新能源汽車電池檢測實驗室建設研究與探討

毛慧鳳，于喜軍

（1.長春工程學院理學院，長春 130000； 2.吉林省雙遼市鴨場子弟學校，雙遼 136400）

引言

據美國石油業協會估計，地球上尚未開采的原油儲藏量已不足兩萬億桶，可供人類開采時間不超過95年。替代能源和能源存儲成為解決資源和環境問題的突破口，近些年以電池為能源存儲載體的新能源汽車發展得到了越來越多重視，國內紛紛建設新能源電池研發生產基地和新能源電池檢測實驗室。如何在建設階段規劃電池實驗室的安全？如何在傳統實驗能力基礎上投資電池檢測實驗室？如何實現低成本、安全的使用新能源電池實驗室？針對上述問題，本文從新能源實驗室測試內容、建筑規劃、設備布局、安全智能使用的角度探討新能源實驗的運營。

1 問題來源

新能源電池實驗不同于家用電器和汽車電子產品實驗，由于電池的危險性，電池測試過程中可能會產生有害氣體、冒煙、明火、爆炸，這些問題可能導致環境空氣污染、設備損壞、人員受傷，甚至對人身財產造成巨大損失。因此，無論電池試驗室規模大小，都有必要在新能源電池試驗室的場地建設，設備購置，以及日常的運營成本給予充分的重視。

作者經歷了多次傳統汽車和新能源實驗室規劃、建設和設備采購，深深體會到試驗室的籌建費用和運營費用之高昂，所以一直潛心研究實驗室場地建設、降低試驗運營成本和管理成本的辦法。

2 新能源汽車電池的測試內容和潛在風險

為了評估電池在存儲、運輸、誤用和濫用等情況下，是否會引發過熱、明火、爆炸、有害氣體溢出、人員安全等情況，由此應運而生的電池安全檢測標準有:國際標準（IEC）、歐盟標準（EN）、中國標準（GB QC）、美國標準（SAE UL）、日本標準(JIS)，針對新能源汽車應用較為廣泛的標準是UN 38.3、QC 743、SAND 2005-3123、UL 2580、ISO 12405。電池標準針對的檢測項目，大體可分為電性能適應性、機械適應性和環境適應性測試三大類的檢測。

1）電性能適應性：包括電池工況容量、各種倍率的充放電性能、過充性能、過放性能、短路性能、絕緣性能、自放電特性、電性能壽命等。其中過充、過放、短路的實驗過程風險較大，存在明火爆炸等劇烈現場。

2）機械適應性：機械振動、機械碰撞沖擊、重物沖擊、自由跌落、翻轉、擠壓和探針針刺等。其中探針針刺和擠壓的實驗過程風險較大，存在明火爆炸等劇烈現場。

3）環境適應性：老化壽命、溫濕度循環、高低溫循環、溫度驟變、負壓測試、鹽霧、浸水試驗、海水侵泡和明火焚燒等。其中明火焚燒實驗過程風險較大，存在爆炸的情況。

由于新能源電池能量高度集中，且密集安裝，因此即便是正常的使用測試（如各種充放電性能、高空模擬），也可能因誤操作導致危險，下面列舉新能源電池存在的潛在風險：

1）著火、燃燒、爆炸

磷酸鐵鋰電池所應用的非水有機體系的電解液具有低燃點的易燃性質，它在溫度升高的密閉電池體系內極易和充放電過程中非常活躍的電極材料發生一連串催化的放熱反應，從而引起熱失控。同時電解液和電極材料之間的副反應伴有氣體產生，當電池內壓力達到設定的閾值，泄爆閥開啟，并伴隨氣體泄放。如果電池內部集聚溫度過高，與空氣中氧氣的接觸的情況下引起有機電解液的燃燒，最終導致電池的爆炸。電池檢測中的各種濫用實驗的實質，是通過各種手段使電池發生外部短路或內部短路，引起正負材料和電解液的直接反應，電池溫度急劇升高。電池的散熱性和壓力的釋放能量決定了電池著火、燃燒或爆炸。對實驗現場的著火、燃燒、爆炸的防護，重點是保證試驗現場壓力要有足夠的釋放空間，防止燃燒的擴展和壓力的突然釋放，可采取加固防爆殼體、快速壓力泄放、通過多傳感器融合技術進行預警檢測，以實現不爆炸或弱能量反應。

2）有毒氣體的排放

由于電解液含有有機溶劑，在安全檢測過程中，電解液的高溫氣化導致有毒氣體的排放，通常有毒氣體是通過電池泄爆閥打開后溢出，其氣味較刺激。當被測樣品是大功率的新能源電池時，有毒氣體的含量較多，且成分更為復雜，其排放問題更要注意，UL 2580規定了有毒氣體釋放量的檢測要求[6]。有毒氣體的排放的防護重點，是加裝有害氣體檢測傳感器監測有害氣體含量，加裝抽風裝置或無害化處理裝置將有毒氣體抽離實驗室，避免操作人員與有害氣體的接觸。

3）漏液的污染性

電池在檢測過程中容易出現漏液，漏液會腐蝕設備和測試臺的外表面。應加倍關注富液設計電池的這種危害。因此無論是在有意破壞的漏液，或是實驗過程意外泄露，都應該關注人員防護、設備防護和測試環境防護。其防護重點是通過嚴格操作流程管理和規范，將漏液的腐蝕侵害降至最低。

3 新能源電池實驗室規劃和建設

在實驗室建設初期規劃實驗室，既可以降低實驗操作風險，同時也能系統的形成檢測能力，通常具有完整測試能力的電池檢測實驗室 ，可規劃成如下功能分區：

1）電性能檢測區，此區域主要涉及的儀器是充放電機柜、內阻測試儀、絕緣強度測試儀、絕緣電阻測試儀、數據采集設備等，由于電池的實測容量與測試溫度有關，因此應對此區域的溫度、濕度進行控制。

2）機械性能測試區，此區域主要涉及的儀器包括充放電機柜、振動試驗臺、沖擊碰撞試驗臺、翻轉試驗臺、三綜合試驗臺，由于設備質量重、體積大、噪音大，且部分檢測設備需要下挖，因此此區域多放置在一樓，做好隔音和隔震措施。

3）環境測試區，此區域主要完成溫度、濕度、老化、熱分析等實驗，涉及的儀器包括充放電機柜、高低溫箱、負壓箱、溫濕度實驗箱、熱分析儀、數據采集設備等，此區域需要24 h 連續長時間工作，因此容易出現麻痹大意導致安全事故。

4）輔助功能區，可根據實際需要進行配置，包括樣品室（放置測試前后的電池樣品）、庫房（放置閑置線纜、工具等）、辦公室、會議室、休息區等。樣品室存放電池樣品，需要頻繁檢查電池狀態。

5）電池安全測試區，此區域開展的測試均帶有危險性，包括樣品不成熟導致的風險以及測試本身的風險，包括的測試項目：跌落、針刺、擠壓、燃燒、過充、過放、短路、浸水、海水侵泡、高溫充放電等項目，涉及的設備包括充放電機柜、跌落試驗臺、針刺試驗機、擠壓試驗機、燃燒試驗機、短路試驗機、浸泡設備、溫度箱等。由于此區域著火爆炸概率較高，因此需要建設行之有效的尾氣排放和處理措施，以避免對環境的影響。

科學合理的分區能夠提高測試的穩定性和安全性，在分區的基礎上，功能分區需要注意：

人機分離，遠距離實時監控。在上面的1）-4）分區相對安全，但是仍然需要人機分離，遠距離監控。盡量為操作人員提供溫濕度事宜、空氣新鮮、遠離危險、隔窗觀察、遠程操控的環境，如圖1和圖2所示。

圖1 工作室和電池實驗室分區效果圖

圖2 工作室視角觀察模組實驗室

實驗室內設備需具備遠程控制功能，在購置階段可以要求供應商添加此功能，對于購買時間比較長的老舊設備可通過升級或二次開發方式實現集中控制，同時也需要危險緊急處置能力，比如遠程自動滅火裝置、遠程監控、遠程斷電、危險自動識別等措施，使操作人員在處理危險時，遠距離控制，避免人身和健康傷害。在2）實驗區噪音較大，需要考慮隔音；在3）實驗區設備位置集中且發熱量較大，需要考慮設備散熱；在4）庫房和樣品室要做物理分區。

在5）分區危險性較大，存在大概率的起火爆炸風險，因此除了要求具備上述要求外，還需要配置：正壓防爆房、強排風系統、防爆高速攝像、有害氣體處理、有害氣體檢測、壓力檢測、人員防護（3M防毒面具、護目鏡、防護服裝、防護手套）、拆解臺、電池回收罐等，要能做到——爆炸前預知、爆炸過程穩定、全程數據記錄、爆炸后現場可控、污染物可回收，基本思路如下：

爆炸前預警：由于電池起火爆炸前會有很大的變化，可以傳感器充分檢測指標達到爆炸前預警的目的。這些變化包括——溫度升高、電流突然增大、泄爆閥打開、有害氣體溢出等，其中溫度和電流是預警的重要指標，對相同規格的電池具有相似的指標，通過概率分布可形成較好的爆炸預測。

爆炸過程控制：電池連鎖爆炸是爆炸過程控制的重點，通過切斷電流回路、降低爆炸現場溫度、阻斷燃燒路徑、撤離著火源頭等方式，其中以切斷電流回路和干冰滅火方式最為有效。既能起到控制火情，同時也保留了測試樣品。

污染物可回收：污染物包括固態污染物和氣體污染，通過電池回收罐收集固態污染物回收時，要避免二次危險。有害氣體的回收成本非常高昂，可根據實際情況酌情處理。

表1 檢測設備智能改造前后的對比表

4 檢測設備的升級改造

早期購置的實驗設備沒有遠程控制、排風、耐爆炸的功能，需要尋找其他辦法對設備進行必要的改造升級，升級內容包括結構加固升級和電氣功能升級。其中電氣功能升級根據實驗室設備的復雜程度對應不同的改造方案：如果實驗設備的功能比較簡單，比如溫度箱大部分是通過PLC和顯示儀表實現控制，針對這種方式可采取PLC程序破解，或者重新開發PLC控制程序來完善遠程控制功能，破解前要對原有功能做備份，以免造成破壞性損失，建議由專業人員改造；如果實驗設備功能非常復雜，比如充放電機柜為廠家開發的電路，則采用輔助的檢測采集模塊和控制輸出開關方式實現采集和控制，此方案不影響設備的質保和售后，具有很好的普遍性。表1是對檢測設備智能改造前后的對比表，可以看出改造后，不僅減少了操作人員數量，而且極大降低了危險發生次數和危險處置時間。此方案具有極大的使用應和推廣空間。

5 結語

事實證明，在新能源電池實驗室建設初期的規劃必將為企業節省大量整改資金，同時對人員和設備的安全提供了扎實的保障。安全無小事，在安全的前提下，才能保證檢測精度和穩定性。

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