移动电源:严防电源起火 专利保驾护航

2018/3/15 10:29:16 中国知识产权报

近日,据相关媒体报道,一架从广州飞往上海的航班上,一位旅客携带的行李在机仓内冒烟并出现明火,所幸机组人员处置及时并未造成人员伤亡。目前,根据官方公布的消息,事发原因为旅客所携带的移动电源冒烟起火所至。然而,事发时移动电源并未在使用状态,对此人们不禁产生疑问,未使用的移动电源起火的原因究竟是什么?本文中,作者将从专利的角度带大家一探究竟。

众所周知,移动电源(Mobile Power),又名充电宝、旅行充电器,是一种集供电和充电功能于一体的便携式充电器,可以为手机、平板电脑等移动终端设备随时随地进行充电。从其内部结构来看,移动电源一般包括锂离子电池、保护电路、外壳、充电接口电路等多个部件。

寻找安全隐患缘由

根据此次事件的相关调查显示,移动电源冒烟起火的主要原因是由其内部锂离子电池自燃引起的。同时,移动电源冒烟起火还与其内部保护电路、外部环境及外壳阻燃材料密切相关。对此,笔者将通过以下几个方面作进一步分析。

通常情况下,根据电池所使用的电解质材料不同,可将锂离子电池分为液态锂离子电池(下称液态电池)和聚合物锂离子电池(下称聚合物电池)两大类。由于聚合物电池使用的是胶态电解质,不会因为液体沸腾产生大量气体,从而杜绝了电池内部爆炸的可能,因此相比液态电池更不易自燃。笔者在中国专利文摘数据库(CNABS)中经检索发现,截至2018年2月28日,移动电源领域中涉及锂离子电池的专利申请约1000余件,其中涉及聚合物电池及其改进的专利申请约250余件,涉及液态电池及其改进的专利申请约130余件。可见,越来越多的专利申请人倾向于采用更加安全的电解质材料电池对其进行持续改进。同时,从目前市场中售卖的移动电源种类可以看出,大多数厂商也更倾向于售卖安全性能较高的使用聚合物电池的相关移动电源,例如,在京东网出售的移动电源中,采用聚合物电池类移动电源为701个,而采用液态电池制造的移动电源仅为195个。

与此同时,在对移动电源的锂离子电池进行充放电时,若出现电压或电流的非正常变化,容易引起锂离子电池的损伤,甚至发生起火爆炸。所以,移动电源中通常会设置保护电路,以防止锂离子电池充放电过程中出现非正常情况,造成电池损伤及人员伤亡。笔者在中国专利文摘数据库中检索发现,目前涉及移动电源领域中保护电路及其改进的专利申请约500余件,其保护电路及改进方式主要集中在过电压保护、过电流保护和短路保护三个方面。其中涉及过电压保护的专利申请约70余件,过电流保护的专利申请约140余件,短路保护的专利申请约90余件。由此可见,专利申请人对于设置保护电路,提升保护电路的保护能力比较重视。

移动电源外部环境的异常变化也是引起电源起火爆炸的原因之一。例如,移动电源突然受到外界环境的冲击、挤压时,其外壳和内部电池都会受到一定强度的冲击。当冲击力较大时,不仅容易使电池的外壳损坏,同时还可能导致其内部破损。若此时采用的是液态电池,则其中的液态电解质将与空气或水发生化学反应,产生大量气体和热量,可能会起火爆炸。笔者在中国专利文摘数据库中,对移动电源领域中涉及到的电池抗冲击及其改进性能等进行检索发现,这一领域的专利申请数量相对较少,仅为49件。其中,该领域的专利申请主要涉及采用高强度外壳材料或内部设置减震装置等,进而对移动电源内部的锂离子电池进行保护,以提高移动电源的抗冲击能力。

此外,移动电源外壳的阻燃性也是影响其安全性的重要因素。电池外壳具备良好的阻燃性,能够有效防止起火。在电池或其他部件起火燃烧时,移动电源的外壳因具有阻燃性而不会轻易燃烧,且在火源熄灭后,能够在较短时间内自动熄灭。笔者在中国专利文摘数据库中仅找到较为少量的涉及移动电源领域中阻燃材料的专利申请,且这些专利申请也只简单提到使用阻燃外壳材料等相关内容。

在广东省质量技术监督局官网公布的2017年广东省移动电源产品质量专项监督抽查结果中,不合格产品的发现率为36.3%,且产品不合格的主要原因集中在电池重物冲击和阻燃要求上。因此,结合目前的专利申请现状,笔者认为若能在移动电源领域中对电池抗冲击力和外壳阻燃材料作进一步研究和突破,将能为提高移动电源的安全性带来实质性帮助。

探寻危险解决路径

在2015年8月1日国家正式实施的《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》的强制标准中,对包括移动电源在内的便携式电子产品中的电池进行了强制性规定,包括:规定了电池的用电安全,电池组带电安全、环境安全、保护电路安全,以及系统保护电路安全等几个方面。在中国专利文摘数据库中,笔者还检索到移动电源领域中与电池测试相关的专利申请共38件。同时,在中国民用航空局于2014年8月7日发布的关于民航旅客携带“充电宝”乘机规定的公告中,根据国际民航组织发布的《危险物品安全航空运输技术细则》《中国民用航空危险品运输管理规定》,对旅客携带移动电源乘机进行了详细的规定。对于严格执行民航局携带满足国家强制安全标准移动电源的旅客们来说,这些政策将为其飞行安全提供保障。

当然,飞行中最能够避免移动电源自燃的方案之一,就是尽量不使用移动电源。目前,市面上比较具有代表性的两种无线充电方案分别是:电磁感应式无线充电和电磁共振式无线充电。其中,基于电磁感应原理的第一代无线充电方案,较为明显的优势就在于:技术方案相对成熟,应用的手机终端产品相对较多。但其劣势在于:无线充电的发射端和接收端之间距离必须很近,功率也必须相匹配,且只能进行一对一充电。而基于电磁共振原理的第二代无线充电方案,在充电距离和功率匹配上都有了较大提升,最明显的就是充电距离可达到45mm以上,且可同时匹配不同功率的设备,并实现一对多充电。但缺点是成本较高,且在给多个设备充电时功率不能满足要求。

尽管这两种无线充电方案都各有不足,但无线充电依然是移动终端领域未来发展的一个大趋势。可以想象,未来在飞机等公共交通工具内,无线充电设备置于飞机的座椅扶手或者座椅靠背附近,乘客只需把手机放在无线充电设备的有效充电范围内,即可实现对手机的自动充电,从而从根本上杜绝移动电源的自燃问题。

值得注意的是,在无线充电领域,全球已开展了相关的专利布局。笔者检索发现,在中国专利文摘数据库中,无线充电领域中约有4700余件专利申请。其中,高通、三星、英特尔的专利申请量分别占据前3位,国家电网、比亚迪、上海斐讯、鸿海精密、中兴通讯、LG等企业的专利申请量也较多,分列第4至9位。

综上所述,无线充电领域中各大科技公司的研发投入较高,竞争也十分激烈。笔者相信,在不久的将来,无线充电技术一定会得到更快速的发展,进而替代移动电源,成为手机等终端设备临时性充电的最优选择。