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今年火灾事故已超6000起!电动自行车为何频频爆炸?

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9月20日凌晨,一场发生在北京市通州区幸福艺居小区某单元的火灾,最终造成5楼的一家五口死亡。事故的罪魁祸首,是三楼一家租户的电动自行车电池。事发当晚,该租住家庭中的丈夫将电动车的锂电池带回家中充电,进而引发了这场致命的火灾。

今年1月到7月,全国发生的电动自行车火灾事故已达6462起,平均每个月事故超过900起。80%的电动自行车火灾发生在充电时,绝大部分事故由于锂电池燃爆引起。当下,全国电动自行车保有量为3.2亿辆,相当于平均每4.4个人就有一辆。


电动自行车已经成为人们出行的重要交通工具之一。图/视觉中国

清华大学退休教师、被称为“中国电动自行车第一人”的马贵龙对《中国新闻周刊》说,相比同样采用锂电池的电动汽车,电动自行车在锂电池安全方面根本就不该出问题。“电动自行车的锂电池组只有几十节电池串并联构成,电动汽车电池有几千节,相差一百倍”。电池个数越少,电池组容量越低,电压越低,电池安全越容易控制。但在实际中,电动自行车燃爆事故数量高于电动汽车。电动自行车锂电池安全背后,暴露出的是电池、充电器等强制性标准缺失、行业处于低水平发展的现状。电动车锂电池安全,不是技术问题,也不是科学问题,本质上是管理问题。

电池的猫腻

电动自行车的电池大体分为两种——铅酸电池和锂电池。简单地说,锂电池要比铅酸电池更轻、比能量更高(衡量电池能量密度的指标)、寿命更长。而锂电池又可以根据电池正极材料不同,分为三元锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池。现在市面上流行的所谓超导石墨烯电池,是用石墨烯作负极,用以改善电池导电性能。但由于添加的石墨烯性能和特性不佳,含量过少,并不能使电池性能有根本性改变。

与铅酸电池相比,锂电池的最大优势还是重量轻。同样是48伏、12安时,一组铅酸电池重量能达到16公斤左右,而锂电池大约4公斤。但锂电池价格更贵。常见48伏、24安时的铅酸电池价格大约350元,三元锂电池为600元左右,磷酸铁锂电池价格大致在900元。在国内,电动车铅酸电池生产商主要是浙江长兴县的超威和天能,两家企业的市场份额共占到百分之七八十,锂电池市场的龙头企业为苏州星恒、天能。

2018年,电动自行车新国标发布,规定包含电池在内的整车重量不许超过55公斤。这一规定使锂电池开始抢占铅酸电池的市场。近年来,全国每年新生产的3000万辆电动车中,采用锂电池的车辆占比为35%。锂电池电动车的保有量占比,已从新国标颁布前的3%增长到15%左右。眼下正处在全国多地超标车过渡期截止日期的前夕,以旧换新或购买新车的需求激增。但一直以来,电动车锂电池的充电安全问题没有得到解决。

在中国自行车协会副理事长、江苏省自行车电动车协会名誉理事长陆金龙的印象中,2018年新国标颁布前,电动车发生燃爆事件的概率远低于现在。无锡市检验检测认证研究院/国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心业务管理部部长、研究员级高工薛宇解释说,锂电池较铅酸电池更易出现安全事故。这主要是由电池的材料与结构所决定的。锂电池能量密度比铅酸电池高,锂元素的化学性质比铅更活跃,锂电池中的电解液也比铅酸电池的稀硫酸电解液更易燃烧。铅酸电池在发生事故时,最多鼓胀或裂开,不会有更剧烈的反应。锂电池由于内阻小、隔板薄,出现热失控时,则会发生燃爆。同理,三元锂电池能量密度高于另两者,构成电池正极三种元素镍、钴、锰的活泼性也较铁元素高,因此安全性不如磷酸铁锂电池。但因能量密度最高,三元锂电池在电动车锂电池市场份额达到50%以上。


5月25日,北京市海淀区北太平庄街道的一个小区,工作人员在测试电梯阻车系统。图/澎湃影像

眼下,一些厂家又在推出钠电池,钠的化学属性没有锂活泼,相对更安全,但能量密度又不及锂电池。马贵龙说,锂电池安全的终极解决方案是生产固态锂电池,即电解质为固态。“现在的锂电池因为电解质是液态,才易发生膨胀、爆炸”。固态锂电池也是全世界在攻克的难题,如何将固态电解质和正负极结合在一起是当下的难点。但这一技术路线要想获得成功,走向市场,还尚需时日。

近两年,由于事故频发,电动自行车生产厂家开始更多采用安全系数相对更好、价格也更高的磷酸铁锂电池。但在新能源电动汽车领域,三元锂电池依然是主流。

在电动自行车行业内,整车企业大都不会自己生产电池,而是向电池厂家直接定制、购买电池或采购单个电池再进行组装。头部企业通常会与星恒、天能、超威等厂家合作,由其提供电池。马贵龙说,一些生产汽车锂电池的大厂,会将电压相同、内阻一致的电池打包、组配好卖给汽车整车厂,而把内阻、电压参差不齐、配不上组的电池卖给一些没有锂电池生产资质的小厂。这些小厂直接将电池串并联、打包,做成电池组,再卖给一些小品牌电动车整车厂和诸如维修点、销售门店等二级市场。这样一个电池组里电池间的差异很大,会导致事故频发。

马贵龙说,电池发生燃爆事故的核心在于过充。构成大容量电池的方式,是将十多个单个电池串联后,再将这些电池组并联。如果配置一致性比较差的电池,会出现某一节电池很快被充满,其他电池尚未“吃饱”的情况。而充电器对此并“不知情”,会持续给所有这些电池充电。这样一来,充满的电池会因为过充发热,电池中又含有电解液,遇热汽化,压力增大,发生爆炸。

叶震涛是国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心(CEVT)技术负责人,也是电动车新国标的起草者之一。他指出,近两年,最早一批投入使用的新能源汽车电池开始进入到大规模更换退役阶段。2018年,新能源汽车退役锂电池能达到11亿瓦时。在此过程中,会有部分退役淘汰电池,通过一些小厂家,流入电动自行车领域。“一些表面上看着很好的电池,可能寿命已经到期,内部存在风险故障点,如果不经检测被随意组配到一起,就会有很大危险”。

而在电动自行车的销售模式中,整车和电池可以分开销售。整车大厂在电动自行车出厂时,会配套电池,一些小企业只出售车架子,电池安装均由经销点实施。这样的销售模式会使一些劣质电池经网络、线下销售后,安装到电动自行车上。

这样的电池流通链条在外卖员购车经历中体现得尤为明显。刘刚是饿了么在北京的一名外卖员,2017年入行,迄今为止,已至少更换过两辆电动车和三次电动车电池。刘刚说,外卖员在购电动自行车时,往往自己已经买了电池。他之前骑的是一辆500元买的雅迪二手电动车,使用的是一款72V、65AH恒威品牌的大容量电池,花了近3000元购自网上,续航里程能达到100多公里。

追求高速度、长里程是外卖员的工作需求,72V已经超过了新国标规定的电池48V的额定电压。2019年前后,他又在小区附近购买了两组72V、20AH的超威锂电池,花费3000多元。其中一节仍正常使用,另一节用将近一年就不能用了,“当时看着外壳是新的,可能里面装的就是旧电池”。在北京市西城区赵登禹路两侧,有着十余家电动自行车店。其中一些店面门前,就摆着不含电池的杂牌或超标电动车。而这类电动车的主要买家,就是外卖员。

叶震涛说,国内对于废旧锂电池尚没有建立专门回收体系,未设立专门回收网点。而在新国标制定、出台时间段,发现电动车使用被淘汰电池的现象也比较少,因此新国标对此也没有规定,反过来说,这也说明了这些电池没有经过相应检测,直接流入了市场。

陆金龙说,广东东莞有数十家生产杂牌锂电池的企业,其生产的电池都不具备安全保障,“肯定要出事情”,其价格比大品牌的电池要便宜20%至30%。他建议,从国家层面来讲,对于生产电动车锂电池的厂家要进行强制认证。

马贵龙说,为解决电动车安全问题,一定要定规矩,进入电动自行车领域的锂电池必须要有准入门槛。电动汽车整车厂经筛选过后剩下的电池,不得随意流入电动自行车电池的生产厂家。从事电动自行车电池生产厂家要具备检测、合理组配电池的能力和资质,保证电池配组一致性。违者要承担严厉的法律责任。

他还表示,现在一些知名电动自行车整车企业打出了“汽车级锂电”的宣传口号,其真实含义,无非是像电动汽车一样实现电池配组一致,这本应是电动自行车电池的一个基本要求。电动自行车电池安全事故频发背后,反映出的是相关管理的缺失。

汽车锂电有严格的强制性准入标准。相比之下,叶震涛说,《电动自行车用锂离子蓄电池》GB/T 36972-2018只是一个推荐性标准。“有些企业有选择性执行部分标准中的标准项目,仅规定能通过检测的项目。或者制定企业标准,回避执行标准中较严格项目。” 标准中有“过充电”的要求,即拆掉电池保护装置后,对已经充满电的电池,进行90分钟的过充。按照标准,电池过充后,不能爆炸、起火。充电之后将保护装置装好,电池还能正常使用。“但据我所知,有机构进行测试后,部分产品在检测中直接起火或者爆炸了。”

电池管理系统与充电器

电池管理系统(BMS)是守护电池安全的重要防线。这是一种含有芯片的电子电路,又称电池的保护线路或保护板。BMS的引线与电池的引线相连,起到管理电池的作用。电动车BMS通常安装在一组电池的端部,外面再封装外壳。马贵龙解释说,BMS有三重作用:一是监测每一节电池充放电时电压高低、电流大小及电池组温度。当某一节电池充电满时,BMS会调节电流从旁路通过,放电时,某一节电池单体电压过低,则会通过调整使各电池单体放电电压均衡。再者,当检测到电池组出现问题时,会切断充电电流。BMS只在锂电池中有,铅酸电池因不易爆炸而不装配BMS。

薛宇说,虽然没有强制性规定,但出于安全性考虑,锂电池均要配备BMS。现实中,电动自行车BMS的价格差异较大,便宜的几块钱,贵的十几块钱到二三十块钱不等。相应的,电动车BMS的功能、可靠性也有差别。质量差的BMS可能形同虚设,什么作用都不起。

相比之下,电动汽车的BMS能做到更精确管理几千节电池,其成本也相应大大提高,价格在两三万元。薛宇说,电动车锂电池出厂时,都有原装配套的BMS,如果私自将电池改成高电压、大容量,则可能重新更换的BMS与电池不配套,起不到保护作用。对于电动自行车来说,十几块钱的BMS已能起到有效保护作用,技术上没有难度,只是成本的问题。


9月20日,北京通州区,因电动车电池在家充电发生火灾的小区。摄影/本刊记者 杜玮

充电器也是重要一环。2016年前后,一名22岁的来京务工女孩将超威牌电动车铅酸电池带回家中充电。半夜,充电器因对电池过充发热,发生短路,着火后,将女孩烧死。充电器生产商溜之大吉,超威被起诉至法院,马贵龙作为专家证人出庭。此前几年,马贵龙已参与到《电动自行车用充电器技术要求》国标的编制中,在讨论中,他强烈要求电动车铅酸电池充电器厂家增加充电器防止热失控的功能。这会给生产厂家增加几元左右的成本,一度遭到个别厂家反对,但最终在大家的努力下,得以通过,相关规定被写入文件。

但《电动自行车用充电器技术要求》GB/T 36944是推荐性标准。叶震涛说,这一标准发布后,只有少数企业执行,2020年江苏省市场监督管理局抽查了50批次充电器,仅2家执行这一推荐性国标;有的企业明示执行企业标准或类似标准,其中部分安全性项目低于GB/T 36944标准。由于推荐性国标力度不够,国家市场监督管理总局国标委又立项了充电器强制性国家标准,由薛宇负责起草。9月28日下午,这一强制性国标进行了审定,预计今年底或明年初发布。

马贵龙说,对于锂电池充电器来说,最重要的是BMS和充电器间建立彼此开放协议,实现二者的通讯。BMS相当于锂电池和充电器之间的“中介”。就像医生给病人开药一样,BMS通过对电池的监测,要告诉充电器何种情形下,该如何给电池充电。一旦发现电池温度过高,充电器要立即停止充电。锂电池组中要装有温度传感器,供BMS监控。这是当下解决锂电池燃烧的唯一途径,应纳入强制性国标。而市场上所谓某一品牌电池必须匹配某一厂家充电器,实际上只是商业利益的捆绑。

国内电动两轮车(包含轻摩、电摩、超标电动车)铅酸电池充电器厂家呈现出明显的生产企业和地域的集中性。一级市场即整车厂充电器年销量为2500万只,其中南京西普尔、南京特能、浙江聚源三家共占其中的70%。以48V、20AH规格充电器为例,一级市场的充电器成本为25元左右。二级市场主要被安徽滁州天长市秦栏镇的70多家企业所占据,市场份额占到二级市场的70%,充电器质量较一级市场低,年销售量在1亿只左右,一只充电器成本为18元。锂电池充电器主要以无锡三石、深圳麦迪瑞等厂家为主。相较铅酸电池充电器,锂电池充电器市场还处于起步阶段,没有什么大企业,众多小厂还存在诸多生产不规范的情况。

《中国新闻周刊》在电商平台上搜索,具有充满自停功能的锂电池充电器价格在60元上下,某品牌具备过热、过充、过流保护的锂电池充电器售价159元。叶震涛说,从监督抽查数据分析看,网络平台不合格率居高,其中充电器不合格率高达80%。马贵龙说,解决锂电池充电安全问题,就要从锂电池、BMS、充电器三位一体考虑,要防止劣质锂电和充电器流入市场,否则,只能是隔靴搔痒。如果只是从电池组和充电器角度提升安全性,生产厂家增加的成本也就二三十元,“不会超过50元,消费者增加的花费最多不会超过100元。”

不被重视的“草根产业”

新国标实行下,北京为超标车设立了三年过渡期。11月1日起,配置临时黄牌的超标车将被淘汰,道路上通行的将都是“合规”的白牌车。国庆前,刘刚找到一家电动车店,将自己的雅迪电动车以旧换新200元卖掉,又花2500元买了一辆额定电压72V的绿源电动车,并在店面维修人员的一番操作下,将原本出厂速度设定为25km/h的电动车改为了速度可达到50km/h,这在行内称为解除限速。而无论电机转速多快,电动车仪表盘上显示的速度仍没有超过新国标25km/h的最高限定值。马贵龙说,虽然绝大多数电动车火灾事故发生在充电时,但私自改装高电压、大容量的电池,也会带来消防安全的隐患。高电压为的是高速度,当电动车以高速度行驶时,意味着放电电流会增大,电池温度升高,会增加电池燃爆的可能性。负载过重也会产生大电流,而电动车行驶过程中爆燃的另一种较大可能性,是电池正负极发生短接。

陆金龙说,实际上,电动自行车对锂电池的要求应比汽车级锂电池要求更高。“电动自行车的使用环境比汽车更恶劣,颠簸、负重、暴晒、严寒,汽车很少面临这样的情况,其电池及各种设备的安全性也更好些。”但与此同时,电动车使用人群经济能力有限,对价格也更敏感,“买汽车的不会在乎千把块钱,电动自行车可能贵200元,消费者就接受不了了。”这也正是很多杂牌电动车电池有出路的重要原因。

马贵龙说,当下依照速度、重量将电动两轮车划分为电动自行车、电动轻便摩托车、电动摩托车,这只是交管部门一种便于管理的方式。新国标并没有根本解决电动自行车的交通安全与消防安全这两大问题。马贵龙建议,应将所有手把调速的两轮车都列入机动车管理。一旦按机动车管理,电动车骑行速度依据路段来规定,这样能更好地保障交通安全,同时,其生产与销售的管理也能向机动车看齐。

至于外卖员所用车辆,应制定专门标准,选定有资质的电动车生产商,速度上作出相应规范,电池能满足外卖员送餐的职业需求,由外卖小哥自带车加盟改为企业统一采购车辆。这样外卖用车可以由无序转为规范。叶震涛说,外卖平台还应通过建立信息平台,定期检查,确保车辆安全性。

国外的电动自行车几乎都来自于中国出口,且百分之七八十都采用锂电池。但国外的电动自行车事故率并没有国内这么高。这是因为,一方面,电动自行车在国外多为电动助力车,速度多不会高于30km/h。另一方面,由于出口电动自行车价格较高,能卖到8000元~1万元,厂家也有足够的利润空间采用质量更好的配件。就比如,出口国外的电动自行车都安装BMS,电池配组一致性也做得比较好。

马贵龙说,目前国内整个电动自行车行业发展仍处于低水平,电动车零部件的生产厂家基本都是个体户。全国有上千家整车厂,做得好的只有几十家。但若加强监管,就意味着成本与价格的提升,可能导致其消费人群中的低收入者利益受损。这就涉及到政府的管理策略问题。

近年来,电动自行车行业蓬勃发展,但政府部门对电动汽车的重视程度要远远高于电动自行车。“至于电动自行车,就是一个草根产业,在政策方面也有一定的差异。”陆金龙说。马贵龙认为,无论是占地面积、节能环保,还是实用性,电动自行车都比电动汽车有着无比的优越性。但在很多地方政府看来,做锂电池就是高科技,做汽车就是高技术,搞电动汽车更不得了。“至于电动自行车,大家都不大感兴趣”。

(文中刘刚为化名)

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