電動汽車鋰離子電池試驗的安全防護措施

韋 莉 ，王婷婷，周 驊，盧兆明

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200031）

在對試驗過程設計和受試樣品的結構原理、承受能力以及可能影響安全的要素進行客觀、具體分析基礎上，按照 《檢測實驗室安全》的規范和要求，結合實驗室的具體條件，采取必要可行的試驗防護措施。

1 防護的基本內容

相對于其他類型的動力電池，電動汽車動力鋰離子電池由于其電化學特性、結構特點以及應用環境，如在試驗過程中不特別注意，更易出現燃燒和爆炸等不安全狀態結果。試驗過程中，尤其在較高嚴酷度的試驗過程中，實驗室的安全防護是不能回避的現實。

為了便于表述，將防護措施分為試驗人員和設備的硬件設施防護 （用于因泄漏、破裂、燃燒和爆炸等結果造成的不安全狀態的防護），以及以歸避狀態出現為目的的軟件預警／控制防護措施。對防護的基本設計，應綜合考慮兩方面情況，且都應適當和有效。此外，從受防護的對象考慮，又可大致分為以下幾個方面。

1）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。試驗操作人員同時應該是軟防護的設計者和執行人，也是防護第一對象。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。硬防護用品包括護目鏡、面罩、頭盔；隔熱長手套 （阻燃，易脫取）、合適的觸及樣品和搬運樣品的工具 （應隨手可及）；外套、護裙和適合的鞋、靴等 （防燃燒、噴射物和高溫粘結，防重物跌落）等；還應針對性設置可視遮蔽屏。通過軟硬防護的結合，選擇適當的防護用品和方式，可以保證試驗操作人員更好地進行試驗，且免受傷害。

2）設備的防護 值得注意的是，用軟件防護可一定程度上降低危險的發生，但提前退出試驗，將造成試驗不完整，且影響對試驗的判據。可通過加強設備的防護來解決這個問題。對較為貴重的氣候環境試驗箱和振動試驗臺，除要有阻燃、防爆隔斷防護設施外，還應設置防碎片和粘稠的絮狀物的措施。二次儀表應與溫度傳感器、加速度計等一次儀表保持有效的連結和合適的距離。

3）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；同時如發生狀況，應盡可能保全試樣，以便分析。

4）試驗數據的保全 如發生燃燒或爆炸，溫度傳感器和加速度計等靠近或附著在樣品上的一次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應是有效的。無論樣品是否通過試驗，這些數據和信息也是極具分析價值的。現場監視影像和拍攝的圖片也是重要的數據信息內容，都應注意收集和整理。

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。在取證后 （如對煙霧、著火圖像的攝取），應有效滅火，并通過箱體的專用排氣通道排出廢氣。沒有專用排氣通道的試驗箱，煙霧氣體就必然會進入試驗場地。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。通過箱體專用排氣通道排出的廢氣或場地換氣排放的氣體，應符合實驗室所在地規定的排放標準，不應直接排放。

值得注意的是，當停止試驗后，即使電池芯單體樣品或電池組／系統內的電池芯單體未發生狀況，但其內部的活動和反應實際上尚未停止或平息。應該繼續進行溫度測量和外觀觀察，并按標準要求的滯后反應條件退出試驗。

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。

2 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中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，可以向試驗人員提供樣品狀態預警，為試驗控制和防護提供選擇余地。此外，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。

2.1 溫度

［3］中討論了受試的單體電池芯在各階段的溫度及其變化特點。試驗中主要對樣品中單體電池芯進行溫度監測，包括電池組／系統內的單體電池芯。參考文獻［4］給出了電池芯溫度測量的示例，如圖1所示。

由圖1可見，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，應該設置在溫度最敏感的位置；或者粘結在 “最不利”的位置，也就是可采集到最不利參數的位置。

一般可采用熱慣量較小、響應時間常數短、低制作成本的熱電偶作為溫度測量傳感器。UL推薦采用線徑為0.05～0.21 mm2的熱電偶［5］。熱電偶應緊貼芯體表面。熱電偶可被安置在薄紙片或標簽上。二次儀表可用多路數字溫度巡檢設備進行時間間隔不間斷地檢測和記錄，通過計算機進行整理分析。不僅檢測溫度的實時狀態，還可以進一步給出溫度變化率及其變化規律。

有經驗的試驗工程師，可以按照受試樣品的加載情況，通過溫度和溫度變化率或溫度變化率的變化速率情況，判斷樣品的實際狀態。在此基礎上設置狀態警示或預警，“閉孔溫度”和 “破膜溫度”就是有意義的參照系。一般對樣品狀態的警示或預警設置要提前約5 K左右。溫度變化率和變化速率可以參照為狀態警示或預警等級標識。

2.2 傳感器的布置

溫度測量應該在每個電池芯單體上進行，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。即使因電池組／系統的產品集成有所妨礙，也要設法與供應商協商采用適當的方式實現。測量系統未必要求高的精度，但響應要快；巡檢的時間間隔應均勻，由此才能得到可信的溫升速率參數。包括溫度傳感器在內的測量系統在試驗前應經過校準。

2.3 其他參數

參考文獻［3］中還討論了試驗過程中，受試單體電池芯樣品的端電壓、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。這些測量和運算在某些性能檢測項目中規定采用。由于數據采集量和處理速度問題，且占用的儀器數量眾多，試驗準備工作量也較為繁重，是否用于在實驗室安全防護上，還要根據實驗室的實際情況而定。

3 硬件設施防護

前面已經列舉了人員防護的要素，置備這些裝備并不困難，重要的是在合適的場合，使用合適的裝備。實驗室管理應對此有效文件進行規范，去除試驗操作人員的麻痹思想，保持防范意識。經常進行演練也許和配置這些裝備同樣重要。

非正常工作 （濫用）試驗中的碾壓試驗［5］和撞擊 （沖擊）試驗［6］的試驗過程可能產生較劇烈的反應。前者用相當樣品自重質量1 000倍的力進行碾壓；撞擊試驗是將9.1 kg的重物自610 mm處自由落下，沖擊試樣。圖2示例了UL1642撞擊 （沖擊）試驗及防護裝置，試驗時根據需要可加用防護網。圖3是經撞擊試驗的電池芯單體的樣品。

相對封閉的鋼制試驗箱具有很好的防護效果，但在試驗中會因視線被遮擋而造成不便。可以用防爆玻璃和防護網結合開設觀測窗口。防護網適用于碾壓和撞擊試驗防護，也常用于常溫試驗和試驗箱內試驗的防護。UL推薦了用每英寸16～18根直徑0.25mm鋁絲到每英寸20根直徑0.43 mm鋼絲的網［5］，對不同預估烈度、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時，會增大攪動和彌散。吸入空氣循環系統后，落在風道、風扇葉、加熱器、加濕器和溫濕度傳感器上的異物很難被清理。電池芯內經細研的容充物經干燥后，如以粉塵形式懸浮，還會造成更大的次生災害。即便是噴射物粘結在箱壁上也是不小的麻煩。對于此種情況，首先應選用工作空間較大的試驗箱，便于采取防護措施和應急操作；試驗箱應有一定的防爆設計，如避免電火花、電觸點和活動部件的金屬摩擦；最好有廢氣排放通道。此外，還可采用適當的防護網。防護網的設置還應考慮到樣品緊急撤離的操作性。

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，基本的防護措施也是防護網，但防護網應針對設備設置。而對樣品設置防護網會影響試驗的動態響應。

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。應在狀況發生前充分考慮設備的保全，在遇有狀況時不應再考慮滅火劑是否會影響設備的保全。

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。在遇有狀況時還省卻可采錄證據材料的過程。視頻探頭的設置位置應合理得當。

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、融匯互補和有效實施還是要靠管理機制。對可能出現的影響安全的狀態，要安排或騰出足夠的場地以便施展；應設計或安排排放和通風設施；用文件規范處置狀態的順序和取舍原則；用實施細則規定操作要素和步驟；組織人員的培訓和操演；對狀態經過的記錄、描述和報告的具體要求；以及保全保險索賠要據，等等。

4 總結

1）當受試的電池芯單體、電池組／電池系統在進行溫度類試驗、壽命循環試驗退出試驗時，樣品體溫度高于預處理／恢復溫度時；以及在短路類試驗、低氣壓試驗以及振動沖擊類等試驗后，樣品內部的活動和反應實際上尚未停止或平息，有滯后出現不安全狀態的可能。應該繼續進行溫度測量和外觀觀察，并按標準要求的滯后反應條件退出監測。這些退出條件可以是連續觀察1 h、2 h或4 h，提供溫度關于時間的函數 （曲線）。此間的溫度應是逐漸趨向于RT；如在1h內，溫度的變化小于1K，則認為溫度趨向穩定。

2）按照試驗依據標準的不同，對試驗終止條件參數設置和判據不盡相同。有些按受試樣品的“閉孔溫度”、“破膜溫度”或相對低5K左右給出的終止試驗的溫度；有些試驗則對試驗結果要求給出一個典型的描述，如非正常工作 （濫用）試驗。

3）溫度測量中，會遇到不同包裝的電池芯單體。不同的包裝式樣、材料、厚度會形成不同的溫度傳遞效率，也就是梯度。這些因數應在測量、分析和預警系中修正設置予以體現。由此，試驗的終止條件和判據參數應該在試驗設計或委托時明確規定。這通常與試驗的性質和任務目標相關聯。

4）盡管非正常工作 （濫用）試驗中測量并記錄溫度參數似乎意義不大，但在如外部短路、沖擊、振動、高溫高濕、過充過放等試驗項目上，其對樣品內在的承受能力分析是極其珍貴的。

5）溫度傳感器的布置應該有一份對應的樣品位置定位的分布清單，對電池芯單體樣品試驗是如此，對電池組／系統內的電池芯單體做好定位尤為必要。這些溫度傳感器可以從試驗準備開始，經歷所有試驗環節，一直到樣品退出試驗為止，始終伴隨著電池芯樣品。

6）對防護爆炸和燃燒的原理和烈度應有適當的估計。有資料將電池芯內充材料的化學能量折算成爆炸能量或TNT當量，是不太恰當的。試驗引起的爆炸和燃燒，多是因電池芯內部損壞 （短路或內阻增大）產生高溫，或是受外力破壞及受外部溫度導致電池芯體內活動異常產生的高溫、高壓瞬時釋放，較為猛烈的就是爆炸。這和TNT的化學反應爆炸的樣式和效果是不一樣的。當電池芯體內的輕金屬粉末或易燃物質在高溫條件下溢出遇氧，滿足燃燒條件，導致燃燒。燃燒的可持續條件并不充分，而與著火點附近部件的燃燒特性有很大的關系。應該在試驗前對受試樣品包裹材料的燃燒性能有所了解。可以先行對材料進行燃燒性能測定，尤其對內裝組件較為復雜的電池組／系統。對輕金屬鑄件或脆性塑料件外殼的樣品，也應對其在爆炸中可能產生的破片沖擊或散落的規模有所顧及。

7）在溫度試驗箱內使用防護網，會改變試驗箱內的溫度分布。較為有效的方法是對防護網內的小環境進行標定，修正溫度控制參數。

8）汽車動力鋰離子電池環境試驗和性能試驗，從受試樣品自身價值到試驗的實施成本，都是非常昂貴的。全套試驗的時間經歷也很長，同時還要進行必不可少的安全防護措施，不免有些額外的損失，如傳感器的損耗和設備損傷，以及技術上的冗余和備份。所以在試驗前，應精心規劃設計試驗，在試驗中謹慎實施操作，防患于未然，以獲取完整的試驗結果。

參考文獻：

［1］盧兆明.道路車輛 電氣及電子設備的環境試驗和要求［M］.北京：中國標準出版社，2011.

［2］郭炳焜，徐 徽，王先友，等.鋰離子電池［M］.長沙：中南大學出版社，2005.

［3］ISO／DIS 12405（all parts），Electrically propelled road vehicles—Test specification for lithium-Ion traction battery systems［S］.

［4］IEC 62660（all parts），Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles［S］.

［5］UL 1642，Safety for Lithium Batteries［S］.

［6］UN 38.3，The Recommendations on the Transport of Dangerous Goods，Manual of Test and Criteria［S］.

［7］GB／T27XXX，檢測實驗室安全 （所有部分 征求意見稿），全國認證認可標準化技術委員會 （SAC／TC261）［S］.