电动自行车锂电池安全风险及防范策略详解

随着电动自行车新国标的推出，车辆重量得到了更为严苛的约束，进而推动了锂离子电池在电动自行车中的广泛应用，因其具备更高的能量密度。然而，电动两轮车市场上锂离子电池的质量差异显著，且多数销售人员及消费者对这类电池缺乏深入了解，这无疑增加了安全事故的风险。正因如此，近期某两轮车领军品牌发出公告，严禁其线下门店参与换电业务及大量囤积锂电池。接下来，我们将深入探讨锂电池所潜在的安全隐患，并从其工作原理入手进行分析。

1.1 ▍ 锂电池工作原理

锂离子电池的核心部分包括碳素材料负极、含锂化合物正极（如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂等）以及一层起保护作用的膈膜。在充放电过程中，Li+会在正负极间进行往返运动：充电时，锂离子会从正极脱离并嵌入负极，通过电解质进行传输；而放电时则相反，锂离子会从负极脱出并返回正极。这一过程中，同时伴随着电子的等当量嵌入与脱嵌，从而产生电流供电动自行车使用。

1.2 ▍ 锂电池爆炸原因

在深入了解了锂离子电池的工作原理后，我们进一步探讨其可能发生爆炸的原因。这些原因主要可以归纳为以下两点。

1. 过充是导致锂电池爆炸的常见原因之一。当电池过充时，会释放过多的锂，而负极容量不足，导致充电时产生的锂无法顺利插入负极石墨的层状结构中。这样一来，锂会在负极表面沉积，随着时间的推移，这些沉积的锂会形成树枝状的结晶。这些结晶可能穿透隔膜纸，导致正负极短路。此外，过充过程中电解液等材料可能裂解产生气体，使电池外壳或压力阀鼓胀破裂，氧气进入后与负极表面的锂原子反应，从而引发爆炸。

2. 充放电时的电流控制也至关重要。电流过大时，锂离子可能无法及时进入间层结构，而是在负极材料表面聚集。这些锂离子获得电子后，会在材料表面形成锂原子结晶，同样存在安全隐患。

为了确保锂电池的安全使用，锂电池组内通常会配备一片保护板，即电池管理系统（BMS）。它可以实时监测锂电池的电压、电流和温度等关键信息，并根据电池状态在必要时进行干预，以保障电池的安全运行。

然而，锂电池事故仍时有发生。在老国标时代，电动车行业已开始应用锂电池，但因锂电芯的不稳定性、PACK工艺的不成熟以及对锂电池知识的缺乏，导致了一系列安全事故。随着新国标时代的到来，锂电池的使用量大幅增加，若不采取相应措施，其事故概率将进一步上升。

1.3 ▍ 锂电池安全措施

1. 安全措施一：采用软件BMS保护板与远程安全监控相结合

鉴于国内电芯制造水平与日韩尚存差距，电芯自身可能存在安全隐患，仅依赖纯硬件BMS板进行保护存在失效风险。一旦BMS失效，安全事故将不可避免。

为解决这一问题，我们引入了远程数据传输模块，实现整车关键电气部件的数据互联，其中包括锂电池的充放电数据。借助总部的数据监控平台，可以预判电池的失效模式，从而提前通知用户并迅速响应，将安全隐患扼杀在摇篮中。

2. 安全措施二：优化结构设计，增强锂电池安全性

电动自行车的锂电池面临更为严苛的使用环境，包括整车减震性能不佳、路况复杂多变，以及长时间户外使用导致的风吹、日晒、雨淋等。为应对这些挑战，我们自主设计了全密封透气结构，结合干燥防进水、防潮气的特性，内部填充高导热系数硅胶，旨在提升电芯和BMS板的抗震等级。同时，这一设计还显著增强了电池的防水和防潮性能，确保电池内部电芯能够均匀受热，从而保障电芯的一致性，延长整组电池的使用寿命。

3. 安全措施三：引入双向握手识别电路，防范电池误用风险

鉴于市场上电动自行车普遍采用直通式输出方案，为防范用户滥用电池，如将锂电池误用于铅酸车等不当行为，我们引入了双向握手识别电路。该电路设置在锂电池BMS板与控制器之间，以及BMS板与充电器之间，确保只有相互匹配的部件才能正常工作。一旦检测到不匹配情况，锂电池将立即关闭充放电回路，从而有效预防因非法控制器或充电器导致的事故。

4. 锂电安全措施四：采用PGR电机以防止锂电池反充电

EABS反充电对于铅酸电池而言是一个有益的功能，然而对于锂电池来说，却存在潜在的安全隐患。锂电池在充电过程中，锂离子从正极脱出并迁移至负极，若迁移速度过慢或数量过多，会导致锂离子在负极表面堆积形成金属锂枝晶，进而可能刺穿隔膜并引发短路爆炸。影响锂离子迁移速度和数量的关键因素包括环境温度和充电电流大小。

尽管锂电车已取消EABS功能，但在下坡滑行时仍可能出现反向充电电流。这是由于现有行业锂电电动自行车普遍采用低速轮毂直驱电机，该电机在下坡高速滑行时会转变为发电机。当电机转速超过额定值时，反电动势电压会高于电池电压，从而产生反充电电流。

特别是在新国标电动自行车最高限速25公里/小时的情况下，下坡路段滑行速度很容易超过这一限制，导致反充电电流急剧增加。此外，在寒冷的冬季，由于电解液导电率下降和锂离子迁移速率降低，负极表面形成金属锂枝晶的概率也会相应增大，进而可能引发电池容量急剧下降、寿命缩短，甚至出现短路、失控爆炸等严重后果。

因此，我们在锂电车型上配备了自主设计的PGR电机，该电机带有离合器装置。在滑行过程中，内部电机与外轮脱离，停止转动，从而避免了感应电动势的产生和反充电的问题。通过这一技术改进，我们能够更有效地确保锂电的安全性，推动锂离子电池在电动自行车上的普及，并为用户提供更加安心、可靠的使用体验。