文/本刊記者 包冬冬

據(jù)報(bào)道，電動(dòng)自行車的火災(zāi)80%都發(fā)生在充電過(guò)程中。要避免這類火災(zāi)，需要制定完善相關(guān)安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、建立屬于電動(dòng)車的安全充電規(guī)范體系、嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。

2018年4月1日北京市海淀區(qū)一電動(dòng)車商店火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng) 源自北京青年報(bào)

2018年4月1日1時(shí)23分，北京市海淀區(qū)一電動(dòng)車商店發(fā)生火災(zāi)，事故造成4人死亡。近年來(lái)，此類事故并不少見(jiàn)。究竟是何原因?qū)е码妱?dòng)自行車火災(zāi)頻發(fā)？本刊記者采訪了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程系副主任王青松副教授，請(qǐng)他詳細(xì)作答。

記者（以下簡(jiǎn)稱“記”）：王老師，您好。近年來(lái)，一些電動(dòng)自行車火災(zāi)事故造成了慘重的人員傷亡。請(qǐng)您介紹下，目前國(guó)內(nèi)使用較為普遍的電動(dòng)自行車以及電動(dòng)汽車的電池組成及安全保護(hù)裝置。

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

目前在國(guó)內(nèi)，電動(dòng)汽車上使用的絕大部分都是鋰離子電池，電動(dòng)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(yīng)用最為廣泛。二者的區(qū)別主要在于正極材料的不同。這里首先需要介紹，常規(guī)“三元材料”是指由三種化學(xué)成分（元素），組分（單質(zhì)及化合物）或部分（零件）組成的材料整體，包括合金、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)材料、高分子復(fù)合材料等，廣泛應(yīng)用于礦物提取、金屬冶煉、材料加工、新型能源等行業(yè)。鋰離子電池常用的三元正極材料是以鎳、鈷、錳為主構(gòu)成的化合物，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。三元鋰電池能量的優(yōu)勢(shì)是密度大，同等重量的電池，能為車輛提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程；磷酸鐵鋰電池在大量純電動(dòng)客車上以及部分純電動(dòng)貨車上都有搭載，它的材料性質(zhì)與三元材料相比更加穩(wěn)定，缺點(diǎn)是能量密度要比三元鋰電池低得多，并且低溫環(huán)境下，電池衰減嚴(yán)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(shù)。

對(duì)于動(dòng)力電池的安全問(wèn)題，除了電池材料技術(shù)外，普遍認(rèn)為電池包（PACK）及電池管理系統(tǒng)（Battery Management System的縮寫(xiě)，即BMS）在保障電池安全方面的作用無(wú)可替代。此外，對(duì)于單體的鋰離子電池來(lái)說(shuō)，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(xiàn)象。

動(dòng)力電池電池包成品由三部分構(gòu)成，即電池模組、電池管理系統(tǒng)和固定架外殼，涵蓋了熱管理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高壓控制、安全管理等內(nèi)容，其中電池管理系統(tǒng)具有防止過(guò)充、避免過(guò)放、控制溫度、保持電池組件電壓和溫度平衡、預(yù)測(cè)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(hù)裝置，在使用中存在哪些先進(jìn)之處，同時(shí)，伴隨哪些易于引發(fā)火災(zāi)的安全隱患?哪一環(huán)節(jié)最易發(fā)生電動(dòng)自行車火災(zāi)?主要原因有哪些?請(qǐng)結(jié)合事故案例說(shuō)明。

王：如上所說(shuō)，三元鋰電池能量的優(yōu)勢(shì)是能量密度大，同等重量的電池，能為車輛提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，也將會(huì)更受市場(chǎng)青睞。但是相應(yīng)的，三元鋰電池的比能量（電子術(shù)語(yǔ)，參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)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(wěn)定，并且相對(duì)磷酸鐵鋰電池，在一些濫用測(cè)試中，三元鋰電池也更容易出現(xiàn)熱失控、燃燒等現(xiàn)象。

電池管理系統(tǒng)的主要作用主要體現(xiàn)在：第一，估測(cè)電池的荷電狀態(tài)(SOC)，保證電池的電量始終在合理的狀態(tài)；第二，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池模組中電池的端電壓（指電源正負(fù)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(xiàn)過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。因?yàn)椴还苁沁^(guò)充還是過(guò)放，都會(huì)對(duì)電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，尤其是過(guò)充，電池過(guò)充到一定程度后，電池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶（指采用液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池在充電時(shí)，鋰離子還原時(shí)形成的樹(shù)枝狀金屬鋰單質(zhì)）穿透隔膜，造成電池內(nèi)短路，最終發(fā)生火災(zāi)爆炸；第三，為單體電池均衡充電，保持電池內(nèi)部電池的一致性。這三者從不同的方面出發(fā)，相互協(xié)同，SOC估測(cè)模塊保證了電池的剩余電量在合理使用范圍內(nèi)，確保了電池更長(zhǎng)的使用壽命。隨著電池內(nèi)部電量的飽和或者放空，充放電電流都會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，而通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)模塊，監(jiān)測(cè)端電壓，充放電電流的變化，保證了電池不會(huì)發(fā)生過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。

此外，均衡技術(shù)也是確保電池的安全使用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)橥簧a(chǎn)線，同一批次的電池，在使用中也會(huì)存在個(gè)體上的差異。均衡技術(shù)的開(kāi)發(fā)旨在保證模組中的電池的一致性。比如，在充電過(guò)程中，如果對(duì)模組中的所有電池充入等同的電量，但此時(shí)單體電池的荷電狀態(tài)不一致，這就會(huì)造成有的電池滿電，有的電池未充滿，有的卻過(guò)充了的現(xiàn)象，這些都是需要避免的。

根據(jù)對(duì)近年來(lái)發(fā)生的電動(dòng)車火災(zāi)事故的原因調(diào)查顯示，絕大多數(shù)的火災(zāi)都是發(fā)生在充電階段。充電過(guò)程中發(fā)生火災(zāi)的主要原因是電動(dòng)車自身電氣線路短路、充電器線路過(guò)負(fù)荷、電動(dòng)車電池故障引起。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，電動(dòng)自行車的起火并非是電池質(zhì)量不過(guò)關(guān)，而是使用者的操作不當(dāng)或者是相關(guān)元器件質(zhì)量缺陷所致。

電動(dòng)車在充電時(shí)，如果相關(guān)的安全保護(hù)措施（短路、過(guò)充保護(hù)措施）失效，就會(huì)造成電池的過(guò)充。當(dāng)電池被過(guò)充時(shí)，會(huì)在其負(fù)極上形成一定量的鋰枝晶，并產(chǎn)生大量焦耳熱，而快速的產(chǎn)熱會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部各組分之間的化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，由此引起電池鼓包甚至引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

但近年來(lái)發(fā)生的一些電動(dòng)車火災(zāi)事故，其深層次的原因往往都是安全保護(hù)裝置的失效或者是對(duì)電池受到外界的影響。另外，現(xiàn)在市場(chǎng)上的電動(dòng)車外飾材料基本都是易燃的塑料，當(dāng)電動(dòng)自行車的內(nèi)部元器件、線路等出現(xiàn)短路，很容易引燃車身，進(jìn)一步加劇火勢(shì)。

記：請(qǐng)問(wèn)，存在上述安全隱患的深層次原因是什么?應(yīng)該如何看待現(xiàn)存的安全隱患與其承載的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能之間的關(guān)系?

王：我認(rèn)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(zhì)量。電池的質(zhì)量決定了其使用過(guò)程中是否容易出現(xiàn)過(guò)載或者漏液的情形。二是相關(guān)保護(hù)措施作用失效。短路、過(guò)充等保護(hù)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(guò)程中，容易發(fā)生過(guò)充，造成火災(zāi)。三是生產(chǎn)、裝配的不規(guī)范；內(nèi)部電線布置紊亂，電池包氣密性不好，保護(hù)措施的質(zhì)量不過(guò)關(guān)。

對(duì)于現(xiàn)存的安全隱患與其承載的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能之間的關(guān)系來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為還是利大于弊的。首先在運(yùn)行費(fèi)用方面，電動(dòng)車只有燃油汽車的 1/10；另外，隨著汽車工業(yè)越加發(fā)達(dá)和人民生活水平的提高，對(duì)汽車的需求越來(lái)越大，不管是對(duì)不可再生資源的大量消耗，還是產(chǎn)生的尾氣污染，傳統(tǒng)的燃油汽車已經(jīng)成了破壞環(huán)境的一個(gè)主要原因。環(huán)保和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，決定了電動(dòng)汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車的必要性。電動(dòng)汽車在使用時(shí)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生氣體污染，并且現(xiàn)在市場(chǎng)上的電池基本都能達(dá)到數(shù)千次循環(huán)的穩(wěn)定性，同時(shí)，現(xiàn)在從電動(dòng)汽車上淘汰的鋰離子電池還可以進(jìn)行梯次利用，比如應(yīng)用到儲(chǔ)能等方面，這進(jìn)一步提高了電池的材料利用率。另外，針對(duì)鋰離子電池內(nèi)部的貴重金屬等材料，現(xiàn)在市場(chǎng)上也有一些企業(yè)可以對(duì)其進(jìn)行回收提取，進(jìn)行再利用。這一系列的措施對(duì)鋰離子電池的材料進(jìn)行最大限度的利用。

而針對(duì)電動(dòng)汽車的安全隱患，我們也應(yīng)該給與足夠的重視，從源頭上出發(fā)，提高電池自身的安全穩(wěn)定性，如：開(kāi)發(fā)使用安全電解液、陶瓷隔膜等；在安全應(yīng)用方面，優(yōu)化電池管理系統(tǒng)、增強(qiáng)防護(hù)措施等。

記：請(qǐng)問(wèn)，我們應(yīng)該采取哪些措施預(yù)防電動(dòng)自行車充電過(guò)程中的電池火災(zāi)?請(qǐng)從政策制定、質(zhì)量把關(guān)、技術(shù)革新等多角度介紹。

王：電動(dòng)自行車的火災(zāi)80%都發(fā)生在充電過(guò)程中，電池過(guò)充電時(shí)容易發(fā)生失控，引發(fā)火災(zāi)。電動(dòng)車在充電過(guò)程中，元器件的老化、線路的短路、充電的環(huán)境、電動(dòng)車材質(zhì)等是引發(fā)充電火災(zāi)的因素。尤其是目前的電動(dòng)車防火性能較差，電動(dòng)車的電池盒、儀表盤(pán)、燈座等都不一定是經(jīng)過(guò)阻燃處理的材料，易發(fā)生火災(zāi)。

要避免充電過(guò)程中電池火災(zāi)的發(fā)生，在宏觀方面需要制定相關(guān)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)：一是制定相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，在源頭上對(duì)電動(dòng)車的生產(chǎn)裝配進(jìn)行篩選，落實(shí)電動(dòng)車的安全化、規(guī)范化生產(chǎn)。在相關(guān)政策規(guī)定的保障下，對(duì)市場(chǎng)上的電動(dòng)車的生產(chǎn)廠家進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把關(guān)，落實(shí)產(chǎn)品質(zhì)量的承擔(dān)責(zé)任。二是建立起一套屬于電動(dòng)車的安全充電規(guī)范體系，避免電動(dòng)車因過(guò)充、過(guò)載引發(fā)的火災(zāi)。如有可能，通過(guò)相關(guān)政策的制定，嚴(yán)格約束電動(dòng)車的充電場(chǎng)所，做到集中充電，規(guī)范管理。禁止在樓道等通風(fēng)條件差、人員流動(dòng)較大的場(chǎng)所進(jìn)行充電。

對(duì)電動(dòng)車的質(zhì)量把關(guān)粗略分為3個(gè)方面。一是對(duì)電池及相關(guān)元器件的把關(guān)和對(duì)電動(dòng)車上其他非金屬材料的質(zhì)量把關(guān)。比如：電池以及相關(guān)元器件的老化，會(huì)大大提高充電過(guò)程中發(fā)生短路的可能性。而現(xiàn)在市場(chǎng)存在的二手充電自行車還有可能存在著拼裝、假冒的現(xiàn)象，這樣的電池不僅在充電過(guò)程中容易造成過(guò)充的現(xiàn)象，還有可能存在著漏液的現(xiàn)象。二是對(duì)于電池盒這樣直接接觸電池和高溫元器件非金屬材料，應(yīng)該起到阻燃、防火的作用，可以延緩、抑制電池火災(zāi)的擴(kuò)散。至少可以承受充電過(guò)程中產(chǎn)生的局部高溫。三是對(duì)于安全保護(hù)裝置的要求，決定了電動(dòng)車的安全使用和預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

在技術(shù)革新方面，如上所說(shuō)，電動(dòng)自行車作為一種廣泛應(yīng)用的交通工具，需要一套屬于自己的特有的充電體系。針對(duì)不同體系的動(dòng)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(chǔ)存的能量，這是目前亟待探索并解決的。同時(shí)，可以通過(guò)對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，添加相應(yīng)的散熱和隔熱手段，一方面保證在充電過(guò)程中局部熱量可以有效地散發(fā)到外界，避免熱量的積累造成火災(zāi)；另一方面，也可以通過(guò)相應(yīng)的隔熱手段對(duì)已經(jīng)失控的電池或者局部的火災(zāi)進(jìn)行緩解，將火災(zāi)的范圍縮減到最低。

記：2018年 1月16日，工業(yè)和信息化部、公安部等四部門(mén)修訂《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》，對(duì)電動(dòng)自行車產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂完善，提高電動(dòng)自行車的防火安全性能等級(jí)，這對(duì)預(yù)防電動(dòng)自行車火災(zāi)有哪些作用?

王: 在防火安全性能方面，修訂的《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)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(dòng)自行車中的電氣部件，如短路保護(hù)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(yīng)符合相關(guān)國(guó)標(biāo)（GB/T 5169.16—2008《電工電子產(chǎn)品著火危險(xiǎn)試驗(yàn) 第16部分: 試驗(yàn)火焰 50W 水平與垂直火焰試驗(yàn)方法》和 GB 8410—2006《GB 8410-2006汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》）的規(guī)定。

防火性能，電動(dòng)自行車的電池組盒、保護(hù)裝置、儀表、燈具應(yīng)當(dāng)能承受GB/T5169.11-2006 《電工電子產(chǎn)品著火危險(xiǎn)試驗(yàn) 第11部分 灼熱絲熱絲基本試驗(yàn)方法 成品的灼熱絲可燃性試驗(yàn)方法》規(guī)定550 ℃的灼熱絲試驗(yàn)。對(duì)于通過(guò)最大額定電流大于1.0A的電源線纜及單芯導(dǎo)線，其接插件的絕緣材料部件應(yīng)當(dāng)能承受GB/T5169.11 規(guī)定 750 ℃的灼熱絲試驗(yàn)。

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(guò)程中，由于電流的作用，電源連接器和主回路電線都會(huì)產(chǎn)生熱量，這是無(wú)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(dān)在充放電過(guò)程中釋放出的焦耳熱，不會(huì)被引燃。另一方面，阻燃材料還有著減慢、終止燃燒的性能，當(dāng)出現(xiàn)小范圍的火焰時(shí)，阻燃材料的存在可以有效將其限制在一定范圍內(nèi)，直至其熄滅。而要求電池組盒、保護(hù)裝置、儀表、燈具、電源線纜及單芯導(dǎo)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(dòng)車大規(guī)模燃燒的發(fā)生。這二者協(xié)同作用，即在源頭上降低了火災(zāi)出現(xiàn)的可能性，也在很大程度上抑制了火焰的擴(kuò)散。將電動(dòng)車的火災(zāi)危險(xiǎn)性降到可承受范圍內(nèi)，也給火災(zāi)的撲滅工作提供了很大的便利。