周瑞陽(yáng)

（廈門市九安安全檢測(cè)評(píng)價(jià)事務(wù)所有限公司，福建 廈門 361000）

近年來(lái)，電動(dòng)自行車作為一款新型交通工具，具有價(jià)格低、使用便捷、易于維護(hù)的顯著優(yōu)勢(shì)，贏得了消費(fèi)者的廣泛青睞，而電動(dòng)自行車的節(jié)能環(huán)保屬性也與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能環(huán)保的戰(zhàn)略理念相契合，電動(dòng)自行車年銷售量與市場(chǎng)保有量逐年穩(wěn)步增加。然而，在電動(dòng)自行車充電期間卻存在安全隱患，充電起火事故時(shí)有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在這一背景下，必須加大對(duì)電動(dòng)自行車充電電氣安全技術(shù)的研究，有效改善電動(dòng)自行車使用體驗(yàn)，提高電動(dòng)自行車充電安全。

1 電動(dòng)自行車充電起火問(wèn)題

1.1 形成原因

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，在電動(dòng)自行車使用期間，充電起火問(wèn)題的形成原因包括線路短路、插件接觸不良、充電器故障、蓄電池故障4 個(gè)方面。（1）線路短路。電源線在使用期間逐漸出現(xiàn)老化現(xiàn)象，如果電源線到達(dá)設(shè)計(jì)壽命后繼續(xù)使用、長(zhǎng)期處于復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境，或是存在線路纏繞、拉扯等情況，都有可能損壞線路絕緣層，進(jìn)而出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致線路超溫和向外釋放電弧。（2）插件接觸不良。當(dāng)前，絕大多數(shù)電動(dòng)自行車都選用黃銅材質(zhì)插件，通過(guò)冷鉚壓合工藝把插件與電氣部件相互連接，如果插件本身存在安裝不牢固等質(zhì)量問(wèn)題，或是在電動(dòng)自行車使用期間出現(xiàn)插頭未完全插入插座、插件遭受外力碰撞等情況，都會(huì)影響插件接觸效果，進(jìn)而出現(xiàn)電阻增加、局部過(guò)熱超溫、短路等電氣故障，引發(fā)電氣火災(zāi)事故。（3）充電器故障。充電器長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，致使元器件老化速度加快，有可能出現(xiàn)擊穿電源開關(guān)管、短路等故障問(wèn)題。以常見的開關(guān)電源式充電器為例，由開關(guān)電源和檢測(cè)電路組成，使用期間出現(xiàn)擊穿開關(guān)管故障或是擊穿高壓端整流二極管故障后，將會(huì)在電源回路內(nèi)形成短路電流，最終引發(fā)電源側(cè)線路起火事故。（4）蓄電池故障。早期型號(hào)電動(dòng)自行車產(chǎn)品的蓄電池不具備自動(dòng)斷電功能，如果使用者在充滿電后未及時(shí)斷開電源，則蓄電池將持續(xù)處于充電狀態(tài)，隨著時(shí)間推移，部件老化速度加快，最終出現(xiàn)正負(fù)極板變形、蓄電池短路等故障問(wèn)題，存在安全隱患。同時(shí)，如果充電器與蓄電池組互不兼容，在充電期間也有可能出現(xiàn)電阻電容燒損、輸出電壓超標(biāo)、蓄電池爆炸等問(wèn)題。

1.2 危害后果

相比新能源汽車、燃油汽車、自行車等其他交通工具，電動(dòng)自行車的故障率與火災(zāi)事故發(fā)生率偏高，容易在停車棚等區(qū)域發(fā)生電氣火災(zāi)事故，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，偶爾出現(xiàn)人員傷亡。根據(jù)我國(guó)應(yīng)急管理部消防救援局調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2022 年1 ～3 月，全國(guó)共發(fā)生3777 起電動(dòng)自行車火災(zāi)事故，同比上升35.9%，遠(yuǎn)超過(guò)其他交通工具的火災(zāi)平均增長(zhǎng)幅值，而過(guò)度充電、電池單體故障是引起火災(zāi)事故的主要原因，所占比例分別為62.1%與23.5%。簡(jiǎn)單來(lái)講，當(dāng)前面臨著嚴(yán)峻的電動(dòng)自行車充電安全形勢(shì)，并對(duì)我國(guó)電動(dòng)自行車行業(yè)發(fā)展造成了阻礙。

2 電動(dòng)自行車充電電氣安全技術(shù)的應(yīng)用策略

2.1 加裝線路保護(hù)裝置

為預(yù)防充電線路在工作期間出現(xiàn)短路、超溫、斷路等電氣故障，安全完成充電任務(wù)。需要在充電線路上加裝保護(hù)裝置，常用裝置包括熔斷器、空氣開關(guān)、防火限流保護(hù)器、電壓保護(hù)裝置。（1）熔斷器起到了電流保護(hù)作用，可配備速斷型保險(xiǎn)管，如果熔斷器上流經(jīng)電流值超過(guò)安全閥值，則憑借電流所釋放熱量來(lái)熔斷保險(xiǎn)管，切斷電路，后續(xù)待故障處理完畢后更換全新保險(xiǎn)管即可，避免充電線路出現(xiàn)過(guò)電流與超溫運(yùn)行故障。（2）空氣開關(guān)也被稱為空氣斷路器，使用功能可熔斷器較為相似，布置在蓄電池通向控制器主回路上，負(fù)責(zé)在電動(dòng)自行車充電期間持續(xù)監(jiān)測(cè)電路電流值，如果實(shí)時(shí)電流值超過(guò)額定電流，可以自動(dòng)斷開電路、停止充電。（3）防火限流開關(guān)具備瞬間切斷短路電流的優(yōu)勢(shì)，憑借半導(dǎo)體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)來(lái)展開斷開動(dòng)作，切斷電流時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧，而傳統(tǒng)空氣開關(guān)的分段時(shí)間較長(zhǎng)，普遍在30 ～50ms。（4）電壓保護(hù)裝置以控制充電線路電壓值為功能定位，提供過(guò)電壓保護(hù)與欠電壓保護(hù)。在電動(dòng)自行車充電期間，無(wú)論是線路電壓峰值超過(guò)最大穩(wěn)態(tài)電壓峰值，還是實(shí)時(shí)電壓值低于最小電壓限定值，都會(huì)立即開展保護(hù)動(dòng)作，并在線路恢復(fù)到足夠電壓后重新投入電動(dòng)機(jī)，繼續(xù)充電過(guò)程。

2.2 選用新型電源插頭

為避免因插頭插座接觸不良而出現(xiàn)插頭超溫等運(yùn)行故障，需要在電動(dòng)自行車上配備新型的電源插頭，具體使用防脫插頭、防水插頭2 種：（1）防脫插頭。在電源插頭和插座兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置插孔板與配套的插孔防護(hù)組件，由復(fù)位彈簧、防護(hù)推板、輔助推板等部件組成。用戶在電動(dòng)自行車充電期間，如果沒有把插頭完全插入插座，將無(wú)法切換為充電模式，督促用戶完全插入插頭。同時(shí)，充電線路在中途遭受外部拉扯時(shí)，也可以有效預(yù)防插頭松脫問(wèn)題出現(xiàn)，并在插頭輕微松脫后，利用插孔防護(hù)組件的吸附磁鐵來(lái)自動(dòng)復(fù)位插座。（2）防水插頭。考慮到電動(dòng)自行車充電環(huán)境較為復(fù)雜，如果用戶選擇在露天場(chǎng)所充電，插頭部位容易滲入水分，引發(fā)短路等故障出現(xiàn)。因此，需要配備具備防水功能的電源插頭，在插頭外部額外設(shè)置防護(hù)罩，由防護(hù)罩阻隔雨水進(jìn)入內(nèi)部，或是在插頭表面額外設(shè)置塑料護(hù)套，起到完全阻隔插頭與外部空氣及雨水的作用。

2.3 智能充電

對(duì)于選用公共充電樁進(jìn)行充電的用戶，為徹底解決電動(dòng)自行車過(guò)度充電的問(wèn)題，預(yù)防電池短路故障與電池爆炸等安全事故出現(xiàn)。需要應(yīng)用智能充電技術(shù)，持續(xù)檢測(cè)電池充電狀態(tài)，充滿電后立即斷電，或是更換其他電池繼續(xù)充電，智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由推送機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、充電倉(cāng)、調(diào)溫模塊4 部分組成。（1）推送機(jī)構(gòu)。在裝置主體上布置導(dǎo)軌與固定連接電控伸縮機(jī)，在推送機(jī)構(gòu)檢測(cè)到裝入電池組后，電控伸縮機(jī)通電向指定方向推送推動(dòng)板，推動(dòng)板經(jīng)過(guò)導(dǎo)軌推送就位，把電池組放置在正確位置。（2）機(jī)械臂。具備升降功能，在基座上安裝伺服電控伸縮機(jī)，帶動(dòng)升縮機(jī)穿過(guò)環(huán)形底板抵達(dá)基座部位，把電池組件放入充電倉(cāng)內(nèi)部。（3）充電倉(cāng)。在底部中心部位設(shè)置單個(gè)或是多個(gè)充電接口，充電接口凸出底座，下方設(shè)置充電器，通過(guò)伺服電機(jī)、環(huán)形底板等配件把充電倉(cāng)體旋轉(zhuǎn)就位，保持充電倉(cāng)充電接口與電池組件電源接口連接狀態(tài)，進(jìn)行充電，待傳感器反饋信號(hào)，或是電池組件閃爍綠燈后，再旋轉(zhuǎn)充電倉(cāng)位置，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)充電與斷電功能。（4）調(diào)溫模塊。在基座內(nèi)側(cè)設(shè)置電阻加熱器，周邊設(shè)置散熱風(fēng)扇與溫度傳感器。在電池組件充電期間，由傳感器持續(xù)檢測(cè)工作溫度與環(huán)境溫度，工作溫度超標(biāo)時(shí)啟動(dòng)散熱風(fēng)扇進(jìn)行降溫，環(huán)境溫度偏低時(shí)，則啟動(dòng)電阻加熱器來(lái)提升溫度，避免電池組件在高溫、低溫條件下出現(xiàn)運(yùn)行故障。

2.4 創(chuàng)新電動(dòng)自行車充電形式

早期型號(hào)電動(dòng)自行車普遍采取有線充電方式，無(wú)論是充電效果還是電氣安全系數(shù)，都會(huì)受到外部環(huán)境、操作行為的影響，充滿不確定性，如用戶出現(xiàn)未完全插入插頭、拉扯碰撞充電線路等錯(cuò)誤操作行為。同時(shí)，所使用充電線路隨著時(shí)間推移逐漸出現(xiàn)嚴(yán)重老化問(wèn)題，絕緣性能被削弱，有可能出現(xiàn)絕緣失效、短路、超溫等運(yùn)行故障，存在安全隱患。

因此，為徹底解決此類安全隱患，預(yù)防充電火災(zāi)事故發(fā)生，需要?jiǎng)?chuàng)新電動(dòng)自行車充電形式，由無(wú)線充電取代傳統(tǒng)有線充電形式，具體可采取電場(chǎng)耦合傳能、電磁感應(yīng)傳能、無(wú)線電波傳能、磁共振傳能4 項(xiàng)技術(shù)。（1）電場(chǎng)耦合傳能。充電設(shè)備與電動(dòng)自行車充電器二者采取非對(duì)稱偶極自來(lái)傳輸電流，此項(xiàng)技術(shù)有著充電轉(zhuǎn)換率高的優(yōu)勢(shì)，但存在充電設(shè)備體積較大、功率偏低、充電速度慢的局限性。（2）電磁感應(yīng)傳能?；陔姶鸥袘?yīng)原理，率先把電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，后續(xù)憑借磁通變化手段向電動(dòng)自行車輸送電能，有著建造成本低廉、充電設(shè)備體積小的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)充電距離有著嚴(yán)格要求，必須抵近安放充電設(shè)備進(jìn)行充電，如果充電設(shè)備與電池組件間隔距離超標(biāo)，則會(huì)出現(xiàn)充電中斷、無(wú)法充電情況，且在充電期間會(huì)產(chǎn)生明顯電能損耗。（3）無(wú)線電波傳能。提前把微波轉(zhuǎn)換為電能后持續(xù)輸送給電池組件，有著傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸過(guò)程穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，電能傳輸功率偏小，普遍保持在100MW 左右，需要較長(zhǎng)時(shí)間完成電動(dòng)自行車充電任務(wù)。（4）磁共振傳能。要求用戶把充電設(shè)備與電動(dòng)自行車充電器二者調(diào)節(jié)到相同諧振頻率，利用變化磁場(chǎng)來(lái)形成電場(chǎng)，持續(xù)把發(fā)射端能量傳遞給接收端。此項(xiàng)技術(shù)具備范圍充電和遠(yuǎn)距離充電條件，可以在相同時(shí)間段內(nèi)完成多臺(tái)電動(dòng)自行車的充電任務(wù)，但傳輸損耗量較高，在充電期間會(huì)消耗過(guò)多電能。

2.5 蓄電池防篡改

電動(dòng)自行車本質(zhì)上屬于一類非機(jī)動(dòng)車交通工具，為保證交通安全，我國(guó)在《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》，明確規(guī)定電動(dòng)自行車蓄電池最大標(biāo)稱電壓不得超過(guò)48V、整車質(zhì)量不超過(guò)55kg。然而，部分用戶為增加電動(dòng)自行車?yán)m(xù)航里程，選擇私自篡改蓄電池容量，或是安裝其他型號(hào)蓄電池。在電動(dòng)自行車充電期間，由于蓄電池與充電器互不兼容，或是蓄電池本身存在質(zhì)量問(wèn)題，更容易出現(xiàn)充電故障和引發(fā)火災(zāi)。因此，需要應(yīng)用到蓄電池防篡改技術(shù)，一方面，在電動(dòng)自行車出廠前做好質(zhì)量檢驗(yàn)工作，產(chǎn)品質(zhì)量必須完全符合現(xiàn)行規(guī)范要求，如蓄電池固定安裝在電池組盒內(nèi)部、電池組件與盒體保持尺寸匹配狀態(tài)、蓄電池與盒體側(cè)壁間隙值不得超過(guò)30mm、禁止預(yù)留擴(kuò)展車載蓄電池接口與外設(shè)蓄電池托架。另一方面，明確電動(dòng)自行車通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，搭建蓄電池?cái)?shù)字身份追溯機(jī)制，提前在系統(tǒng)內(nèi)建立蓄電池臺(tái)賬，存儲(chǔ)蓄電池標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)、適配車輛、標(biāo)準(zhǔn)容量等信息。在電動(dòng)自行車使用期間，每隔一段時(shí)間或是在各次充電前，系統(tǒng)對(duì)蓄電池?cái)?shù)字身份進(jìn)行追溯認(rèn)證，如果檢測(cè)到蓄電池容量超標(biāo)，或是存在私自更換蓄電池等違規(guī)操作行為，遠(yuǎn)程鎖定電動(dòng)自行車充電功能。

2.6 電氣安全試驗(yàn)

為避免因產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題而在電動(dòng)自行車使用期間頻繁出現(xiàn)電氣故障、出現(xiàn)充電起火安全事故，在電動(dòng)自行車生產(chǎn)期間，制造企業(yè)必須嚴(yán)格遵循《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》（GB 17761-2018）規(guī)定要求，對(duì)電動(dòng)自行車開展電氣安全試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，試驗(yàn)內(nèi)容包括電氣裝置、控制系統(tǒng)、充電器和蓄電池。（1）對(duì)于電氣裝置。采取目視檢查與觸摸檢查方式來(lái)觀察導(dǎo)線布線情況是否無(wú)誤，檢查電池輸出端電路內(nèi)是否安裝熔斷器或是斷路器等保護(hù)裝置，斷開動(dòng)力蓄電池后使用耐電壓測(cè)試儀來(lái)檢測(cè)電氣強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)。（2）對(duì)于控制系統(tǒng)，把電動(dòng)自行車通電，依次檢測(cè)制動(dòng)斷電、過(guò)流保護(hù)與防失控等各項(xiàng)功能是否得到順利使用。以過(guò)流保護(hù)功能檢測(cè)為例，把車輛放在地面上，保持驅(qū)動(dòng)輪離地狀態(tài)，串聯(lián)直流電流表，并聯(lián)直流穩(wěn)定電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后握閘制動(dòng)，同步檢查電流表測(cè)量數(shù)值，觀察電流跌落限值后判斷電動(dòng)機(jī)是否斷電。（3）對(duì)于充電器，在輸出端接入滿電狀態(tài)蓄電池，保持額定電壓狀態(tài)，如果接入電池10min 后充電器未出現(xiàn)故障問(wèn)題，則表明充電器質(zhì)量達(dá)標(biāo)。隨后，驗(yàn)證防觸電保護(hù)功能，在充電器內(nèi)放入試驗(yàn)探棒，檢查防觸電保護(hù)功能發(fā)揮情況。（4）對(duì)于蓄電池，把電池組件充滿電后放置2h 以上，再使用直流電壓表來(lái)測(cè)量蓄電池電壓值是否超標(biāo)，并對(duì)蓄電池匹配性能、預(yù)留擴(kuò)展接口、電池組件和盒體側(cè)壁間隙值進(jìn)行測(cè)量，判斷蓄電池是否經(jīng)過(guò)篡改。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為保證電動(dòng)自行車的使用安全，有效控制與降低充電火災(zāi)事故發(fā)生率，必須提高對(duì)充電電氣安全技術(shù)的重視，深入分析電動(dòng)自行車充電起火原因，根據(jù)具體原因采取相應(yīng)的技術(shù)措施。同時(shí)，要在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新技術(shù)體系，將電氣安全技術(shù)融入電動(dòng)自行車充電技術(shù)體系中，為我國(guó)電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展保駕護(hù)航。