上次講到電動(dòng)自行車火災(zāi)頻發(fā)的主要原因是鉛酸蓄電池充電熱失控。熱失控導(dǎo)致蓄電池大量析氣，氫氣混合氣體遇電火花發(fā)生爆炸引發(fā)火災(zāi)。在討論中發(fā)現(xiàn)大家對(duì)蓄電池?zé)崾Э氐母拍钸€存在許多誤解，常常把鉛酸蓄電池的充電熱失控誤解為鉛酸蓄電池自身熱失控，并推斷與鋰電池?zé)崾Э匾粯泳哂斜L(fēng)險(xiǎn)。今天就講一講鉛酸蓄電池充電熱失控及其爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
一、 鉛酸蓄電池自身不會(huì)發(fā)生熱失控
1、從熱失控的字面理解，就知道它與溫度密不可分。我們先了解一下鉛酸蓄電池的主要參數(shù)與溫度的關(guān)系。
鉛酸蓄電池的單元電池標(biāo)稱值2V，充滿電后的端電壓2.25V左右。端電壓的值隨溫度的升高而降低，稱為負(fù)溫度系數(shù)，即溫度每升高一度端電壓降低3.9mV，溫度升高50°C，電池端電壓下降195mV 。電池開路放置時(shí)，無論端電壓高低都不會(huì)使電池發(fā)熱。
電解液密度隨溫度的升高而下降，比如，0°C時(shí)密度為1.358ɡ/㎝3。 14°C時(shí)為1.348ɡ/㎝3。48°C時(shí)為 1.324ɡ/㎝3。隨著溫度的升高，電解液密度降低了，電池容量有所減小。電池開路放置時(shí)，無論電解液密度高低都不會(huì)引起電池發(fā)熱。
鉛酸蓄電池內(nèi)阻隨溫度的升高而減小。充電或放電時(shí)內(nèi)阻上會(huì)產(chǎn)生熱量。但電池開路放置時(shí)，無論內(nèi)阻大小都不會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)熱。
空載時(shí)鉛酸蓄電池在高溫環(huán)境下的參數(shù)變化不會(huì)導(dǎo)致蓄電池自身發(fā)熱，就不會(huì)發(fā)生熱失控。
2、鉛酸蓄電池的內(nèi)部微短路。
鉛酸蓄電池隨著使用時(shí)間的增長，有時(shí)會(huì)發(fā)生極板物質(zhì)脫落沉積于電池的下方，形成極板間的微短路。還有一種微短路是充電時(shí)枝狀鉛晶透過隔板孔形成微短路，這兩種微短路都屬于高阻短路，嚴(yán)格說應(yīng)該叫漏電。隨著微短路或漏電的逐漸加重，自放電電流逐漸增大。電池開路放置時(shí)，自放電的電流保持在較小的數(shù)量級(jí)，所發(fā)的熱量也能及時(shí)散失掉，不會(huì)形成電池的快速溫升。鉛酸蓄電池不會(huì)因微短路而發(fā)生自身熱失控。
鉛酸蓄電池微短路形成的自放電電流雖然與鋰電池一樣，有隨溫度升高而增大的相關(guān)性，但由于自放電電流總體量級(jí)較小、電池體積較大，升溫速度較慢，不會(huì)在短時(shí)間形成電池溫度超高引發(fā)極板短路。而長時(shí)間的自放電又將導(dǎo)致電池端電壓的降低，最終在某一溫度點(diǎn)達(dá)到熱平衡后，逐漸開始下降，進(jìn)入良性循環(huán)，脫離熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
資料顯示，電池溫度超過130°C時(shí)，片狀聚氯乙烯（PVC）電池隔板呈粘彈態(tài)，隔板開始具有失效風(fēng)險(xiǎn)。160°C以上呈粘流態(tài)，隔板完全失效。平板式玻璃纖維（AGM）隔板最高耐受溫度高于PVC隔板。保守的估計(jì)，鉛酸蓄電池隔板失效溫度在100°C以上。
又有資料顯示，鋰電池發(fā)生膈膜失效的溫度也是100°C以上，同樣是微短路，同樣的隔板（隔膜）失效溫度，為什么鉛酸蓄電池能擺脫熱失控的厄運(yùn)呢？
答案是：鉛酸蓄電池的溫升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰電池。
首先是鉛酸蓄電池極板物質(zhì)脫落形成的高阻漏電不會(huì)快速發(fā)展為低阻漏電。其次是鉛酸蓄電池的隔板厚度大于鋰電池隔膜的厚度，因此鉛枝晶穿透隔板的概率低。而且鉛枝晶較長，電阻就較大。再就是鉛酸蓄電池單元電池電壓低于鋰電池，鉛酸蓄電池的自放電電流就小于鋰電池。另外，鉛酸蓄電池的體積較大，能量密度遠(yuǎn)低于鋰電池，鉛酸蓄電池的散熱條件就遠(yuǎn)優(yōu)于鋰電池。密封程度不同、電解液數(shù)量不同等等，都使得鉛酸蓄電池的溫升速度遠(yuǎn)低于鋰電池。鉛酸蓄電池微短路放出的熱量不會(huì)快速累積到使電池隔板失效的溫度，所以不能發(fā)展為極板短路而引發(fā)的熱失控。
二、鉛酸蓄電池充電熱失控
所謂鉛酸蓄電池充電熱失控是包括電池在內(nèi)的整個(gè)充電系統(tǒng)發(fā)生了熱失控，并非專指電池而言。離開了充電環(huán)節(jié)就不存在鉛酸蓄電池的熱失控。
發(fā)生充電熱失控時(shí)三段式充電器的主要表現(xiàn)是充電器不轉(zhuǎn)燈，也就是不能從高恒壓充電階段自行轉(zhuǎn)到低恒壓充電階段。電池的表現(xiàn)是發(fā)熱燙手，外殼變形鼓包并大量析氣。
鉛酸蓄電池充電熱失控與下列因素有關(guān)：
1、鉛酸蓄電池充電時(shí)放出熱量使電池溫度升高
1.1 充電電流流過蓄電池內(nèi)阻時(shí)內(nèi)阻會(huì)產(chǎn)生熱量，蓄電池
內(nèi)阻分歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，其中歐姆內(nèi)阻的發(fā)熱量符合焦耳定律，而極化內(nèi)阻是非線性的，隨電池溫度和充電電流的大小而變化。
用舊的電池，內(nèi)阻增高發(fā)熱量就增大，充電時(shí)電池溫度就容易超高。
1.2、充電時(shí)電解液析出的氧與負(fù)極的鉛發(fā)生氧化反應(yīng)，放出熱量。充電末期電池大量析氣，氧氣在負(fù)極板復(fù)合為水，所放出的熱量大大高于充電時(shí)內(nèi)阻所放出的熱量。
1.3、鉛酸蓄電池充電時(shí)，電池散熱條件不好會(huì)導(dǎo)致溫度升高。鉛酸蓄電池的散熱主要有兩個(gè)渠道。一個(gè)是析氣帶走熱量，一個(gè)是熱傳導(dǎo)到外殼后再通過傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流散熱。電動(dòng)自行車使用的是改進(jìn)型閥控式蓄電池，它的散熱條件優(yōu)于閥控式蓄電池。
1.4、充電時(shí)環(huán)境溫度過高，比如氣溫超過35°C時(shí)充電就容易使電池溫度超高。電池溫度等于環(huán)境溫度加上電池的溫升。
1.5、三段式充電器故障或參數(shù)設(shè)置不當(dāng)都能使電池溫度升高。
三段式鉛酸蓄電池充電器把充電過程分為三個(gè)階段，即恒流充電階段、高恒壓充電階段、低恒壓充電階段（浮充或涓流充電階段）。
恒流充電階段的充電速率為0.15C，C為蓄電池的容量。比如12Ah蓄電池恒流充電電流是1.8A，20Ah蓄電池恒流充電電流為3A。有的廠家追求快速充電而加大充電速率，將使電池升溫速度加快，容易使電池溫度超高。
高恒壓充電階段的恒壓值通常設(shè)置為2.35V—2.45V之間（單元電池）。此電壓低容易發(fā)生欠充電，此電壓高容易發(fā)生過充電，電壓高于2.5V很容易發(fā)生電池溫度超高。鉛酸蓄電池組中若出現(xiàn)一兩只單元電池微短路，在高恒壓充電時(shí)將使充電過程停留在高恒壓充電階段無法轉(zhuǎn)換到低恒壓充電階段。
低恒壓充電階段的恒壓值通常不高于2.3V這個(gè)安全電壓。所以電動(dòng)自行車在低恒壓充電階段幾乎沒有發(fā)生充電熱失控的。而通信或電力部門備用電源的浮充電壓往往高于2.3V，所以存在充電熱失控的風(fēng)險(xiǎn)（注意：此電壓若升高0.1V，就相當(dāng)于環(huán)境溫度升高了26°C。）。
還有一個(gè)重要參數(shù)叫轉(zhuǎn)燈電流，由高恒壓充電階段轉(zhuǎn)到低恒壓充電階段時(shí)，充電指示燈由紅色轉(zhuǎn)為綠色，俗稱轉(zhuǎn)燈。高恒壓充電階段的充電電流隨著電池端電壓的上升而減小，當(dāng)充電電流減小到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)燈電流值時(shí)，充電器自動(dòng)由高恒壓充電變到低恒壓充電。這個(gè)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)燈電流值小，轉(zhuǎn)燈就延遲，容易發(fā)生不轉(zhuǎn)燈。這個(gè)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)燈電流值大，轉(zhuǎn)燈就提前，容易欠充電。通常12Ah蓄電池充電器的轉(zhuǎn)燈電流設(shè)定為300—500mA; 20Ah蓄電池充電器轉(zhuǎn)燈電流設(shè)定為500—700mA。
不能正常轉(zhuǎn)燈的后果就是電池溫度升高并大量析氣。
2、鉛酸蓄電池充電熱失控的發(fā)生過程
三段式充電器設(shè)定的參數(shù)，是環(huán)境溫度25°C時(shí)的參數(shù)。轉(zhuǎn)燈之前電池溫度往往達(dá)到最高值，假設(shè)因?yàn)槟撤N原因?qū)е赂吆銐撼潆娔┢陔姵販囟冗_(dá)到60°C以上，電池端電壓比25°C時(shí)降低了136mV。也就是高恒壓充電電壓與電池端電壓之間的電壓差增大了136mV。有可能導(dǎo)致充電電流降不到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)燈電流以下，甚至不降反升。就會(huì)繼續(xù)以高恒壓值充電，電池溫度繼續(xù)升高，電池端電壓繼續(xù)下降，充電電流繼續(xù)增大，形成惡性循環(huán)永遠(yuǎn)不能轉(zhuǎn)燈。這就是充電電流與電池溫度形成了正反饋，充電系統(tǒng)進(jìn)入了熱失控狀態(tài)。
三段式充電器一旦轉(zhuǎn)燈，就進(jìn)入了安全的涓流充電階段，電池溫度會(huì)逐漸降低，無論再繼續(xù)充電多長時(shí)間都不會(huì)發(fā)生充電熱失控，也就不會(huì)大量析氣。
鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)發(fā)生了充電熱失控以后，切斷電源熱失控就會(huì)終止，電池的溫度會(huì)逐漸下降。這是和鋰電池的最大區(qū)別，鋰電池達(dá)到一定溫度之后，切斷電源也不一定能阻止電池自身熱失控的發(fā)展。
從上面分析可知，充電器參數(shù)設(shè)置正常的情況下，導(dǎo)致鉛酸蓄電池充電熱失控的直接因素就是電池溫度超高。
3、鉛酸蓄電池遭遇機(jī)械碰撞發(fā)生內(nèi)部極板短路或者鉛酸蓄電池發(fā)生嚴(yán)重的外電路短路，無論后果如何，均與熱失控?zé)o關(guān)。
三、鉛酸蓄電池不會(huì)發(fā)生爆炸
有人用鋰電池的熱失控類推鉛酸蓄電池，認(rèn)為鉛酸蓄電池也會(huì)因熱失控導(dǎo)致電池自身短路爆炸。
鋰電池爆炸是常見的，而鉛酸蓄電池自身爆炸卻只是人為猜測。火災(zāi)現(xiàn)場都沒有提取到鉛酸蓄電池爆炸的實(shí)體物證。
從鉛酸蓄電池充電熱失控可以看出，充電系統(tǒng)發(fā)生熱失控的后果，只是電池發(fā)熱、外殼鼓脹、大量析氣而已。析出的氣體有爆炸的危險(xiǎn)，電池自身卻不會(huì)發(fā)生爆炸。
鉛酸蓄電池大電流放電甚至短路會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高、電解液氣化。但不會(huì)發(fā)生電池?zé)崾Э?，也不?huì)發(fā)生爆炸。
有人說鉛酸蓄電池外部電路短路會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部鉛體熔化斷裂產(chǎn)生電火花，引起內(nèi)部殘余氫氣爆炸（以前我也這樣說過）。這種電池內(nèi)部的混合氣體爆炸，只有在鉛體熔化斷電的情況下才能發(fā)生。那么，我們就看看外部短路引起鉛酸蓄電池內(nèi)部鉛體熔化的概率有多大。
電池連接線短路有兩種，
一種是電弧性短路，電弧阻抗較高，持續(xù)時(shí)間又短，絕不會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部鉛體熔化。
二是金屬性短路（或熔焊性短路），短路電流由線路電阻和電池內(nèi)阻決定。12Ah以下蓄電池的電極引出方式都采用接插件或錫焊連接，這種引出方式相當(dāng)于加了保險(xiǎn)，一旦有超大短路電流發(fā)生，這里必先燒毀或焊錫熔化而斷路，哪里還能等到內(nèi)部鉛體的熔化。20Ah以上蓄電池的電極引出方式采用接線端子，它的電流承載能力大于焊接和接插件。但是，隨著電池容量的增大，內(nèi)部鉛體的體積及電流承載能力也都加大了，短路電流達(dá)到內(nèi)部鉛體熔化之前，接線端子、線鼻子以及電池連接線早已無法承受而先行斷路了，也不會(huì)危及電池內(nèi)部的鉛體。
外電路短路會(huì)使極板間的離子流增大，但是，離子流是相對(duì)均勻的分布在極板有效面積上，不會(huì)出現(xiàn)因嚴(yán)重?zé)崃糠植疾痪l(fā)生極板變形的現(xiàn)象。而且內(nèi)部極板的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部短路導(dǎo)線的截面積，它承受瞬間大電流的能力也遠(yuǎn)大于外部短路導(dǎo)線的能力，所以，外部短路大電流可以把短路導(dǎo)線熔化燒斷，而內(nèi)部極板及其鉛體連接件卻能安然無恙。況且電池內(nèi)部除了正負(fù)兩塊極板以外，中間還隔有一塊飽含電解液的隔板，使得電池極板總成的包絡(luò)體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外電路短路導(dǎo)線的體積，功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外電路導(dǎo)線的功率密度。短路電流大到使外電路燒毀的程度時(shí)，極板溫度也許只升高幾十度。持續(xù)的短路可以使電池溫度因熱量積累而升高，但極板各處不會(huì)出現(xiàn)巨大溫差。極板不會(huì)變形短路使電池爆炸。
根據(jù)近年來的統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)自行車起火90%的原因是電線短路引起，主要是較粗的電池連接線短路。去掉鋰電池的火災(zāi)，起碼還有80%是鉛酸蓄電池的電池連接線短路。
我們先不去區(qū)分火前與火后短路，也不去管火災(zāi)是否因短路引發(fā)，這近80%的電池連接線短路應(yīng)該是真實(shí)的。卻沒有一例因電池連接線短路引發(fā)了鉛酸蓄電池爆炸，也證明了鉛酸蓄電池外電路短路不會(huì)引起電池爆炸。
鉛酸蓄電池組即使有單元電池發(fā)生過熱，相鄰電池也不會(huì)因高溫而誘發(fā)短路，更不會(huì)像鋰電池組那樣形成鏈鎖爆炸。
在火場同樣被火燒，鋰電池可以爆炸而鉛酸蓄電池只能損壞不能爆炸。
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