快速充电爆炸隐患探究
摘要: 简述快速充电在生活中的应用及发展趋势，对快速充电原理进行简要分析，就快速充电过程中存在的爆炸隐患进行简单叙述，简单介绍快速充电爆炸的预防方法，及对快速充电的前景进行展望。
关键词：快速充电爆炸预防充电桩
0绪论
快速充电技术是指在较短时间内使蓄电池达到或接近完全充电状态的一种充电方法。其应用范围已经广泛至人们日常使用的手机、电动汽车之中，在短时间、大功率充电给人们带来便捷的同时，它也存在着爆炸着火隐患。就前期闹得沸沸扬扬的三星NOTE 7爆炸事件而言，有学者推断是快速充电使电池处于不稳定状态最终导致爆炸；无独有偶，2016年11月份，一辆特斯拉汽车在驾驶过程中突然发生自爆，要论起其发生的表面原因，自然是电池的问题，但众所周知，特斯拉为方便快速充电与充电桩的使用，将内部的电池组由近7000节18650锂电池组成，也就是说其根本原因还是快速充电技术不成熟，致使电池的使用没有预想中的那么安全。因此，探究快速充电的安全性显得十分必要，随着快速充电技术的完善，其安全性必然是日益提高，在本文中只针对现阶段技术的发展做出浅显的安全分析，由于搜集到的资料较为有限，文中如有错误观点还望老师批评指正。
1快速充电在生活中的应用及发展趋势
当第二次工业革命后，电能取代了蒸汽动力，电池应运而生，有电池的地方必然离不开充电，而充电时间的快慢就成为了当前电池使用的热点。所谓快速充电技术就是在电池性能保持不变的情况下，保持充电端的输出电压不变，加大输出电流，这样一来充电器的功率就会上升，功率上升后，在电池可承受的情况下，电能储蓄的时间就会减少，从而达到缩短充电时间的特点。
快速充电在日常生活中被广泛应用，在未来也会涉及至更多领域范围内，就拿我们每个人都有的手机为例，手机充电是我们每个人不可避免的问题，无论是“上古时代”的大哥大又或者是现在各种智能手机都离不开充电这个永恒的话题。
就目前手机的发展速度来看，功能趋于复杂化，电池容量也在相应不断增加，如果不是快速充电技术，手机的功能将会受到极大的限制，现在常听广告中说到的“充电5分钟，通话2小时”也正是这个道理；还有一个领域也在广泛地应用快速充电这个技术，那就是电动汽车与充电桩技术领域，最典型的代表就是特斯拉，特斯拉联联合创始人是JB Strubal，信心满满地说，未来会把特斯拉充电时间减少到5-10分钟（特斯拉Model S的续航超过400公里），也就是说，汽车充电的时间比加油还短，续航能力也可以媲美烧油的汽车，不过特斯拉面临的最大挑战还是快速充电情况下电池的温升问题，因此他们不断改进自己的充电、发明各式各样的冷却系统的专利，为的就是保持快速充电的安全性，特斯拉的例子比较典型，稍后还会具体分析其快速充电的方式以及危险所在和所需要克服的问题。
与电动汽车快速充电一起应运而生的还有充电桩，充电桩其功能类似于加油站里面的加油机，可以固定在地面或墙壁，安装于公共建筑（公共楼宇、商场、公共停车场等）和居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。充电桩一般提供常规充电和快速充电两种充电方式，人们可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用，进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作，充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。充电桩是一门新兴产业，我相信他未来的发展一定是趋于安全度高的快速充电系统。
2快速充电原理
2.1锂离子电池工作原理
这里简单拿锂离子电池进行举例，锂离子电池主要由两个电极、电解质、多孔隔板组成。正极活性物质锂离子是由含锂的过渡金属氧化物如 LiCo O2、LiNi O2、 LiM n2O4提供的。负极产生锂离子的可嵌入物为焦炭、石墨、无定形碳等。电解质为溶解了锂盐的有机溶剂，锂盐有LiP F6、 LiAs F6、 LiCl O4等，有机溶剂主要有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和氯碳酸酯等。隔板是多孔、电子绝缘的，是允许离子通过的两极间的物理屏障。
锂离子电池中采用的隔板材料为聚乙烯或聚丙烯。锂离子电池在充放电过程中遵从“摇椅”原则.[1]，充
电时，Li+离开正极的层状结构，在外电压的作用起亚k2三厢报价
下，通过电解质、多孔隔板，迁移到层状结构的负极；在外电路等量的电子从正极流向负极。放电时，Li+离开负极的层状结构，通过多孔隔板，迁移到层状结构的正极，外电路电子流动形成电流，实现化学能向电能的转换。相信这些都是高中化学的知识，比较容易搞懂。
2.2快速充电原理
科学家 J.A.Mas 提出了3 个定律.[2]，这 3 个定律可以延长电池的使用寿命，避免电池析气，防止放出过多的热量对电池的损坏。
苏州车网第一定律：对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比与电池放出容量的平方根成反比。
第二定律：对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比α与放电电流Id 的对数成正比。
第三定律：蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流 I（接受能力）是各个放电率下允许充电电流的总和。
上述3个基本定律是快速充电重要的理论基础，揭示了蓄电池可接受充电电流与放电量之间的内在联系，指出了在充电过程中对进行一定深度的放电是提高充电电流接受比，加快充电进程的有效途径。
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再拿锂电池进行举例，锂电池的充电分为三个阶段，分别是恒流预充电、大电流恒流充电与恒压充电。下图.[3]是手机电池充电过程中的电压、电流随时间的变化（上方平线为电压，下方呈曲线变化的为电流）
图1 充电过程中电压、电流随时间变化曲线
上图中横坐标为时间，纵坐标为锂电池电压。由于锂电池的特殊性，过压或者欠压都会导致电池报废，所以现在的锂电池充放电保护电路原理就是测量锂电池电压，再根据电压判断锂电池是否处于正常状态（非过压、非欠压）。
当电压低于3.0V时，充电器会采用100mA电流对锂电池进行预充电，就是上图C C Pre-charge阶段，
洛阳车管所中文名字叫恒流预冲电阶段，目的是慢慢恢复过放电的锂电池，是一种保护措施来的。合格的充电器都会有这个充电阶段。
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然后与问题有关的就来了。当锂电池电压高于3.0V时，就进入到第二阶段，大电流恒流充电阶段（C C Fast charge）。由于锂电池经过第一阶段的预充，其状态已经比较稳定了（预充阶段的作用可以这样理解，但并不严谨）。所以在第二阶段，充电电流就可以适当提高，根据不同的电池来说，这个电流的大小可以从0.1C到几C不等，其中C是指电池容量，如2600mAh的锂电池，0.1C就是指260mA大小的电流。在这一个充电阶段中，国家建议的标准充电是用0.1C电流进行充电的，这个就是标准充电。不过标准充电这个标准由于提出的时间很早，十几年前的就提出来。那时候因为锂电池技术远远不如现在稳定（不允许大电流充电），所以才会有这样一个标准，采用标准充电的唯一好处就是充电过程稳定，发生爆炸之类的几率非常小；缺点就是费时间。而快速充电，就是指在这个阶段用大于0.1C的电流进行充电。如果锂电池容量为2600mAh，那么标准充电的电流为260mA，只要充电电流大于260mA，就可以定义为快速充电了。
不过就从目前的锂电池水平与充放电管理芯片的水平来说，用1C的电流充电都没问题。所以快速充电也没有想象中的那么危险。一般快速充电的充电电流为0.2～0.8C，所以快速充电还是安全的。不过如果想要获得更快的充电速度，势必会涉及到探究最大充电电流的问题，一旦触及底线就会引发安全方面的问题。由于近几年来的提升，现在的充电器基本上都是快充类型的。
而锂电池充电的最后一个阶段为恒压充电阶段，这个阶段就是检测到锂电池电压等于4.2V时，充电器则进入恒压充电模式，这个阶段充电电压恒定为4.2V，充电电流则越来越小（慢慢充满了，电流肯定变小）。当充电电流小于100mA时，就判断电池充满，切断充电电路。这一阶段的特性，也可以解释为什么手机指示充满电后，拔出USB线再插进去，手机又显示继续充电。另外，需要说一下的是：以上的充电是针对于单节锂电池的最理想充电过程，目前的合格锂电池充放电保
护板都是这样子工作的。
2.3电池组均衡充电
哈弗h7报价上述讲的都是手机快速充电中的内容，若涉及到电动汽车，就会涉及到电池组的充电方式，这里又有另外的一个大问题了，就是电池均衡问题.[4]电动汽车用锂离子电池组通过多节锂离子电池串联以获得高输出电压。
由于各单体电池在生产制造和使用过程中电池特性必然存在差异，造成这种差异的原因有：在生产过程中，由于加工工艺等原因，同批次电池的容量和内阻都可能存在差异；使用过程中由于温度等差异造成电池使用不平衡；不同电池之间的放电情况存在差异，长时间累积，造成电池状态的不平衡。长期使用必将导致各电池的容量、内阻、端电压等参数不均衡，从而影响整个电池组的实际容量，缩短寿命，造成浪费，增大成本。和其他电池相比，锂离子电池几乎没有耐过充的能力，在电池荷电状态
已满时，若继续充电，电池的电压将继续升高。电压过高会造成锂离子在负极积累，解析出金属锂，使电池的蓄电能力丧失，而且这一过程是不可逆的，同时，电解液发生电解，析出氢气和氧气，伴随着大量热量的产生，电池温度逐渐升高，氢气和氧气有可能发生爆炸。因此，锂电池切不可过充电，否则会给电池造成致命的损坏或造成安全事故。实验数据证明，过充电将严重减少电池的充电循环次数。
因此，在对串联电池组进行充电时，不能通过过充的方式使各单体电池达到性能均衡。若以容量大的电池充满为依据，必然导致容量小的电池过充电，损害电池；若以容量小的电池充满为依据，必然导致容量大的电池欠充电，这两种方式都不能达到均衡状态。同样在放电过程中，若以容量大电池放电结束为依据，必然导致容量小的电池过放，若以容量小的电池放电结束为依据，容量大的电池的电量还将剩余大部分电量，不能得到充分利用。电动汽车电池组需要频繁的充放电，随着充放电次数的增多，将形成恶性循环，各电池的不均衡将加剧，造成整个电池组性能明显恶化。为对以上问题，就要在充电过程中，通过某种方法，使充电完成时电池组的所有电池都能充满电，达到均衡状态，实现均衡控制。2.4本章小结
快速冲电其最根本的原理就是提高输入功率，要么提高电压，要么提高电流。由马斯三定律我们可以得出不同类型蓄电池的充电电流的范围，根据这个范围我
们可以调节在电池稳定性良好情况下的最大充电电流。由手机锂电池的充电曲线可以看出，手机的快速充电就是指在充电的第二阶段大电流恒流充电过程中用大于0.1C（国家标准）的电流进行充电，一般采用0.2～0.8C，其中1C代表一个1个电池容量，如10000mAh，0.1C就代表1000mA。本章还涉及到对于电池组快速充电的均衡充电问题，其实这不光是电池组的快速充电问题，也是他自身的充电问题，可以很好地解释为什么电动车的电池用着用着就鼓起来了，待不住电。其本质是因为不同电池之间的放电情况存在差异，长时间累积，造成电池状态的不平衡，电解液发生电解，析出氢气和氧气，伴随着大量热量的产生，电池温度逐渐升高，氢气和氧气有可能发生爆炸。本章主要从这三个方面来描述电池的快速充电原理。
3快速充电过程中存在的爆炸隐患
本章节是文章的核心，由于在此领域的研究较少，因此在写本章节时主要是针对上一章节中快速充电原理中的具体过程，展开相应的分析，提出一些假设，故上一章节篇幅较长，在本章节中如有不对之处，希望老师批评指正。
3.1快速充电导致电池爆炸的因素
电压。一方面 ，在充电过程中要严格控制电池电压不能超过充电限制电压，超过充电限制电压称为过充，轻微过充多次会导致电池容量减小，电池发生变形，过充严重时会直接导致电池发生爆炸。另一
方面，在充电结束后，应使电池电压尽量接近满充电压，否则会导致电池容量大大降低。
电流。锂离子电池可接受的充电电流是有限的，若充电电流高于这个上限值，会造成电池中电解液发生析气反应，大量发热，使电池温度急剧上升。
温度。锂离子电池温度过高，会导致电池内部发生一系列反应，电池可能爆炸，因此在充电过程中，要及时监测电池温度情况并对其加以控制。
3.2手机快速充电存在的隐患
由上文可以得知，手机充电分为三个阶段，快速充电往往针对第二阶段大电流恒流充电，用高于往常的电流进行充电。这里面有两个核心要点：一是分段充电电流控制，另外一个是充电线缆和电池的多线路设置。针对这两个核心，我们可以得出快速充电的两个前提：一是分段电流控制技术，二是电池多线路设置的技术。这两个技术有其中一个发生了问题，都会使电池充电过程中发生极化、温