电动车类设备在家庭应用中的充电安全

美国的保险商实验室（UL）认证在电动滑板车和电动自行车的充电中变得越来越重要。政府部门强调，UL认证的产品对于提高电动移动设备充电的安全性至关重要。什么是UL认证？为什么它在创造更安全的用户体验中变得如此关键？

UL认证

保险商实验室是美国的一个独立组织，负责制定各种产品的安全标准。这些标准涵盖广泛的项目，从用于电器接线的原材料，到水处理等过程，再到节日灯等成品。

UL不是政府机构，也无权强制任何公司或行业执行其标准。然而，由于在制定这些标准过程中涉及的严格测试，它们被相关行业和产品视为最佳实践。例如，建筑规范中经常引用相关的UL标准。最近，纽约市议会要求电动移动设备充电器必须符合UL标准。

如果产品造成伤害，公司可能会因为损害而被起诉。在诉讼过程中，公司可以解释问题出在哪里，以及为什么他们认为自己的产品是安全的。通过制造符合相关UL标准的产品，公司受益于UL在确定安全操作方面的广泛测试、研究和验证经验。如果不符合UL标准，公司只能依赖自身的研究和测试来辩护，这可能不如UL认证的全面，并且更容易受到挑战。

给电动移动设备充电可能存在一定难度。

在美国，许多电动滑板车租赁公司使用零工工人（即工作时间灵活的独立承包商）来给滑板车充电。零工工人通过应用程序找到需要充电的滑板车，将它们收集起来，在家中用家庭电源进行充电，然后在充电完成后将它们归还到街头。

许多电动滑板车设计有可更换的电池组，以便快速返回服务状态。租赁公司为每辆重新充电的滑板车支付费用。这种模式通常导致多个滑板车在同一地点同时充电，通常是在家庭环境中。此外，私人滑板车或电动自行车的拥有者也会将设备带入室内，以防止盗窃。即使有离街停车位，仍可能使用内部电源插座，通常通过延长线连接到外面。

如果线路和断路器符合标准，并且使用了适当的安全系统，给单辆电动自行车或滑板车充电通常不会引发安全问题。电动滑板车设计为从一个常规的20A插座充电，适用于16A的持续负载。这个额定值是通过将持续的16A负载乘以1.25的系数得到的，即20A。符合UL标准的充电器在20A电路上只会持续消耗16A电流。而不符合UL标准的充电器可能会消耗更高的电流，当多个充电器通过延长线同时连接时，很容易导致过载。

过载的插座会导致线路损坏并随着时间的推移而退化。在线缆或接线处可能会形成高阻节点，增加火灾的风险。在多户住宅中，如果同时给多辆电动滑板车充电，尤其是由为滑板车公司充电的人员同时充电，风险会进一步加大。

立法行动与消费者安全

在美国，消费者产品安全委员会（CPSC）现在要求所有零售商、进口商和分销商的电动移动设备必须符合已制定的UL安全标准，认识到消费者对安全问题或解决方案并不熟悉。纽约市议会也采取了类似行动，颁布了法律，要求所有电动自行车、电动滑板车和个人移动设备必须由UL或其他国家认可的实验室认证。纽约的许多公寓楼，包括公共住房，现在要求租户只能使用UL认证的充电器。这些立法行动促使电动移动设备制造商通过在广告和网站上显著展示其UL认证来教育消费者关于UL安全标准。

电池过载是电动汽车（BEV）应用中火灾的主要原因。根据2024年5月的UL标准和参与报告，大约50%的电动移动设备拥有者不知道他们的电池是锂离子电池。尽管锂离子电池已经存在了30年，科学和工程界对其行为有很深的了解，但公众对于如何安全使用它们的知识较少。这种知识的缺乏导致了增加火灾风险的行为。该报告还指出，49%的电动移动设备拥有者在其家中以阻挡火灾出口的方式充电。用户还习惯于在电池完全充电后仍将其留在充电器上，将多个充电器放在一起充电，通宵充电，或在充电时无人看管，所有这些行为都增加了电池火灾的风险。

UL标准帮助创造安全环境。

UL有80多项标准涉及锂离子电池的安全性，其中三项直接与电动自行车和电动移动设备中的锂离子电池有关：UL2271、UL2272和UL2849。这些标准通过为一系列关键功能和操作条件制定规则，帮助降低热过载引起火灾的风险。

• UL2271：该标准为轻型电动车辆（LEV）的电池组设计、结构和测试设定了要求。它涵盖了电气、机械和环境测试，以确保电池能够承受过充电、过放电、短路、充电不平衡以及在规定的最高温度下安全操作。电池在测试后不得爆炸、起火、破 裂、产生电击危险或失去任何保护功能。保护电路必须具有冗余功能，即使在电源中断的情况下也能继续工作。该标准适用于售后电池以及最初安装在LEV中的电池。

• UL2272：该标准专注于个人电动移动设备电气系统的整体安全性。它为设备作为一个整体的设计、结构和测试设定了标准，并对设备进行了针对电气和火灾危险的安全性、耐用性和稳定性的测试。电气测试类似于UL2271中的测试，但应用于整个系统，而不仅仅是电池。

• UL2849：该标准专门针对电动自行车的电气系统。它涵盖了电池组和整个系统，解决了其他电动移动设备中遇到的同类安全问题。该标准不涵盖售后组件，因此UL2271对于确保消费者安全同样重要。

UL 2849不仅关注电池：该标准从整体电气系统的角度出发，确保安全：

电池单元

• 电气或环境易感性
• 机械完整性

电池组

• 防止火灾蔓延
• 电池管理系统功能安全性

电动机

• 材料和电气安全性
• 控制系统功能安全性

电池充电器

• 无电击或火灾危险
• 兼容家庭电源要求

电动自行车

• 在电池限值范围内充放电
• 温度在电池限值范围内
• 易受应用和环境不利条件的影响
• 当主机或充电器出现错误时中断充电

Power Integrations支持符合UL充电标准的设计。

Power Integrations提供了一系列适合电动滑板车和电动自行车充电的高集成、高压离线电源转换IC。设计示例DER930 是一个180W、20V、9A的电源，它使用了Power Integrations的三款产品：InnoSwitch™4-CZ PowiGaN™ INN4177-H189、ClampZero™ CPZ1076M和HiperPFS™-5 PFS5177F。

该设计在满载时的效率高达95%，减少了作为热量损失的功率损失，使解决方案更凉爽、更紧凑，这是电动移动解决方案的关键特性。安全功能包括过压保护、过流保护和集成的热保护。这些功能对于满足电动移动设计的UL标准至关重要。

过温保护

热保护使充电器能够检测到温度上升并采取措施防止热事件（如火灾）。热关断电路会感应主开关的芯片温度，当检测到过温状态时中断开关操作。较大的热滞后保证了充电器在重新启用开关之前恢复到安全温度。可以选择不同的温度响应，包括滞回恢复或锁存关闭（需要手动循环AC电源）。滞回响应防止开关在温度下降到第二个较低阈值之前重新启动。锁存关闭响应要求将BP控制引脚电压降低到另一个阈值以下，这可以通过循环AC电源来实现。

过压、欠压和过流保护

输出电压保护利用主变压器上的偏置绕组将电流驱动到InnoSwitch4-CZ IC的主旁路引脚。偏置绕组输出电压跟踪电源输出电压。连接在偏置绕组输出和主旁路引脚之间的齐纳二极管可以可靠地检测到次级过压故障，并根据所选的故障响应类型使主控制器锁存关闭或进入自动重启。

InnoSwitch4-CZ通过位于ISENSE（IS）引脚和次级接地（GND）引脚之间的外部电流检测电阻来调节输出电流，其中电阻两端产生的电压与内部参考ISV（TH）（约35mV）进行比较。

过压和过流保护使充电器能够安全地管理超出期望范围的操作条件，从而保护电池和电源转换阶段。通过在其设备中包含这些安全功能，Power Integrations帮助设计人员快速创建稳健和安全的解决方案，缩短上市时间，并简化符合UL安全标准的任务。

结论

由独立公司如UL创建的安全标准是创建安全可靠产品的关键工具。这些标准不仅保护消费者，还支持制造商建立强大的市场声誉，提高整个市场的水平。像Power Integrations这样的公司，设计具有集成安全功能的解决方案，帮助支持设计社区推动设计进步，满足不断发展的市场需求，并最终确保消费者的安全。