常探预警式电动车充电桩
常探预警式电动车充电桩
背景技术
[0002] 锂电池和铅酸电池，作为一种当今社会最重要的化学储能装置，广泛应用在电动自行车、新能源汽车、智能手机、移动机器人、无人机、移动电源、充电宝、智能手表、电动工程机械、储能电站等现代化生活的各行各业中，可以说是一种无处不在的科技成果，与每个人都息息相关。
随着锂电时代的快速普及，充电过程中，锂电池发生的火灾和爆炸每天都在全世界不停发生，造成了大量的经济财产损失和人员伤亡，也引发了全世界所有政府和民众的关注，全世界都在希望有好的科技成果，早日解决锂电充电自燃的难题。
而在锂电时代到来之前，铅酸电池的充电鼓包事故也经常发生，只是由于铅酸电池不具备可燃性，危害没有进一步扩大，未能引起公众和政府的重点关注。
由于锂电池内部密闭有电解液和隔膜，都具有可燃性，且具备无氧燃烧的特点，就算放进水中也能燃烧，所以锂电火灾时，燃烧速度特别快，根本没有任何办法去扑灭，外在表现为电池不断连续爆炸，四处飞溅，火势猛烈，浓烟滚滚，并且产生大量有毒气体，然后造成严重附加损失，甚至导致大量人员伤亡。
我们通过自身对电芯结构的了解和BMS应用的经验，以及对开关电源电路和充电器电路的研究，加之自己有过铅酸电池因为插座接触不良而导致鼓包报废的经历，结合大量电池充电火灾事故，进行科学研究分析，观察到锂电火灾有显著的群体性现象和飞线充电现象，以及潜在的充电插座接触不良现象，结合我们使用大功率氩弧焊机时，有过主电缆距离变电站较远，且主电缆线径比较勉强，造成焊接时室内灯泡发生明显的亮灭现象，而且焊机不能正常工作，判断为电源线线径不够，导致电压不足，后来更换电缆后排除了故障。
根据以上经验，认为现有锂电火灾的原因是供电电源端的线径过细、线缆过长、或触点接触不良，内阻太大，加上充电器的开关电源前级都有一个大容量的电源滤波电容，这个滤波电容跟电源线的阻抗形成了RC震荡的脉冲正弦波，导致了充电器前端的电源充电电压处在脉冲震荡中。
通过在锂电充电器的电源输入端串联电阻的方式，进行充电实验，发现串联电阻后的充电器供电电压非常不稳定，用示波器观测到了电源电压存在明显的低频负脉冲现象（频率小于10Hz），用万用表实测，少则负电压波动30V左右，多则负电压差距甚至接近100V，证明了电源线内阻过大，会造成充电器前端产生负脉冲的理论是正确的，而且电压差非常大！在这种低频脉冲式的不稳定电压环境下，充电器内部的整流稳压电路失去稳压作用，充电器内部的开关电源就会产生错误的低频脉冲高压，向锂电池灌入超出额度充电电流的低频脉冲式大电流，电池的极板和极耳由于较大的充电电流，导致电极附近产生过热现象，造成电池各种程度的损坏！
由于锂电池电解液一般的温度范围为-40℃～70℃，剧毒，且不能承受高温。如典型的六氟磷酸锂电解液的缺点：剧毒、易燃易爆、热稳定性能差，易发生分解反应，副反应产物会破坏电极表面SEI膜，溶解正极活性成分，导致电池循环容量衰减。并且，六氟磷酸锂电解液接触空气，以及见到阳光就会爆炸，所以喷涌而出的剧毒电解液，接触空气后，立刻造成了大范围的自燃爆炸，并发出大量毒烟毒气，甚至引发现场人员呼吸中毒呛死和伤亡，是全社会公共安全关注的重点。如2023年9月12日晚间，越南河内发生史上最严重火灾，由于失火的该栋建筑仅一个紧急出口，居民无法逃生导致56死37伤。
所以我们认为，正是因为肉眼看不见的电源负脉冲（电压不稳）现象，才导致锂电池或铅酸电池在充电时，发生鼓包、火灾和爆炸现象的最重要原因，电压波动轻则造成单体电芯内部电极表面SEI膜被高温分解的电解液破坏，以及正极活性成分被热分解的电解液破坏，导致电池循环容量衰减、寿命缩短、电压波动；重则电解液沸腾，电池爆炸，造成设备严重损坏，并引发火灾，甚至造成周边人员伤亡。
具体分析为，目前锂电电池充电器都是采用开关电源方式对输入电压进行降压，然后对电池进行充电，稳压工作过程属于周期性工作，有一定的固定工作频率，当充电器的采样电路检测到供电电压有波动时，充电器的开关电源会在下一个工作周期，调整输出端的脉宽，从而稳定输出端的电压和电流。
当供电电源的电源线的线径过细，或者插座等部位接触不良、以及终端充电设备数量增多时，电源线的阻抗与充电器的滤波电容就会形成RC震荡电路，形成剧烈波动的脉冲波，形成脉冲震荡波，表现为电源电压波动剧烈，周期性忽高忽低（电压不稳）。这个电源的脉冲式震荡波会触发充电器内部工作频率发生共振，当外力作用频率与充电器固有振荡频率互为倍数或很接近时，高频变压器的输出电压就会产生高压，形成对电芯进行数倍电流充电的“过充”甚至“强充”的“低频高电压强充”现象，造成锂电池严重且不可修复的永久损坏。
究其原因，是由于传统的开关电源型充电器遇到电压不稳的负脉冲现象时，不能及时退出对电池的充电工作，并对外发出电网异常的报警信号，从而导致了当电网电压不稳时，对所充电池严重“低频高电压强充”，产生极其恶劣的后果。
同理，以上电池“低频高电压强充”引发的恶性事故，不仅发生在锂离子电池，也会发生在铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、锂硫电池、液流电池、钒电池等化学储能电池上。只是由于铅酸蓄电池等化学电池不可燃烧，所以没有发生严重的次生后果，对外表现为过充导致的电解液分解生产大量的气体、电解液结晶、容量变小和极板变形鼓包而已，但是用户、商家和厂家，会进行三方扯皮，最终也很难有清晰的责任划分，还是急需有技术方案或者产品，解决铅酸电池普遍发生的充电鼓包，导致电池报废的技术落后现状。
有益效果
与现有技术相比，本发明能让充电器（充电桩）具备自动断开负脉冲电网（电压不稳的电网），防止锂电池充电损坏的功能，具有如下有益效果：
优点1：避免高频充电器或充电桩在电源线太细太长、充电器数量过多、或者该电源线上还有大功率电焊机正在电焊作业等电压不稳的负脉冲充电环境下，高频充电器或充电桩突然输出低频高压超大直流脉冲电流，引起电池被低强度的“低频高电压强充”时，电极过热，造成温度范围为-40℃～70℃的剧毒且易燃易爆的六氟磷酸锂等电解液分解，随之副反应产物破坏电极表面SEI膜，溶解正极活性成分，导致电池循环容量衰减。有效避免电池提前老化，寿命缩短。
优点2：避免高频充电器或充电桩在电源线太细太长、充电器数量过多、或者该电源线上还有大功率电焊机正在电焊作业等电压不稳的负脉冲充电环境下，突然输出低频高压超大直流脉冲电流，造成电池被中等强度的“低频高电压强充”时，正负极极板由于高电压大电流充电，引起极耳和极板同时产生高温，造成温度范围为-40℃～70℃的剧毒且易燃易爆的六氟磷酸锂等电解液分解，并导致隔膜融化、隔膜微孔堵塞和电解液产生气泡，形成的明显的容量跳水和鼓包现象。有效避免电池充电容量跳水和鼓包报废，延长整机使用寿命。
优点3：避免高频充电器或充电桩在电源线太细太长、充电器数量过多、或者该电源线上还有大功率电焊机正在电焊作业等电压不稳的负脉冲充电环境下，突然输出低频高压超大直流脉冲电流，造成电池被高强度的“低频高电压强充”时，锂电池的极耳和极板由于高压大电流充电造成高温，造成温度范围为-40℃～70℃的剧毒且易燃易爆的六氟磷酸锂等电解液分解，并烫坏局部隔膜，导致电池内部发生局部短路，引发电池剩余容量迅速参与大电流放电，产生大量的热，大面积烧坏隔膜，而造成更大面积的极板短路，更快速度的对电解液加热至沸腾，导致电解液快速分解出大量成气体，继而内部压力急剧增大，引起电芯爆炸，沸腾的剧毒且易燃易爆电解液快速自燃，迅速造成周边大面积火灾和人员窒息中毒和烧死烧伤现象。有效避免锂电充电自燃引起的火灾和爆炸，导致设备整机烧毁，以及人员在火灾中烧死烧伤和中毒窒息死亡事故的发生。
优点4：避免高频充电器或充电桩在电源线太细太长、充电器数量过多、或者该电源线上还有大功率电焊机正在电焊作业等电压不稳的负脉冲充电环境下，被强行“低频高电压强充”后，锂电鼓包造成电动车充电结束后，行驶没多久就自燃的事故。因为这些鼓包的电池，在车辆行驶震动的情况下，由于摩擦、挤压和大电流放电等因素，加速了鼓包电池的挤压变形，引起了内部隔膜的破损，触发了电芯内部短路，导致了充电结束没多久，刚上路就自燃的现象的发生。
优点5：充电器（充电桩）可以实现电网负脉冲（电压不稳）的智能提醒功能，有效实现电池损坏预警功能，避免安装锂电池的新能源汽车、储能、智能手机、充电宝等产品的损坏，延长设备寿命，保护人员生命安全。
优点6：使用该发明，可以避免同一局域电源网络供电容量太小，而充电车辆太多、充电电流增大的情况时，导致局域电网发生肉眼不可见的严重电压不稳定，在充电桩、充电器的电源进线端，产生明显的负脉冲式电压波动，造成在该局域电网内的充电桩、充电器充电的电动车辆，电池全部提前老化、鼓包、行驶里程大幅跳水，导致局域电网内的充电车辆电池全部报废等隐形故障，甚至大面积火烧连营的多辆车辆自燃现象。
优点7：保护电路无需连接电池的BMS管理系统，连线简单。
优点8：避免电源线太细，接触不良等原因导致的单台新能源汽车充电自燃现象。
优点9：避免储能电站在充电时，突然出现的火灾爆炸现象。
优点10：可以保护所有锂电池、铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、锂硫电池、液流电池、钒电池等多种化学储能电池，避免充电“强充”现象，造成的电池损坏。
优点11：可以广泛应用在电动自行车、新能源汽车、智能手机、移动机器人、无人机、移动电源、充电宝、智能手表、电动工程机械、储能电站等现代化生活的各行各业中，可以说是一种无处不在的科技成果，与每个人都息息相关。