电动自行车充电器长时空载状态下起火可能性的研究分析

2015-08-19寇晓适董曼玲丁国君国网河南省电力公司电力科学研究院河南郑州450052

新能源科技 2015年11期

郭磊，张科，寇晓适，董曼玲，丁国君（国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052）

郭磊，张科，寇晓适，董曼玲，丁国君
（国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052）

电动自行车的使用已经非常普及，其安全性也一直备受争议，在充电状态下引起火灾的案例很多，其源头往往集中在蓄电池和充电器两个部位。本文通过理论分析、实地调研及模拟试验对电动自行车充电器长时间空载状态下是否会引起严重发热起火进行了分析，对国内电动自行车充电器的安全使用具有一定的借鉴意义。

电动自行车；充电器；空载；起火

0 前言

电动自行车自1995年在我国诞生以来，产品标准一直沿用1999年的《电动自行车通用技术条件》，其中对电动自行车的防火指标并没有规定。近些年，随着电动自行车数量急剧上升，由于防火安全技术标准不健全、厂家在防火成本上的忽略、市场监管不到位、用户使用存放方面问题等原因导致全国电动自行车火灾事故频发，造成的人员伤亡和财产损失呈逐年上升趋势，迫切需要全社会高度关注。

国内有关报导电动自行车充电时引起火灾的案例很多，但对于电动自行车充电器在长时间空载状态下是否引起火灾未见相关报导。充电器和蓄电池是现在电动自行车起火的两个重要部件，本文主要对电动自行车充电器在空载状态下是否引起火灾的可能性进行分析。

图1　高频开关电源式充电器原理图

1　充电器原理介绍

电动自行车充电器是专门为电动自行车蓄电池配置的充电装置。主要参数有电压、电流和功率。按充电器内部配置变压器区分，可分为工频、高频两大类。使用工频变压器的充电器体积、重量大，市场上使用较少；使用高频变压器的为高频开关电源式充电器，体积小、效率高，市场占有率达到90%以上。

高频开关电源式充电器一般由交流输入整流部分、高频逆变部分、高频变压器、输出整流部分、电压电流采样部分及控制保护等多部分组成［2］，主要工作原理是：220V交流电经整流，C1滤波得到280～400V左右直流电，再经高频逆变成高频方波，再经高频变压器降压后整流成稳定可控的直流电。

2　充电器起火的可能原因

国家标准GB/T 2947.1-2008《电动自行车用蓄电池及充电器》对电动自行车充电器有具体规定，例如：充电器空载直流输出电压应不超过42.4V（构成电池组的单体数量越多，各单体电池间出现充电电压不均衡的概率就越大，造成部分电池过充电而引起火灾的可能性越大），但是现在市场上追求续航里程远，把电池容量增大，大部分充电电压超过国家标准值，电池组装后对应电压甚至包括60V、72V和90V等；充电器工作时温升应不高于50K，且输出电压的漂移量应不大于0.3V。正规充电器生产厂家的合格产品大部分标准是按照GB4706.18-1999《家用和类似用途电器的安全电池充电器的特殊要求》和GB/T2947.1-2008《电动自行车用蓄电池及充电器》的规定进行，其充电器除了自身具备的恒压、限流功能外，还具有过流保护装置和极性接反保护功能，其外壳为阻燃塑料，此外正规厂家在充电器内输入端和输出端安装保险丝等后备保护装置。因此，正规充电器生产厂家的合格产品起火或引发火灾的几率很小。对于市场上假冒伪劣充电器，由于设计、生产工艺和元器件产品质量等原因，存在无过流保护装置或输出端无极性接反保护；有的为了节约成本，输入输出端的电线线径全都“瘦身”，“瘦身”电线更易折损磨破，耐热性绝缘性都将变差现象较为普遍，很多用户在原有标配的正规生产厂家的充电器损坏后，购买伪劣充电器，给安全埋下隐患［5］。

充电器空载状态下可能存在的起火原因如下：

（1）充电回路线路及插接件短路。充电器连接220V电源后的充电回路可能存在以下两种情况的短路：一是充电器电源线由于经常缠绕、拉扯、老化等原因造成绝缘层损伤形成短路；二是插头插座处发生短路。

（2）充电器内部元器件损坏。开关电源式充电器实际上就是一个开关电源加上一个检测电路，如果充电器高压端整流二极管、电源开关管或滤波电容击穿，电源回路就会出现短路电流，此时充电器输入输出端若未配置保险丝，内部的过流保护装置也失效的话，可能会造成充电装置起火。

（3）天气原因。在阴雨天气下，充电器暴露在外后受潮或进水，虽然是空载状态，但仍会造成内部短路，产生较大电流，此时充电器输入输出端若未配置保险丝，内部的过流保护装置也失效的话，可能会造成充电装置起火。

（4）劣质充电器选型及设计不合理，质量不可靠。部分厂家擅自降低质量标准，选用的电线线径小、质量差、绝缘外皮易破损；插接件质量低劣，未做防水防尘处理；一些厂家为降低成本，未安装保险丝或过流保护装置，使内部短路时得不到有效保护。

（5）私自改装或使用不得当。在使用环节中，有些用户为图方便，擅自将标配的小容量保险丝更换为大容量保险丝，或者拆除保护装置；由于充电器的频繁使用，很多用户充完电后只拔掉充电器输出插头，不把充电器电源断开，让充电器长期接通电源空载运行，再加上空载状态下风扇并不工作，热量散发不出去，这有可能会造成充电器电气元件的劣化，引起内部回路绝缘下降甚至短路，此时输入输出端若未配置保险丝，内部的过流保护装置也失效的话，在夏天湿度较大时，充电器内电路板容易受潮引起短路，可能会造成充电装置起火。

3　电动自行车生产厂家调研

笔者对电动自行车生产厂家进行实地调查了解，大多数充电器都不是电动车厂家直接生产，而是由外协单位提供。正规电动车厂家在采购的充电器中做抽检试验，测试充电器输出电压和输出电流，检测电压和电流的稳定性，确保充电器合格；所使用的充电器外壳及电源线均采用阻燃材料；充电器空载状态下风扇不工作；充电回路中装有过流保护装置。

调研结果显示：一般正规厂家生产的充电器，在长期空载情况下不会出现起火的情况。理由如下：（1）空载状态下，充电器内部回路中电流为毫安级，原则上不会引起太大的温升。（2）充电器内部电路有过流保护装置，输入输出端有保险丝作为双重保护，如果发生因短路引起的回路过流情况时，保护装置会迅速动作断开电源通路，不会发生温度急速升高起火。（3）充电器内部电路板为阻燃材料，出现短路时至多是烧毁内部元器件，但电路板不会燃烧。（4）充电器外壳及电源线均采用阻燃材料，不会起火。

但不排除存在一些厂家为了节约成本，充电器外壳和线会采用一般材料，保护装置也可能没有，在发生内部故障时有可能会导致发热起火。

4　对充电器的空载模拟试验

随机抽取YD、YY、JX、KP、WX、JB等六种品牌的电动车充电器（正在使用中的产品）。所有充电器分两组在以下环境下进行模拟温升试验［1］。试验步骤如下：

步骤一：无风干燥环境下，对第一组所有充电器（YY、JB、JX各一只）长时间空载状态运行，在温度升起的前3个小时使用红外热像仪进行密集观测其温升情况，直至温度稳定，同时记录各充电器空载电流和输出电压，并观察其现象；

步骤二：对第二组所有充电器（YD、YY、KP、WX各一只）在充电器旁放置加湿器等装置模拟雨天空气湿度大效果，然后长时间空载状态运行，在温度升起的前3个小时进行密集观测其温升情况，直至温度稳定，同时记录各充电器空载电流和输出电压，并观察其现象；

步骤三：如果第二组所有充电器在受潮情况下仍无异常，对第二组充电器喷洒少量水模拟雨水浸入效果，然后长时间空载状态运行，在温度升起的前3个小时进行密集观测其温升情况，直至温度稳定，同时记录各充电器空载电流和输出电压，并观察其现象。

根据试验结果可以得出如下结论：

（1）无风干燥环境下，对第一组所有充电器（YY、JB、JX）长时间空载状态运行，充电器内风扇不工作，充电回路中空载电流在15mA以内。充电器内部元器件只有电阻元件温度增加明显，最高可达到103℃，之后保持稳定不再增加；其它如电容、变压器、整流硅、线路及散热片温度增加均不明显，比环境温度略高。整个内部发热情况反映在外壳时，整体最高温度基本都稳定保持在42～44℃范围内，整体温升基本都在15～17K范围内，温度稳定保持了6个小时而无变化。发热最明显的电阻不足以引起外壳及线路起火，对电路板更无影响，但长期如此可能会造成电阻元件劣化。试验数据见表1。

表1　无风干燥环境下充电器长时间空载试验

（2）对第二组所有充电器（YD、YY、KP、WX）在充电器旁放置加湿器等装置，然后长时间空载状态运行，所有充电器均在一个半密闭的铁箱内，铁箱内湿度一度达到98%以上，但所有充电器外壳整体最高温度基本都稳定保持在42～44℃范围内，整体温升基本都在15～17K范围内，无任何异常情况发生。分析是由于外壳的防护，一般的闷湿天气难以造成充电器内部电路板的受潮继而引起短路。试验数据见表2。

表2　潮湿环境下充电器长时间空载试验

（3）从第二组充电器中挑选了KP和WX两个充电器，打开外壳，用加湿器造成电路板湿润至凝露结水，之后分别插上电源。KP充电器输入端的保险丝瞬间熔断，整个回路不带电，使用红外测温观察KP充电器电路板温度与环温近似。说明充电器内输入端安装有保险丝，防止短路造成的后续破坏。

WX充电器输入端输出端均无保险丝，但插上电源后充电灯熄灭，表示电路跳开，内部过流保护装置发生作用，之后测温发现，在充电器内变压器二次侧（通往蓄电池侧）整个回路无电流，温度与环境温度近似，变压器一次侧（通往220V电源侧）仍有电压，最高温度稳定保持在89℃。说明充电器内部有过流保护装置，只能对变压器二次侧以后故障起到保护作用。

（4）阻燃材料的阻燃特性是相对的。使用明火一直点燃充电器电源线及外壳时，可以造成电源线和外壳轻微烧融，但火源一旦离开，电源线和外壳处的燃烧随即自行熄灭。说明充电器内部出现电弧或火花不可能造成电源线和外壳起火，除非是充电器外部有持续的火源对其燃烧。

5　结论

目前，我国电动自行车行业采用的电池多数为铅酸蓄电池，其适用的充电器多为开关电源式充电器，即所谓三段式充电器，具有恒压、限流和浮充的功能［3］。此类充电器由于内部发热元器件温升有限、元器件自身可燃材料少、充电回路有过流保护装置、充电器外壳均采用阻燃塑料等，因此，充电器内部起火几率很小，引发火灾的几率更小［4］。试验证明带有保护装置的充电器空载状态下，即使发生内部短路的情况，保护装置也会动作，防止故障扩大，带有保护装置的充电器空载状态下起火的可能性很小。

充电器空载状态下引起火灾的前提必须是充电回路中出现短路的情况，同时充电器内输入输出端未安装保险丝，内部的过流保护装置也意外失效的话，无法断开回路大电流，且所使用的外壳、电源线均为非阻燃材料，几种不利条件均具备，才有可能引起火灾。因此，如果是正规厂家生产的使用阻燃材料并带有过流保护装置的充电器在空载状态下即使遇到受潮、绝缘破损或其它因素造成短路后引起火灾的可能性依然很小。对于不含有过流保护装置的劣质充电器，不排除其内部由于受潮、绝缘破损或其它因素造成短路后引起火灾的可能性。