▲現場監控視頻
腳踩“風火輪”——電動平衡車出行近些年正在變得流行。但問題頻發卻引人擔憂。據悉，此電動平衡車使用時間並不長。而新購買的電動平衡車出現質量問題也不是偶然事件。
“花了1萬多，用了不到半年，僅僅放了一個星期沒充電，我的雙輪電動平衡車就出問題了。”2016年，北京的賈先生跟《北京科技報》講述起自己使用平衡車的遭遇甚是不解。賈先生說，當初出於好奇在半年前購買了這款電動平衡車，平時基本都是在小區或者去較近的地方騎行，使用次數也就10次左右。可就在幾個月前由於出差一星期沒來得及充電，等再次使用時，平衡車就壞了。而平衡車發出錯誤代碼，並提示電池出現問題。
事實上，電動平衡車除了無法使用外，還引發了一些更嚴重的安全事故。據瞭解，在2015年聖誕節前後，美國9個州發生10起平衡車起火事件，亞馬遜由此封殺中國平衡車出口。幾乎同一時間，英國也查封15000部中國產的智能平衡車，指出這些產品存在爆炸等嚴重的安全隱患。
日前，美國消費品安全委員會宣佈，在接到多起電動平衡車電池起火的報告後，10家公司將召回大約50.1萬輛電動平衡車。該委員會建議，消費者停用召回型號平衡車，與出售公司聯繫退款、維修或者換貨事宜。
美國消費品安全委員會在一份聲明中稱，至少已經發生了99起電動平衡車的鋰離子電池組過熱、出現火花、冒煙、起火甚至爆炸的事故，導致人被燒傷和財產損失。這一事件造成了超過200萬美元的財產損失，其中包括“燒燬兩所房屋及一輛汽車”。
那麼，為什麼鋰電事故會頻發？到底是什麼原因導致的平衡車發生爆炸事件呢？有哪些技術手段可以防止其發生爆炸？鋰電真的不安全了嗎？
▲美國消費品安全委員會宣佈將召回大約50.1萬輛電動平衡車（圖片來源：新華社/法新）
鋰電如何使用才安全？
“1個星期沒用，並不是太久，為什麼會出現問題？”賈先生帶著疑問諮詢了產品的相關客服。客服給的回應是產品並不在保修範圍，並認為產品出現問題是因為消費者使用不當，造成平衡車過放的原因。然而賈先生對此並不買賬，他認為這款平衡車肯定設計不合理，並且產品的說明書上也沒有標註相關的使用說明。另外他一個朋友也購買了相關的車型，也是因為電池問題無法使用。這下賈先生再次堅信平衡車的電池設計不合理就是造成無法使用的“內鬼”。
那麼如何在日常使用中對鋰電池進行正確的操作，來避免鋰電池出現各種“狀況”呢？首先是最佳的溫度。即就是溫度過高或者過低都會導致鋰電芯出現容量驟減的情況。而多數鋰電池的工作溫度為-20℃---60℃，最佳工作溫度為0℃-40℃。使用不同正極材料的鋰電池也有著不同的工作和最佳工作溫度。目前市面上已經有許多電子產品在對鋰電池的保護設計上非常到位，比如蘋果的iPad，當內部傳感器檢測使用環境溫度過低時，會自動禁止充電操作，來避免在低溫環境下因為充電而對電池造成損壞的情況出現。
▲鋰電池模組結構圖
專門研究鋰電的中國科學院上海硅酸鹽研究所高級工程師劉戰強告訴《北京科技報》，在我們日常使用和存放鋰電池時，只要避免過高和過低的溫度、跌落、火燒以及長時間放置不用等錯誤的操作，就能夠享受到鋰電為我們日常生活中帶來的各種便利，當然，購買一款質量有保證，售後服務到位的鋰電也是必要的前提。
鋰電池究竟該如何合理充電和放電？由於鋰離子電池的電記憶效應小的可以忽略不計，所以半途充電對它的損傷並不是很大，而它最怕的是過度放電（完全放電）。因此對於鋰離子電池你大可不必等到0％時再去充電。長期不用的電池，應充入一定的電量以防電池在存貯中自放電過量導致過度放電的損壞。
劉戰強表示，鋰離子電池在使用或者運輸過程中應避免發生激烈碰撞或者被刺（破）穿，否則會引起電池短路而爆炸燃燒。而控制這方面的措施就是通過更嚴格的測試，要求電芯不能在因為擠壓、刺穿、泡水的情況下導致本身起火、爆炸，這是產品最基本的底線。值得注意的是，使用劣質的充電器也會有一定幾率造成鋰電芯的爆炸，相比放電過程來說，鋰電池在充電的時候是最危險的。
“其實，跟消費者關注點一樣，鋰離子電池的研發、設計首先要考慮安全，其次才是高能量密度和高功率密度。電池成品也一定要按照品質等級來應用在不同的產品中，使得不同的電池在不同的使用條件下安全的為我們工作。”劉戰強說。
▲鋰離子電池大可不必等到0％時再去充電
鋰電短路成平衡車爆炸主因
談及平衡車的起火爆炸原因，劉戰強博士表示，電動平衡車在啟動或者制動時功率比較大，如果電池組品質不高、內阻過高，那麼就會造成電池組過熱；同時電池組長時間工作時，如果釋熱過多或者散熱效果不好，均會造成熱量的富集。電池過熱且得不到有效散熱會導致溫度快速上升，在這個過程中電池裡的有機電解液就會產生氣脹，當達到一定氣壓時，電池就會像鞭炮一樣爆炸燃燒。
“當電池過充和持續大電流放電時，就會出現電池組過熱導致起火爆炸。”專門從事智能代步工具研發、生產與銷售的南京快輪智能科技有限公司合夥人兼軟件研發總工程師薛祖波告訴《北京科技報》，平衡車因為平衡的機理，需要電池持續供電，並且在一些情況需要瞬間大功率輸出，這就要求電池具有大倍率的放電能力。劣質的電芯在大倍率放電時很容易出現短路現象，造成很大的安全隱患。
鋰電池短路之一是造成漏液。鋰電池體內溫度上升較慢的情況下，外殼逐漸溶化，保護層起不到保護作用，導致有腐蝕性的電解液的洩漏。鋰電池短路之二可造成自燃。當鋰電池短路時產生的火花會在瞬間點燃電解液，這是由於電解液由易燃液體構成，燃燒的電解液會跟著引燃塑料機身，導致電池燃燒，電池周圍如果有易燃物的話將會造成火災。鋰電池短路之三是引起爆炸。鋰電池體內溫度上升較快，由於外殼不象在溫度上升較慢時會逐漸溶化，因而導致電池內部空間不足以容納加熱情況下的膨脹氣體，電池容器因壓力過大而爆炸。
薛祖波表示，不僅鋰電池，傳統鉛酸電池也會出現爆炸情況。而這些爆炸的出現，多數是商家的品質控制不到位，甚至不良商家以劣充好，以及在關鍵性的部件上偷工減料造成的。而正常品質好的充電器都有短路保護，過壓保護。電池管理系統（BMS）也都有短路保護，過壓保護，過溫保護，且好的電芯具有防爆特性。
從2002年開始就啟用自主研發“電池管理系統”的深圳樂行天下科技有限公司一位不願透露姓名的技術部負責人表示，電池管理系統（BMS）主要功能包括：電池物理參數實時監測；電池狀態估計；在線診斷與預警；充、放電與預充控制；均衡管理和熱管理等。目前他們平衡車採用的電池管理系統，可以監管到每塊電池的使用情況。如果電池中的電芯出現問題，系統就會自動發出預警信號，並對系統內部做出調整。如果出現一些不確定或者不安全因素，系統本身無法處理，那麼就對整個電池組斷電，不會讓其溫度過高，甚至還會確保整車斷電後的安全。
▲電動平衡車結構示意圖
平衡車爆炸不僅僅是電池原因
“除了鋰電為起火爆炸元兇外，控制器設計不合理導致的超負荷運行，元器件質量不達標，充電器不合格，電池管理系統（BMS）不合格等都可以造成起火爆炸。”薛祖波分析到。
據雨果網報道，繼2015年年底平衡車因專利問題遭下架事件後，今年3月份美國消費品安全委員會（CPSC）到訪廣東深圳，並與國家質檢總局就中國平衡車行業發展，以及出口美國相關事宜進行了商討。美國CPSC相關負責人現場介紹，平衡車引起火災事件的重要原因之一是兩輪電動平衡車外殼結構設計不完善，並且鋰電池設計不符合標準。CPSC就監測到的一些平衡車技術安全隱患進行了通報，包括由線路以及外部構造所引起的最大放電率達到極限，溫度超標等等。
今年6月24日，美國消費品安全委員會（CPSC）主席艾略特•凱伊在北京JW萬豪酒店舉辦了媒體採訪會，就美國所發生的電動平衡車安全隱患事故進行了通報和說明。並且強調，所有在美國本土生產、進口、銷售的平衡車必須符合最新的安全標準UL2272-平衡車電路系統的要求，否則將會被海關扣押和實施召回。
▲UL2272標準要求
據最新消息，美國消費品安全委員會除了召回問題產品外，還積極與電商合作建立過濾器體系（即API），追蹤委員會宣佈需要召回的每個產品。
“理想的合作模式是把API放入阿里巴巴的系統，這樣我們就可以不用一直給他們發郵件，挨個討論（產品）”，凱伊表示，安裝API過濾體系中，委員會負責提供數據，確保格式便於使用。API體系涉及的信息包括：召回號、公司、產品類型、產品描述、危險、製造或管理地區、召回中心以及產品代碼。
在這樣的合作機制下，阿里巴巴建立起與CPSC聯繫的直線，承諾對於SPSC的要求快速回應，以阻礙非法或者召回的消費品通過阿里巴巴平臺銷售給美國消費者。日前，阿里巴巴集團已主動採取措施，要求Alibaba.com、速賣通網站上銷售電動平衡車的第三方出示測試機構的認證。
▲電動平衡車起火新聞截圖
鋰電防爆技術大解密
我們日常使用的乾電池是碳鋅電池，它的構造是:負極為鋅，正極是一根碳棒。而鋰離子電池按照正極材料主要分為鎳鋰電池、鎳鈷鋰電池、錳鋰電池、三元電池以及磷酸鐵鋰電池，負極材料多為石墨。根據電池的不同特性，各個領域可以選擇合適的電池種類，例如最常見的五號和七號乾電池廣泛應用於遙控器及玩具產品，特斯拉選的是三元電池，電動自行車則選的是錳鋰電池，移動電源使用的是鎳鈷鋰電池。
劉戰強介紹，鋰離子電池主要由正極材料、隔膜、負極材料、電解液、密封外殼等部分構成。正負極材料由隔膜隔開，其間充滿電解液。鋰離子電池充電時、鋰離子從正極材料遷移嵌入到負極材料；放電工作時、鋰離子從負極材料遷移到嵌入正極材料，在這個可逆過程中完成化學能與電能的轉換。
▲鋰離子電池工作原理示意圖
“要防範鋰電池起火爆炸，首先就是電池的質量管控。”北京理工大學化工與環境學院孫克寧教授表示，當前的電池系統完全可以通過單體電池中的材料改性和電解液添加劑，以及優良的電池PACK工藝和高效的電池管理系統（BMS）來最大限度的降低電池起火的可能性。比如目前標準比較嚴格的電動汽車行業，相對來說動力鋰離子電池起火的事故還比較少。特別是一些高端的電動汽車，由於採用了多種手段保證電池的穩定運行，極少有電池起火事故。
其次就是電池的正確使用以及不要超壽命使用。孫克寧說，在技術手段上，當前主要是單體電池中各個組成部分的新材料的開發及電池PACK工藝的改進。比如說，單體電池中的正極材料的改性、非碳負極材料的研發以及聚合物電解質的研製都是改善電池高溫穩定性的有效方案。而電池系統的PACK工藝則是通過一些工程手段來管控安全問題，比如可以在電池PACK工藝中設計熱量均衡系統以保證電堆的整體溫度均勻，不至於局部過熱。
平衡車“遭遇”技術壁壘
事實上，與賈先生花1萬元買臺平衡車（大手筆）相比，不少人騎行的平衡車可能更便宜。《北京科技報》在淘寶上或者在一些電商平臺上，輸入電動平衡車，價格從幾百到幾千的產品五花八門。
不過這樣的產品可能會存在更多的安全隱患。中國化學與物理電源行業協會信息部曾透露，目前國內電池行業基本沒有監管，電池廠家購進電芯完全憑良心。在平衡車使用的電芯方面，質量好的電芯和質量差的電芯在價格上差了不止一倍，有些次品的價格賣得更低。而平衡車生產廠家為了降低成本、及時供貨，對電池的質量要求會放寬許多。
根據該協會信息部一組數據顯示，一輛平衡車電池使用質量好的電芯，價格在350元左右;而使用質量差的電芯價格在175元左右，甚至更低。
一臺平衡車最重要的成本來自“三件套”：電池、電機以及主板，“好的電池和電機都不便宜，合格的電池和電機加在一起，成本就要接近2000元”，一位資深平衡車製造商曾介紹。
對此，柏冬成建議對平衡車感興趣的用戶，不要輕易相信沒有任何認證的山寨產品，這類產品往往為節約成本使用一些來路不明的零件電池，消費者購買時要相信有品質的大廠家，大廠家往往會提供更有利的售後服務，另外消費者使用平衡車時也需注意自身安全以免發生意外。
孫克寧認為，平衡車行業目前還處於野蠻競爭階段，由於競爭激烈，大家拼命壓低成本，直接導致電池系統的不達標率過高。這次的大面積召回事件恰恰是新興工業產品的一個共性問題。
▲在某寶網站上搜索“電動平衡車”，出現的產品從幾百到幾千，價格五花八門
快輪科技合作人兼市場運營負責人柏冬成表示，美國的召回事件其實是國內畸形產業發展的一個縮影。2015年出口的2000萬臺電動扭扭平衡車，絕大部分是永康、深圳的三無山寨廠家（小作坊）生產組裝出來的。在巨大的海外訂單利益驅使下，一時間上百家山寨作坊開始開闢電動扭扭車組裝生產業務。各家都是採用市場上的公模套料，只能相互拼價格。拼到最後，加上國內沒有相應的產品標準，這些山寨廠家就鋌而走險，使用劣質的電池組、控制器，甚至一些廠家電池組一半是電芯一半是水泥。另外平衡車產業的國家標準嚴重滯後，目前為止，僅有個別地方出臺相應標準，如廣東質檢院。
另外，《北京科技報》瞭解到，目前國內平衡車除了面臨安全、專利技術等問題外，還存在一些技術上的壁壘，比如產品需要符合各進口國指令及協調標準如美國的UL2272等安全標準，同時產品所用的電池以及供電電源也需通過相應測試和認證。因此這就要求整個平衡車上下游企業互相配合，重視對零部件及整機進行合規認證和技術改進。對此，孫克寧教授呼籲各產學研領域的相關力量聯合攻關，相關部門儘早推出此類產品的相關標準，並在使用環境和產品質量上應制定相應標準和規範，嚴格管控，保證這個行業的健康發展。
出品：科普中央廚房
監製：北京科技報 | 科學加客戶端
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