杭州電瓶車行駛中爆燃，私改鉛酸電池為鋰電池有多危險？
時間:2021-07-21 10:21來源:電子工程專輯 作者:綜合報道
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杭州電瓶車行駛中突然爆燃，導致兩父女重度燒傷。專家及消防隊分析后得出結論，系鋰電池爆燃，而該車輛出廠時搭配的更安全穩定的鉛酸電池，怎么會變成鋰電池呢？原來在電瓶車用戶中，存在著大量為了提高續航，減輕重量，私自改裝車輛換電池的情況……
7月18日上午11點，杭州玉皇山路，一輛電瓶車行駛中突然爆燃，一家三口受傷，其中父女兩人傷情嚴重。傷者家屬稱，小女孩已經被醫院下了3次病危通知書，可能需要終生插管。
據@杭州交警 發布的起火視頻顯示，事發突然，整輛車瞬間變成火球將人包住，場面十分可怕。浙江一家知名電動自行車品牌研發中心電源部負責人看過電動車自燃的視頻后分析認為，“這種情況，極大概率就是鋰電池造成的。”
只有鋰電池才會燒得這么突然，這么猛
這位專家說，鉛酸電池出現這種情況概率極低，甚至幾乎不可能，這是因為鉛酸電池基本不太會發生自燃情況。
這位負責人說，鉛酸電池發生自燃或爆炸需要兩個條件，首先是過充情況下，會產生氫氣和氧氣兩種氣體，第二是放電過程中，有電火花引燃。“也就是說，鉛酸電池在充電情況下，基本不會發生自燃或爆炸，只有在放電也就是行駛過程中，出現電火花或短路，這樣與氫氣、氧氣發生反應才會自燃或爆炸。
但鉛酸電池內有溢氣閥門，當電池有過充情況，產生的氣壓較高時，閥門會自動打開，將氣體（氫氣和氧氣）排出，所以行駛過程中發生自燃或爆炸的概率小，最多也就是電路板燒壞。而且鉛酸電池本身是負反饋系統，電池組有保險絲，外部短路的話保險絲立馬熔斷。內部短路的話鉛板本身不燃燒只會發熱把電解液氣化烘干，電解液沒了，電池自然斷路危險解除。
而鋰電池是正反饋系統，“里面的電解液有機物質（六氟磷酸鋰），具有可燃性，其正極是鋰離子，負極是石墨，通常情況下，鋰離子是鑲嵌在正極內，當過充滿電后，如果發生短路，容易造成鋰析出，加上其化學性質比較活潑，不能與空氣中氧氣接觸，一接觸，就容易造成熱失控，化學反應比較劇烈（比如爆炸），電動車也自然容易燒起來。
專業人士表示，鋰電池內部比較常見的保護措施有幾種：
1.最重要的就是鋰電池保護板，它主要防止電流過充、過放、過流或者短路，防止電池異常導致高溫甚至燃燒。如果沒有保護板，一組電池中如果某一顆出問題就會導致異常甚至短路。當然，保護板的功能和質量也差異很大，普通的幾十元，很多好的保護板就要上百元甚至大容量電池保護板要好幾百。
鋰電池保護板示意圖
2.電池支架。我們常見的鋰電池看起來是一大塊，其實里面是無數小的電池組合而成，把電池組合固定很重要，需要用到支架，很多大品牌為了安全起見，支架結構會讓每一塊小電池分離幾毫米的距離，并且固定（稱pack架），利于散熱，也讓電池更穩定。但這樣的支架會影響同體積下電池的密度。于是，有些電池追求小體積、大容量，就會取消更專業的支架，讓電池貼在一起，這樣雖然容量大了，溫度卻難以控制，穩定性也很差。
3.防水性能。這一點比較好理解，就是外殼的嚴密性，鋰電池最怕進水。
4.充電器的功率。一般來講，大品牌都會平衡充電時長和效率，給出一個安全的方案。如果用到改裝的充電器，加大電流，會導致充電電池過熱，尤其在夏天室外，這也是隱患
一般電單車電池的位置在腳踏處或座位下，網上有不少教授自行鉛酸換鋰電池的教學視頻
鋰電池保護板的組成和功能
保護板通常包括控制IC、MOS管、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過規定值時，它立刻控制MOS開關關斷，保護電芯的安全。其他元器件主要作用如下：
1、電阻：起限流、采樣作用；
2、電容：對直流電而言電阻值“∞“，對交流電而言阻值接近零，電容兩端電壓不能突變，能起瞬間穩壓作用，濾波作用；
3、FUSE：熔斷保險絲，起過流保護作用；
4、PTC： PTC是Positive Temperature Coefficient的縮寫，意即正溫度系數電阻，（溫度越高，阻值越大），可以防止電池高溫放電和不安全的大電流的發生，即過流保護作用。
5、NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫，意即負溫度系數，在環境溫度升高時，其阻值降低，使用電設備或充電設備及時反應、控制內部中斷而停止充放電。
6、ID是Identification 的縮寫，即身份識別的意思它分為兩種：一是存儲器，常為單線接口存儲器，存儲電池種類、生產日期等信息；二是識別電阻。兩者可起到產品的可追溯和應用的限制。
常見到的鋰電池保護板電路圖
圖中的兩個N溝道MOS管分別控制充電和放電的通斷。并聯的二極管是MOS管的寄生二極管。
在對外界口中，TH為溫度檢測，內部是一個10K NTC接到電池負極；ID是電池在位檢測，一般是47K/10K電阻接到電阻負極，有的是0R電阻；TH和ID均是選配，并不是所有鋰電池都有的。
在清華大學卓晴博士的微信公眾號 @TsinghuaJoking 上，也詳細介紹過鋰電池保護板的過充保護、過放保護和過流/短路保護等。
過充保護
當電池充電時，電流從電池包的正極流入，經過FUSE后從負極流出，最下方的兩個MOS管均是導通狀態。如下圖紅色箭頭所示方向：
電池充電時電流方向如箭頭所示
充電時，控制IC X1會時刻監測第5腳VDD和第6腳VSS之間的電壓，當這個電壓大于等于過充截止電壓且滿足過充電壓的延時時間時，X1會通過控制第3腳來關閉MOS管Q2，Q2被關閉之后，充電回路被切斷（Q2的體二極管D2也是反向截止的），這個時候，電池只能放電。
當下面兩個條件滿足其一時，便可以解除充電保護：：1，電芯兩端的電壓下降到保護IC的過充恢復電壓。2，在電池包得輸出端加負載放電，放電到電壓小于過充保護電壓。
過放保護
電池兩端向負載輸出電流時，電流按照下圖的紅色箭頭流動。
電池放電時電流方向如箭頭所示
放電池，控制芯片IC X1將會通過第5管腳檢測C1上的電壓。當這個電壓小于放電截止電壓后并持續一段時間，控制IC將會通過DO管腳控制Q1截止，此時放電回路被切斷。
當下面條件滿足時，IC X1接觸過放保護：拿掉負載，給電池包充電，當VM-VDD之間的電壓達到過放恢復電壓值時，控制IC X1會重新打開MOS管Q1。
過流/短路保護
過流保護則是通過IC X1第2管腳（VM）檢測流經控制MOS管電壓。如果該電壓過大并持續一定時間，控制IC將會關閉Q1，斷開放電回路。將輸出端負載拿掉，控制IC會自動將Q1重新打開。
保護電流為21A鋰電池保護板
過流保護電壓VM常常在0.1 ~ 0.2V，這個數值與IC的型號有關。
過流保護數值除了與VM有關之外，也和Q1,Q2兩個MOS管的導通電阻有關系。如果MOS管的導通內阻越大，保護電流值就越小。
如：內阻為20mΩ的MOS管，選用的過電流值為0.15V的控制IC，那過流保護的電流應為：0.15V/（0.02*2）=3.75A。
控制IC失效時FUSE保護
有的保護板里面會加上保險絲，在控制IC失效之后，起到一個二級保護作用，避免更壞的結果，當然也會增加成本。
保護電流為100A鋰電池保護板
為什么總有人把鉛酸電池換成鋰電池？
專業人士介紹，本質上，電動自行車電池和電動汽車電池同屬于鋰離子蓄電池，屬于二次電池，工作原理都是通過鋰離子在電池的正、負極間來回流動，完成充、放電過程。
“電動汽車應用最廣泛的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。”專業人士說，磷酸鐵鋰電池能量密度低，安全性能好。電池溫度處于500℃~600℃時，其內部化學成分才開始分解。但車輛續航里程一般，當溫度低于-5℃時，充電效率低，不適合北方在冬天充電的需求。三元鋰電池能量密度高，活性高、存電量大，耐高溫性稍差，低溫時電池更加穩定。
電動自行車多使用鉛酸蓄電池和鋰電池，“鉛酸蓄電池相比鋰電池，成本低，性價比高，重量重，能量密度不高，充電慢。”專業人士說，鉛酸電池相對更安全一些，鋰電池如果使用不當，更多發爆炸火災現象。
據杭州日報報道，受傷女孩的媽媽稱，當時夫妻倆騎的兩輛車都是在同一家店買的，后來換過新的電瓶，也在這家店里。
杭州市消防救援支隊對事發的起火電動車進行了一次詳細的火災調查。出事的這輛電動車，用的電池是鋰電池。電瓶因為發生爆炸，重量已經比原先輕了不少。
出事電動車燒毀后照片
車輛中間夾層里完整保留了購車發票和非機動車行駛證。購車發票上面寫著電動車購買時間為2018年。記者根據爆炸電動車的型號在店內找到同款電動車，而從該款電動車的說明書上看到，其原裝電池應為鉛酸電池。
據悉，市場上品牌電動車都會有原廠的電池，并提供質保，這都是通過國家質檢的。然而有些人對于原廠鋰電池的容量、價格都不太滿意，還有些原廠是鉛酸電池，直接改成鋰電池的，這就使得第三方電池有了市場。
私換電池安全隱患大
2019年4月，工信部新修訂的《電動自行車安全技術規范》也就是新國標正式實施。其中規定，電動自行車須具有腳踏騎行能力、最高設計車速不超過25公里/小時，電池的電壓不得大于48伏。
可見，只要一臺品牌電動車用了非原廠的電池，就屬于改裝的范疇了。除了改鉛酸電池為鋰電池，或者增加鋰電池容量，通常的改裝行為還有給車輛安裝新的控制器、解除蜂鳴報警，這樣做的目的是為了提高車輛的最高時速。
上海自行車行業協會總工程師徐道行指出，改裝車輛并不是一件輕松的事。通常，制造一輛正規的電動自行車，需要使用100多節電池串聯并聯。每節電池都需具備相應的性能、符合相關的制造標準，電池的連接也需要嚴格遵守BMS電池管理系統。而市面上的個體商家并不能具備相應的技術改造能力，其使用的鋰電池也大多質量低劣。因此，私自改造往往意味著極大的安全隱患。
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