實驗室安全防護措施解析——以電驅動汽車動力鋰離子電池的實驗室試驗為例

文/常薇芬 韋 莉 盧兆明

《檢測實驗室安全》系列推薦性國家標準已進入公示征求意見階段，分為總則、電氣、機械、非電離輻射及化學因素5個部分。此系列標準是在GB/T 27025－2008《檢測和校準實驗室能力的通用要求》的基礎上，針對實驗室安全的管理規范。它要求在制訂實驗室操作規范（實施細則）時，必須對受試樣品的結構、工作原理、失效模式、潛在的危險形式和烈度等有相當的了解和適當的估計，并提出必要可行的防護措施。我們以電驅動汽車動力鋰離子電池環境試驗和性能試驗為例，從實驗室試驗安全要素對樣品的工作原理、結構、失效原因和潛在危險因素展開分析，提出實驗室安全防護的管理要點和具體防護措施。

一、鋰離子電池安全要素分析

1.電池芯的結構

以磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池為例，當電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名。電驅動汽車動力鋰離子電池組或電池系統是通過上百個電池芯單體（cell）級聯成組，集成系統后裝車使用的。

圖1 鋰離子動力電池芯結構示意圖

2.鋰離子電池組和電池系統的結構

電池組是一個可以裝車使用的能量儲存裝置，包括電池芯或電池芯組、配屬電子單元。當電池控制單元（BCU）內置時，被稱為電池系統。所有元件應布置在能抵御撞擊的特制容器內（見圖2）。

圖2 模擬實車動力鋰電池芯彈體撞擊試驗樣品

3.危險產生部件和原因

不管樣品是電池芯、電池組還是電池系統，無論誘發因素是什么，在裝車使用或在實驗室試驗過程中可能的危險狀態都在電池芯環節引發。IEC 62660電氣公路用車的驅動用輔助鋰電池系列標準中給出了“無結果、變形、溢出、泄漏、冒煙、破裂、著火和爆炸”8種電池芯實驗結果的規范化結論描述。前幾種狀態暫且不至于存在危險，而著火、爆炸應加以防護。

①危險源分析

a)電池芯危險產生的主因

·短路

外部短路是指電池極間的短路，主要是外結構上的故障或損壞造成短路，一般為機械或物理原因所導致。實驗室正常采用5 mΩ～100 mΩ級的短路試驗電阻進行限定時長的外部短路試驗，有些試驗則無限延長時長直至反應結束，其在實驗室的反應劇烈程度是可以想象的。

內部短路是指除電池體內的電極端（片）間的物理短路外，鋰離子電池還會因厚度僅有30 μm的聚合物隔膜破裂導致短路。在實驗室條件下，通常會在各種過載試驗、環境試驗或壽命循環試驗過程中產生內部短路狀況。

每種類型的隔膜都有各自的“融破溫度”，過熱同樣會導致隔膜破損，造成內部短路；另外由于隔膜原材料的瑕疵，或在生產過程中造成微小的隔膜損傷，都可以在微小的短路條件下，使動力鋰離子電池產生局部的溫升，而且這種微小的短路會在使用或試驗加載過程中逐漸擴大，進而形成內部短路。

·過負載

過電流主要發生在加速和爬坡過程中的過流試驗，實驗室常用1℃～20℃或更大的電流過流載荷模擬電驅動車輛。

過電壓：剎車制動與逆變反充，以及在不完善或不匹配的條件下充電，可能會使電池長時間地處于過電壓的條件之下。在實驗室模擬過流載荷和過壓載荷等過載試驗中都將使動力鋰電池芯升溫，從而導致樣品損傷。

過充電：電池充電屬吸熱反應，放電為放熱反應，兩者都包含內阻熱耗。充電初期，極化電阻最小，吸熱反應處于主導地位，電池溫升可能出現負值；充電后期，阻抗增大，釋熱多于吸熱，溫升增加。在恒流充電階段末期一般都會發生不同程度的過充，溫升可達40 K～50 K。過充時，隨不可逆反應的出現，逸出氣體，內壓、溫升升高致變形或爆裂。

過放電：在恒流放電時，電壓會出現一陡然跌落的現象，這主要是由歐姆電阻壓降所引起的。此電阻包括連接單體電極的導線電阻和觸點電阻，電壓繼續下降，經過一段時間以后，到達新的電化學平衡。當進入放電平臺期后，電壓變化不明顯，放熱反應加上電阻釋熱致使電池溫升增大，電池組/系統的放電電壓曲線近似單體放電曲線。持續放電，電壓曲線進入馬尾下降階段。此時，極化阻抗增大，輸出效率降低，損耗發熱增大，接近終止電壓時才停止放電。

·溫升

電池溫升定義為電池內部溫度與環境溫度的差值。上述幾項安全要素都伴隨著溫度升高的過程。因此，用于電驅動道路車輛的動力鋰離子電池隔膜都應具有“自動關斷保護”的物理性能。當電池內部溫度升高到一定程度時，隔膜的物理特性會使微孔關閉，阻塞電流的通過，即為“閉孔溫度”。但熱慣性還是會使電池內部的溫度繼續上升，當達到一定溫度時，就會導致隔膜熔融破裂，稱之為“融破溫度”。表1羅列了幾種隔膜的相關參數，試驗參照應根據受試樣品技術文件提供的具體參數進行。這些參數對實驗過程的安全防護設置是極為有用的。

表1 幾種隔膜的相關參數

·工藝缺陷

顯現的內部故障在電池芯生產下線時就會被剔除。進入成品階段的電池芯，即使含有內部故障也是隱性的，屬于工藝瑕疵范圍。如前面提到過的隔膜不均勻或疏漏，充容材料中含有金屬殘余物，電解液灌裝適量及封裝應力等。隱性的內部故障對實車裝用是個隱患，在實驗室超強的試驗條件下，內部隱含故障因素可以被逐步顯化，同樣成為需要防范的要素。

·壽命循環試驗的影響

壽命循環試驗對電池芯是相當嚴酷的，不僅能評估電池芯的耐使用能力，還可以檢出隱有工藝瑕疵的樣品。對早期性能下降較大的電池芯樣品，后續試驗載荷就意味著超載。

·機械直接損傷

在機械環境試驗和非正常工作（濫用）試驗過程中可以對電池芯直接造成損傷，或使電池芯內部結構損傷后造成性能下降。在機械沖擊（碰撞）試驗中直接燃燒或爆炸的情況也是有紀錄的。

·溫度/濕度環境

溫度和濕度環境試驗無疑劣化了加載試驗的條件。由于在試驗箱內進行試驗，安全問題和次生災害也就成為需要防范的重要因素。

b)電池組和電池系統

電池組/系統作為直接裝車實用的大型部件，如圖2所示，除電池芯集合外還包括BCU、電池芯電路、熔斷器、配線、連接器、溫度傳感器和電池芯制冷裝置等結構要素。控制單元和電路可以適當調整和有效控制大部分不利狀態的出現，對使用或試驗安全是必不可少的。在試驗中，應該啟用這些功能；尤其對電池組，外掛的電池控制單元試驗時一定要到位。控制單元和電路的數據采集功能和控制狀況也應盡量為實驗室的試驗提供參考。電池控制系統可對電池的電流、電壓以及溫度等工作狀態進行實時檢測，并按既定的設置進行應對處置。處理的方式一般為分流和成組退出工作。

分流并不斷開電池的工作回路，而是給每只單體電池芯都增加一個旁路裝置，盡量使組合特性趨于電池組內單體電池特性的平均水平。因此可推論，電池組的壽命應該是各單體電池芯中壽命的最小者。同時，單體電池芯的安全性能直接影響電池組/系統的使用安全和試驗安全。在考慮試驗安全要素時，應涉及可能出現的連鎖反應、由于外殼形成的隱蔽性以及外殼的破碎和碎片引起飛濺等所需的防護。

二、實驗室防護的硬件設施

1.對人員的防護

在實驗室試驗過程中，首先應防護的是試驗操作人員，他們同是軟防護的實施者和受保護人。在試驗狀態退出的處置和試驗銜接的轉移等環節中，無法避免地會與樣品近距離接觸。應置備必要的人體防護用品，如針對性設置可視遮蔽屏等。

2.對設備的防護

對較為貴重的氣候環境試驗箱和振動試驗臺，除應有阻燃和防爆隔斷防護設施外，還需具備防碎片和粘稠絮狀物的裝置。

非正常工作（濫用）的碾壓試驗，用相當樣品自重質量1 000倍的力進行碾壓，UL撞擊試驗是將9.1 kg的重物自610 mm處自由落下，試驗過程可能產生較劇烈的反應。

防護網適用于碾壓、撞擊試驗，常溫試驗和試驗箱內試驗的防護。UL推薦了對不同預估烈度和不同散射物質的防護可以選用不同的防護網具。

氣候試驗箱是一個獨立的氣候空間，伴有循環的流動空氣。遇有樣品氣體泄漏或粘稠物噴射，會增大攪動和彌散。選用工作空間較大的試驗箱，可便于采取防護措施和應急操作。試驗箱本身應有一定的防爆設計。

此外，還可采用適當的防護網。防護網的設置應考慮到樣品緊急撤離的可操作性。振動試驗臺和沖擊試驗臺應防止異物進入試驗設備活動部分的縫隙，采用防護網（因為對樣品設置防護網則會影響試驗的動態響應）。

采用適當的滅火措施。根據不同的場地條件，可以采取撲蓋和噴灑滅火劑。在狀況發生前充分考慮如何保全設備，但在遇有狀況時不應再考慮滅火劑是否會影響設備的保全。

3.對受試樣品的保護

即使是受損的樣品也具有保全的價值。電池芯單體樣品緊密排列，受試時應防止受到影響和干擾，免受殃及；電池組/系統由于外殼的遮蔽，一方面應及時發現和處置危險狀態，防止危險狀態的連鎖反應，同時若發生狀況，應盡可能地保全試樣，以便分析。

4.對實驗數據的保全

如若發生燃燒或爆炸，溫度傳感器和加速度計等靠近或附著在樣品上的儀表可能受到影響或損壞，但稍早變送的信號及記錄的數據仍有效。無論樣品是否通過試驗，這些數據和信息極具分析價值。現場監視影像和拍攝的圖片是重要的數據信息內容，都應注意收集和整理。在適當的位置設置視頻探頭，對試驗進行監視和記錄是可實現的有效方法。不僅可以提高監視效率，還可以保全原始圖像。

5.試驗環境的保護

在封閉的試驗環境中（如在環境試驗箱內）出現可以判據的狀態，應中止試驗。在取證（如對煙霧和著火圖像的攝取）后，應有效滅火，并通過箱體的專用排氣通道排出廢氣。若沒有專用排氣通道的試驗箱，煙霧氣體就必然會進入實驗場地。此時，人員首先應有防煙氣的呼吸防護用品，場地內應有相應的獨立換氣排放系統等。同樣，各種氣體的排放必須符合實驗室排放相關標準。

6.廢棄物的處置

取證后的試驗廢棄物，應按樣品供應商的提示和實驗室的有關規范進行無害化處理，或提交專業機構按相關規定和程序合理處置。

三、技術措施（軟件預警/控制防護）

通過在線測量和監控采樣，分析采集的溫度—時間曲線，以了解受試樣品在試驗內部狀態的基本情況。根據樣品的特性，進行參數設置和極限設定，可以為試驗人員提供樣品狀態預警。為試驗控制和防護爭取執行應變措施的時間。實時采集的圖像信息，可對樣品發生狀態后及時采取有效防護措施提供直接的幫助。

1.溫度參數

前面討論了受試的單體電池芯在各階段的溫度和溫度變化特點。試驗中主要對樣品中單體電池芯進行溫度監測，傳感器被安置在單體電池芯的體或面的幾何中心位置。從試驗原理上考慮，應設置在溫度最敏感的位置，或者粘結在“最不利”的位置，即可采集到最不利位置的參數。在此基礎上設置狀態警示或預警，“閉孔溫度”和“融破溫度”就是有意義的參照系。

2.傳感器的布置

溫度測量在電池芯單體上進行，包括電池組/系統。傳感器應該設置在電池芯溫度最敏感的位置。包括溫度傳感器在內的測量系統在試驗前應經過校準。

3.其他參數

有關試驗過程中，受試單體電池芯樣品端電壓、電流以及由此間接獲得的等效內阻等其他參數，可以較為準確地判定受試樣品的實際工作狀態，甚至通過采樣比較，分析出該樣品在整個電池組/系統的電池芯單體集合中相對所處的狀態地位。在某些性能檢測項目中，有規定采用這些測量和運算，但由于數據采集量和處理速度問題，且占用的儀器數量眾多，實驗準備工作量也較為繁重，是否用于在試驗室安全防護上，還要根據試驗室的實際情況而定。

四、防護管理

無論用軟件技術還是硬件設施進行實驗室安全防護，其協調、融會互補和有效實施還是要靠管理機制。在GB/T 27025－2008基礎上建立的實驗室管理是要素型管理。實驗室應根據實際情況和樣品特征，和可能出現影響安全的狀態，制定可實施的細則來規范。硬件基礎應安排或騰出足夠的場地以便施展，還應設計或安排排放和通風設施；用文件規范試驗狀態的處置順序和取舍原則；用實施細則規定操作要素和步驟，以及針對狀態經過的記錄、描述和報告的具體要求；組織人員的培訓和操演，以及保全保險索賠要據等具體條文。

人員的素養決定要素管理的有效性，一條安全鏈的穩固程度取決于其最弱的一環。