車用充電器標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前電動自行車主要電器零部件包括電機(jī)、充電器、控制器和電池等部件，其中充電器的安全性能尤其重要，其直接影響著電動自行車的安全使用質(zhì)量。對于充電器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要是GB 42296-2022《電動自行車用充電器安全技術(shù)要求》。其規(guī)定了電動自行車用充電器的防觸電保護(hù)類別、標(biāo)志、安全性、警示語和說明書的技術(shù)要求以及相應(yīng)的檢測方法，其主要適用于GB 17761規(guī)定的電動自行車用充電器[4]。

綜上所述，GB 42295、GB 42296和GB 17761這三項國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成了電動自行車產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

2 車輛電氣安全標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)關(guān)鍵點

2.1 標(biāo)識和警示

按照GB 52295標(biāo)準(zhǔn)的要求，本次標(biāo)準(zhǔn)新增了對電動自行車電氣安全要求，提出了電動自行車整車以及蓄電池的電氣安全要求。整車帶電部件和蓄電池都需要有相應(yīng)的標(biāo)識和警示。例如，在電動自行車整車電壓高于35 Vdc和16 Vac的主回路和蓄電池系統(tǒng)中人員容易接觸到的帶電的防護(hù)罩位置，清晰牢固地標(biāo)注標(biāo)注警示標(biāo)識，如圖1所示。

圖1 當(dāng)心觸電的警示標(biāo)注

同時，需要在電動自行車的蓄電池上明確標(biāo)識出其充放電的工作溫度范圍、最大的充放電的電流、充電最高終止電壓、放電最低終止電壓等參數(shù)，體現(xiàn)消費者進(jìn)行識別。

2.2 布線、導(dǎo)線與連接

相比GB 17761標(biāo)準(zhǔn)，電動自行車電氣安全標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了在導(dǎo)線的布置及連接方式、連接需要滿足一定的強(qiáng)度要求。詳細(xì)情況如下：

1）布線

首先所有的電氣導(dǎo)線布線時均應(yīng)該布置整齊、捆扎成束固定，布置時應(yīng)該避開鋒利的銳邊，避免與可移動部件接觸，同時可以增加絕緣護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。

2）導(dǎo)線

車輛和蓄電池組內(nèi)或蓄電池組之間連接的使用的導(dǎo)線，其標(biāo)稱橫截面積應(yīng)大于其所在電路的最大工作電流的要求，。詳見表1所示。

表1 導(dǎo)線的標(biāo)稱橫截面積表

3）連接拉脫力

車輛的插接件插接應(yīng)該可靠牢固，無松脫。其車輛插接器連接導(dǎo)線的拉脫力，其在主回路中的應(yīng)不小于50 N，在非主回路中的應(yīng)不小于20 N；同時對于蓄電池組內(nèi)部的螺釘、螺母的拆卸扭矩力進(jìn)行了規(guī)定。

2.3 電壓

依據(jù)GB/T 3805-2008《特低電壓（ELV）限值》 規(guī)定，在環(huán)境濕潤的條件和電路無故障情況下，人體本身能承受的電壓能力分別為直流電壓35 V和交流電壓16 V。因此，電動自行車正常工作及電門鎖關(guān)閉后的電壓值應(yīng)該符合表2的規(guī)定。除此之外，電動自行車應(yīng)該裝有熔斷器或斷路器等短路保護(hù)裝置。

表2 電壓限值表

2.4 絕緣電阻

一般常溫情況下，電動自行車的電器部件和線路的各處絕緣值應(yīng)不小于20 MΩ，其通過直流電壓500 V的絕緣電阻表測量。需要注意的是，當(dāng)部件經(jīng)歷了發(fā)熱、高溫、低溫貯存和恒定濕熱等環(huán)境試驗后，其絕緣電阻的最小限值也將變動，詳見表3所示。

表3 絕緣電阻限值表

2.5 電氣強(qiáng)度

車輛的電氣強(qiáng)度要求先在環(huán)境溫度為（40±2）℃、相對濕度為（93±3）%RH的試驗箱內(nèi)進(jìn)行持續(xù)時間為2天的恒定濕熱試驗。待試驗結(jié)束后，在車輛的各試驗點（電動機(jī)與控制器、儀表、閃光器、開關(guān)、電門鎖、保護(hù)裝置、采樣電路、蓄電池系統(tǒng)等）進(jìn)行施加不同電壓和時間的試驗參數(shù)進(jìn)行電氣強(qiáng)度試驗，其標(biāo)準(zhǔn)要求蓄電池系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等與裸露可導(dǎo)電部件之間無擊穿或閃絡(luò)。

2.6 發(fā)熱與防護(hù)

車輛電氣的防護(hù)主要分成以下幾種，對觸及帶電部分的防護(hù)、短路防護(hù)、外露可導(dǎo)歐典部分觸電防護(hù)、充電保護(hù)、放電保護(hù)、溫度保護(hù)、溫度異常報警、保護(hù)裝置失效斷電以及互認(rèn)協(xié)同充電等。

而車輛的發(fā)熱一般是指車輛的電器部件（電動機(jī)與控制器、儀表、燈具和保護(hù)裝置等）在一定條件下工作一段時間后，其溫升的變化不能超過規(guī)定值，詳見表4。

表4 相關(guān)矩陣表

因此，車輛部件發(fā)熱應(yīng)予以控制，電氣電路防護(hù)要有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，充放電異常時需要有相應(yīng)保護(hù)。

2.7 振動與沖擊

車輛與車輛的蓄電池系統(tǒng)需要足夠的機(jī)械可靠性，其能保障車輛零部件不會在振動或沖擊情況下存在松動或脫落的現(xiàn)象。因此，電動自行車整車需要進(jìn)行振動試驗，蓄電池系統(tǒng)需進(jìn)行沖擊試驗，通過試驗檢測，確認(rèn)其電氣安全特性是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，車輛是否不會出現(xiàn)電器著火、爆炸、漏液等現(xiàn)象，蓄電池系統(tǒng)是否會出現(xiàn)著火、爆炸、外殼破裂、漏液等現(xiàn)象。

3 充電器安全標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)關(guān)鍵點

3.1 輸出接口安全性

根據(jù)電動自行車車輛的蓄電池系統(tǒng)類型，業(yè)內(nèi)存在鉛酸蓄電池組充電器和鋰離子電池組充電器這兩種類型的充電器，依據(jù)GB 42296標(biāo)準(zhǔn)要求，這兩種類別的充電器插頭插座系統(tǒng)不能互插，其插座形式，分別如圖2和圖3所示。

圖2 鉛酸蓄電池充電器輸出接口對應(yīng)的插座圖

圖3 鋰離子電池充電器輸出接口對應(yīng)的插座圖

因此，為保證車輛安全，充電器與車輛蓄電池系統(tǒng)之間應(yīng)該存在通訊功能，特別是鋰電池充電器，必須完成與被充電系統(tǒng)之間的協(xié)同互認(rèn)，確認(rèn)了被充電系統(tǒng)的電池組種類、電壓、電池容量等參數(shù)后，才可以進(jìn)行充電。這樣，可以有效避免了充電器的混用、濫充，過充電電等問題，降低了起火的風(fēng)險。

3.2 發(fā)熱與熱控制

根據(jù)充電器是否具備保護(hù)接地，我們可以分成有保護(hù)接地的Ⅰ類充電器和無保護(hù)接地的Ⅱ類充電器。這兩種類型的充電器均應(yīng)該滿足一定的電氣安全特性要求，尤其是發(fā)熱與熱失控。首先，充電器表面、電源軟性及輸出先的溫升在溫度的試驗環(huán)境下其金屬材料溫升不超過30 K，非金屬材料不超過50 K；其次，所有的充電器應(yīng)該具備超溫保護(hù)功能，當(dāng)檢測到溫度超過規(guī)定的溫度時，其能保證在規(guī)定的時間內(nèi)切斷輸出電流；最后，充電器應(yīng)該具備過充切斷和顏色切斷功能用于切斷不同狀態(tài)下的輸出電流。

4 電氣安全風(fēng)險分析

電動自行車產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險主要表現(xiàn)為交通安全風(fēng)險和電氣安全風(fēng)險，其中車輛蓄電池系統(tǒng)的電氣安全其尤其重要[5,6]。本文根據(jù)2022年電動自行車和電動自行車電池產(chǎn)品質(zhì)量國家監(jiān)督的抽查情況，主要對車輛蓄電池系統(tǒng)的不合格項目進(jìn)行分析并給出整改建議，其主要反映行業(yè)內(nèi)的電動自行車蓄電池的電氣安全共性問題[7]。

4.1 鉛酸蓄電池

電池低溫容量問題、能量密度問題以及大電流放電時間短是電動自行車鉛酸蓄電產(chǎn)品的三大主要問題。其中前兩者主要表現(xiàn)為電池有效工作時間短、影響車輛行駛里程，后者直接影響電池自行車的加速行駛里程，導(dǎo)致廣大消費者感覺車輛的電池不耐用、掉電快等問題。針對以上這三種問題，給出了合理的整改建議，詳見表5。

表5 相關(guān)矩陣表

4.2 鋰離子電池

鋰離子電池發(fā)生電氣安全事故的原因很多，往往發(fā)生后會造成較大的影響。因此，國抽中的不合格項目過充電、短路保護(hù)、放電過流保護(hù)等問題顯得尤其重要，需要特別關(guān)注[8]。其中，過充電項目主要是為了模擬驗證消費者在長時間充電或用了電池技術(shù)參數(shù)不匹配的充電器等情況下電池產(chǎn)品工作狀態(tài)，如不合格產(chǎn)品將存在發(fā)生起火或者爆炸等風(fēng)險；而短路保護(hù)和放電過流保護(hù)則都是電池電氣風(fēng)險的重要保護(hù)措施，其可以有效避免短路、放電過流等引發(fā)的液體泄露、起火、爆炸等危害。對此，在對電池的保護(hù)措施嚴(yán)格檢驗檢測的基礎(chǔ)上，選用可靠性好的保護(hù)元器件，并在設(shè)計上合理設(shè)計多重保護(hù)。

5 結(jié)束語

人隨著民生活水平的不斷提高，廣大消費者對電動自行車產(chǎn)品的質(zhì)量也越來越關(guān)注，尤其是涉及財產(chǎn)、人員安全方面等質(zhì)量問題。因此，本文以電動自行車和電動自行車用充電器的電氣安全新國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了試驗測試過程中的關(guān)鍵技術(shù)點，并對常見電氣安全進(jìn)行了原因分析，并提出了相應(yīng)的整改措施建議。后續(xù)隨著電動自行車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，用戶需求也將不斷更新變化，如何保證電動自行車及電動自行車用充電器的電氣安全將是未來的關(guān)注重點，本文為廣大客戶、研發(fā)人員及制造商等提供有力的依據(jù)，為電動自行車產(chǎn)業(yè)質(zhì)量提升提供支持。