電動(dòng)車(chē)類(lèi)設備在家庭應用中的充電安全

美國的保險商實(shí)驗室（UL）認證在電動(dòng)滑板車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)的充電中變得越來(lái)越重要。政府部門(mén)強調，UL認證的產(chǎn)品對于提高電動(dòng)移動(dòng)設備充電的安全性至關(guān)重要。什么是UL認證？為什么它在創(chuàng )造更安全的用戶(hù)體驗中變得如此關(guān)鍵？

UL認證

保險商實(shí)驗室是美國的一個(gè)獨立組織，負責制定各種產(chǎn)品的安全標準。這些標準涵蓋廣泛的項目，從用于電器接線(xiàn)的原材料，到水處理等過(guò)程，再到節日燈等成品。

UL不是政府機構，也無(wú)權強制任何公司或行業(yè)執行其標準。然而，由于在制定這些標準過(guò)程中涉及的嚴格測試，它們被相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)品視為最佳實(shí)踐。例如，建筑規范中經(jīng)常引用相關(guān)的UL標準。最近，紐約市議會(huì )要求電動(dòng)移動(dòng)設備充電器必須符合UL標準。

如果產(chǎn)品造成傷害，公司可能會(huì )因為損害而被起訴。在訴訟過(guò)程中，公司可以解釋問(wèn)題出在哪里，以及為什么他們認為自己的產(chǎn)品是安全的。通過(guò)制造符合相關(guān)UL標準的產(chǎn)品，公司受益于UL在確定安全操作方面的廣泛測試、研究和驗證經(jīng)驗。如果不符合UL標準，公司只能依賴(lài)自身的研究和測試來(lái)辯護，這可能不如UL認證的全面，并且更容易受到挑戰。

給電動(dòng)移動(dòng)設備充電可能存在一定難度。

在美國，許多電動(dòng)滑板車(chē)租賃公司使用零工工人（即工作時(shí)間靈活的獨立承包商）來(lái)給滑板車(chē)充電。零工工人通過(guò)應用程序找到需要充電的滑板車(chē)，將它們收集起來(lái)，在家中用家庭電源進(jìn)行充電，然后在充電完成后將它們歸還到街頭。

許多電動(dòng)滑板車(chē)設計有可更換的電池組，以便快速返回服務(wù)狀態(tài)。租賃公司為每輛重新充電的滑板車(chē)支付費用。這種模式通常導致多個(gè)滑板車(chē)在同一地點(diǎn)同時(shí)充電，通常是在家庭環(huán)境中。此外，私人滑板車(chē)或電動(dòng)自行車(chē)的擁有者也會(huì )將設備帶入室內，以防止盜竊。即使有離街停車(chē)位，仍可能使用內部電源插座，通常通過(guò)延長(cháng)線(xiàn)連接到外面。

如果線(xiàn)路和斷路器符合標準，并且使用了適當的安全系統，給單輛電動(dòng)自行車(chē)或滑板車(chē)充電通常不會(huì )引發(fā)安全問(wèn)題。電動(dòng)滑板車(chē)設計為從一個(gè)常規的20A插座充電，適用于16A的持續負載。這個(gè)額定值是通過(guò)將持續的16A負載乘以1.25的系數得到的，即20A。符合UL標準的充電器在20A電路上只會(huì )持續消耗16A電流。而不符合UL標準的充電器可能會(huì )消耗更高的電流，當多個(gè)充電器通過(guò)延長(cháng)線(xiàn)同時(shí)連接時(shí)，很容易導致過(guò)載。

過(guò)載的插座會(huì )導致線(xiàn)路損壞并隨著(zhù)時(shí)間的推移而退化。在線(xiàn)纜或接線(xiàn)處可能會(huì )形成高阻節點(diǎn)，增加火災的風(fēng)險。在多戶(hù)住宅中，如果同時(shí)給多輛電動(dòng)滑板車(chē)充電，尤其是由為滑板車(chē)公司充電的人員同時(shí)充電，風(fēng)險會(huì )進(jìn)一步加大。

立法行動(dòng)與消費者安全

在美國，消費者產(chǎn)品安全委員會(huì )（CPSC）現在要求所有零售商、進(jìn)口商和分銷(xiāo)商的電動(dòng)移動(dòng)設備必須符合已制定的UL安全標準，認識到消費者對安全問(wèn)題或解決方案并不熟悉。紐約市議會(huì )也采取了類(lèi)似行動(dòng)，頒布了法律，要求所有電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)和個(gè)人移動(dòng)設備必須由UL或其他國家認可的實(shí)驗室認證。紐約的許多公寓樓，包括公共住房，現在要求租戶(hù)只能使用UL認證的充電器。這些立法行動(dòng)促使電動(dòng)移動(dòng)設備制造商通過(guò)在廣告和網(wǎng)站上顯著(zhù)展示其UL認證來(lái)教育消費者關(guān)于UL安全標準。

電池過(guò)載是電動(dòng)汽車(chē)（BEV）應用中火災的主要原因。根據2024年5月的UL標準和參與報告，大約50%的電動(dòng)移動(dòng)設備擁有者不知道他們的電池是鋰離子電池。盡管鋰離子電池已經(jīng)存在了30年，科學(xué)和工程界對其行為有很深的了解，但公眾對于如何安全使用它們的知識較少。這種知識的缺乏導致了增加火災風(fēng)險的行為。該報告還指出，49%的電動(dòng)移動(dòng)設備擁有者在其家中以阻擋火災出口的方式充電。用戶(hù)還習慣于在電池完全充電后仍將其留在充電器上，將多個(gè)充電器放在一起充電，通宵充電，或在充電時(shí)無(wú)人看管，所有這些行為都增加了電池火災的風(fēng)險。

UL標準幫助創(chuàng )造安全環(huán)境。

UL有80多項標準涉及鋰離子電池的安全性，其中三項直接與電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)移動(dòng)設備中的鋰離子電池有關(guān)：UL2271、UL2272和UL2849。這些標準通過(guò)為一系列關(guān)鍵功能和操作條件制定規則，幫助降低熱過(guò)載引起火災的風(fēng)險。

• UL2271：該標準為輕型電動(dòng)車(chē)輛（LEV）的電池組設計、結構和測試設定了要求。它涵蓋了電氣、機械和環(huán)境測試，以確保電池能夠承受過(guò)充電、過(guò)放電、短路、充電不平衡以及在規定的最高溫度下安全操作。電池在測試后不得爆炸、起火、破 裂、產(chǎn)生電擊危險或失去任何保護功能。保護電路必須具有冗余功能，即使在電源中斷的情況下也能繼續工作。該標準適用于售后電池以及最初安裝在LEV中的電池。

• UL2272：該標準專(zhuān)注于個(gè)人電動(dòng)移動(dòng)設備電氣系統的整體安全性。它為設備作為一個(gè)整體的設計、結構和測試設定了標準，并對設備進(jìn)行了針對電氣和火災危險的安全性、耐用性和穩定性的測試。電氣測試類(lèi)似于UL2271中的測試，但應用于整個(gè)系統，而不僅僅是電池。

• UL2849：該標準專(zhuān)門(mén)針對電動(dòng)自行車(chē)的電氣系統。它涵蓋了電池組和整個(gè)系統，解決了其他電動(dòng)移動(dòng)設備中遇到的同類(lèi)安全問(wèn)題。該標準不涵蓋售后組件，因此UL2271對于確保消費者安全同樣重要。

UL 2849不僅關(guān)注電池：該標準從整體電氣系統的角度出發(fā)，確保安全：

電池單元

• 電氣或環(huán)境易感性

• 機械完整性

電池組

• 防止火災蔓延

• 電池管理系統功能安全性

電動(dòng)機

• 材料和電氣安全性

• 控制系統功能安全性

電池充電器

• 無(wú)電擊或火災危險

• 兼容家庭電源要求

電動(dòng)自行車(chē)

• 在電池限值范圍內充放電

• 溫度在電池限值范圍內

• 易受應用和環(huán)境不利條件的影響

• 當主機或充電器出現錯誤時(shí)中斷充電

Power Integrations支持符合UL充電標準的設計。

Power Integrations提供了一系列適合電動(dòng)滑板車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)充電的高集成、高壓離線(xiàn)電源轉換IC。設計示例DER930 是一個(gè)180W、20V、9A的電源，它使用了Power Integrations的三款產(chǎn)品：InnoSwitch?4-CZ PowiGaN? INN4177-H189、ClampZero? CPZ1076M和HiperPFS?-5 PFS5177F。

該設計在滿(mǎn)載時(shí)的效率高達95%，減少了作為熱量損失的功率損失，使解決方案更涼爽、更緊湊，這是電動(dòng)移動(dòng)解決方案的關(guān)鍵特性。安全功能包括過(guò)壓保護、過(guò)流保護和集成的熱保護。這些功能對于滿(mǎn)足電動(dòng)移動(dòng)設計的UL標準至關(guān)重要。

圖1 – DER-930原理圖，反激部分

過(guò)溫保護

熱保護使充電器能夠檢測到溫度上升并采取措施防止熱事件（如火災）。熱關(guān)斷電路會(huì )感應主開(kāi)關(guān)的芯片溫度，當檢測到過(guò)溫狀態(tài)時(shí)中斷開(kāi)關(guān)操作。較大的熱滯后保證了充電器在重新啟用開(kāi)關(guān)之前恢復到安全溫度?？梢赃x擇不同的溫度響應，包括滯回恢復或鎖存關(guān)閉（需要手動(dòng)循環(huán)AC電源）。滯回響應防止開(kāi)關(guān)在溫度下降到第二個(gè)較低閾值之前重新啟動(dòng)。鎖存關(guān)閉響應要求將BP控制引腳電壓降低到另一個(gè)閾值以下，這可以通過(guò)循環(huán)AC電源來(lái)實(shí)現。

過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護

輸出電壓保護利用主變壓器上的偏置繞組將電流驅動(dòng)到InnoSwitch4-CZ IC的主旁路引腳。偏置繞組輸出電壓跟蹤電源輸出電壓。連接在偏置繞組輸出和主旁路引腳之間的齊納二極管可以可靠地檢測到次級過(guò)壓故障，并根據所選的故障響應類(lèi)型使主控制器鎖存關(guān)閉或進(jìn)入自動(dòng)重啟。

InnoSwitch4-CZ通過(guò)位于ISENSE（IS）引腳和次級接地（GND）引腳之間的外部電流檢測電阻來(lái)調節輸出電流，其中電阻兩端產(chǎn)生的電壓與內部參考ISV（TH）（約35mV）進(jìn)行比較。

過(guò)壓和過(guò)流保護使充電器能夠安全地管理超出期望范圍的操作條件，從而保護電池和電源轉換階段。通過(guò)在其設備中包含這些安全功能，Power Integrations幫助設計人員快速創(chuàng )建穩健和安全的解決方案，縮短上市時(shí)間，并簡(jiǎn)化符合UL安全標準的任務(wù)。

結論

由獨立公司如UL創(chuàng )建的安全標準是創(chuàng )建安全可靠產(chǎn)品的關(guān)鍵工具。這些標準不僅保護消費者，還支持制造商建立強大的市場(chǎng)聲譽(yù)，提高整個(gè)市場(chǎng)的水平。像Power Integrations這樣的公司，設計具有集成安全功能的解決方案，幫助支持設計社區推動(dòng)設計進(jìn)步，滿(mǎn)足不斷發(fā)展的市場(chǎng)需求，并最終確保消費者的安全。