鋰電池組及其管理系統的防爆性能研究

郭 奎，趙厚寬

（92942部隊，北京 100161）

0 引言

根據綜合船體設計要求，某些特定區域如船舷兩側橫向液貨補給區域等被劃為防爆區域，要求對該區域內或通過該區域的設備具有防爆資質。某型船dy補給艙位于1甲板，由防爆電梯運送至01甲板，然后運送到飛行甲板。根據dy補給輸轉要求設計了防爆型搬運車，該型搬運車采用分體對稱設計，即前后兩個分體搬運車，分體搬運車可前進也可后退，該前后分體搬運車結構相同，可交換使用，分體搬運車之間是貨物支架。工作時從兩端將貨物支架托起后行走，能夠360°任意角度行走。該型搬運車為防爆型，只能采用電池動力源，因此根據設計要求采用了磷酸鐵鋰電池組提供動力，電池組按照防爆要求安裝在防爆殼內，并由電池管理系統對電池組充、放電、溫度等參數進行管理和控制[1]。

1 技術路線

防爆搬運車設計要求提供9.6 kWH的動力，能夠正常工作4 h，因此設計時采用了兩組48 V、電池容量100 AH的磷酸鐵鋰電池組，每組由16塊3.2 V電池單體串聯組成，防爆技術標準要求電池組只能是串聯，不能并聯。

根據防爆鋰離子動力蓄電池電源裝置和防爆搬運車的使用特點，對防爆鋰離子動力蓄電池電源裝置采用隔爆技術處理；并結合其他技術，對鋰電池爆炸機理分析研究，在設計及生產過程中進行優化；再結合鋰電池爆炸機理，對電池管理系統進行功能優化，并對鋰電池及電源裝置進行多項試驗驗證。

2 分析研究

影響鋰電池爆炸的因素很多，比如，從設計選材方面，鋰電池殼體材料、正極材料、隔膜材料、電池結構、安全閥設計；從生產制造方面，漿料均勻度控制、涂布質量控制、疊片對齊度控制、水分控制、粉塵控制、封口質量控制、化成工藝等工藝控制；從最終使用方面，使用過程中的過充、過放、外部短路、擠壓、針刺等等，這些方面的不當考慮都會增加鋰電池爆炸的可能性[2]。

但歸根結底電池內部的高溫、高壓都與產熱因素有直接的關系。電池內部的產熱因素眾多，如果鋰電池內部的熱生成速率大于熱散失速率，則體系內的反應溫度就會不斷上升。其結果可能造成兩種極端情況：（1）反應物質的溫度達到其著火溫度而發生火災；（2）由于鋰電池是一個封閉體系，隨體系內部溫度升高，反應速度加快，反應物蒸氣壓急劇上升。同時活性物質的分解、活性物質與電解液的反應都會產生一定量的氣體，其結果，在缺少安全閥保護或安全閥失效的情況下，電池內壓便會急劇上升而引起電池爆炸[3]。

常見的爆炸類型有以下幾種：熱失控引起的爆炸、過充引起的爆炸、短路引起的爆炸、針刺及擠壓引起的爆炸。

3 電池管理系統

電池管理系統（BMS）對電池的狀態進行管理和保護，電池管理系統的好壞直接影響電池的性能及安全性，并影響著整車系統。同時由于本項目使用在危險場所，對電池管理系統也提出了更高的要求，制定了《電池管理系統安全技術要求》。

電池管理系統能夠對所有單體電池的電壓和表面溫度，電池組的電壓、電流、電池組容量等參數進行監測和顯示，并且對電池管理系統的參數測量精度提出了更高的要求，保證電池管理系統對電池參數的監控和保護更精準、更可靠。同時電池管理系統還有針對單體電池的過充電壓保護、過放電壓保護、過充電流保護、過放電流保護，保證在充電時單體電池的電壓和電流不會高于允許值，在放電時放電電流不會高于允許值，放電時最小終止電壓不會低于允許值。即使在保護失效時或采集線發生開路時，電池管理系統也能夠報警，保證電池在規定的條件下運行，不會引起危險。電池管理系統還對每個單體電池進行溫度監測，并且單體電池溫度測量采集裝置放置在電池極耳處，保證單體電池運行溫度不會超過允許值。還具備輸出短路保護，當發生外部電路短路時對電池進行保護。明確在電池組報警故排除后的自動或手動恢復方式。還具備均衡充電控制功能，在充電結束后保證各單體電池電壓偏差不大于50 mV.

為防止電池在發生短路時其他保護失效，在電池管理系統中增加了熔斷器，并且對熔斷器的參數性能和安裝都進行了嚴格的要求，確保熔斷器的熔斷電流和熔斷時間應小電池組的最大放電電流和允許持續時間，保證電池外表面溫度不超過電池制造商規定的電池連續運行溫度。

4 防爆裝置

4.1 隔爆外殼內電池的選擇及連接

本項目中電池只能采用串聯的方式，僅可以使用電解液是無水有機鹽的鋰電池，并且不能使用有通氣孔或開啟式的電池，密封閥控單體電池只能用于放電的目的。電池的泄壓裝置必須能夠可靠地開啟。

4.2 隔爆外殼設計

隔爆外殼是電源系統出現異常成為點燃源后的最后一道防線，隔爆外殼性能的好壞直接影響著電源裝置的防爆性能。因此在設計時，進行更為全面的考慮和防護，同時提高隔爆外殼的安全系數，使隔爆外殼能經受更為嚴酷的條件。

在結構上將隔爆外殼的電池腔、電池管理系統腔、接線腔三個隔爆腔體分開設置，結構設計如圖1所示，電池管理系統左右兩側各有一個電池箱。方便使用的同時，可以減少點燃源存在，減少使用和維護過程因安裝、拆卸引起的風險，提高電源長期使用的安全系數。

圖1 隔爆外殼設計圖

在設計選材上，提高安全系數，選用屈服強度更高的優質材料，隔爆面加寬，箱體和法蘭加厚，增強隔爆外殼承壓和不傳爆能力。顯示窗口也采用能夠承受較大沖擊，耐受熱劇變的透明件。

電源裝置內的電池、電池管理系統及其電氣連接及固定，均有防松動和防晃動的措施，腔體內電氣的連接選用安全可靠的接線端子，增加絕緣措施，增大電氣間隙和爬電距離，避免出現危險高溫、電弧、火花。

其他零部件都要求由性能優良、耐鹽霧腐蝕的材料制成，以適應海上惡劣的工作環境。電纜引入裝置選用密封性能更好，防護等級更高的填料函，即使在使用中操作不當，也能保證可靠性能。

（1）電池箱

電池箱由Q345C焊接而成，分為電池腔和接線腔，兩個腔間的電源線通過防爆穿墻端子相連，信號線通過澆封端子套相連，與其他箱體的連接電纜通過防爆電纜填料函引出。電池分3層排列，每一層為獨立的模組，通過專用模板對各個方向進行固定，確保電池在箱體內無相對位移。布置圖詳見圖2.

（2）電池管理系統箱

電池管理系統箱由Q345C焊接而成，電池管理系統固定在箱內，箱體兩側各安裝8個防爆電纜填料函，用于電池管理系統與其他箱體的電氣連接。布置圖詳見圖3.

圖2 電源箱體布置圖

圖3 電池管理系統箱體布置圖

（3）顯示屏箱

顯示屏箱由Q345C焊接而成，設觀察窗，觀察窗由鋼化玻璃制成，設3個按鈕，可對電源裝置進行操作，側面安裝防爆電纜填料函用于顯示屏與其他箱體的連接。

4.3 防爆性能試驗

為驗證防爆裝置的防爆性能，將對防爆裝置進行更為嚴酷的試驗。

對透明件進行熱劇變試驗和沖擊試驗，在進行電源腔、電源管理腔、接線腔耐壓試驗時提高試驗系數，保證電源裝置強度。

分別對三個隔爆腔進行內部點燃不傳爆試驗，模擬爆炸性氣體分別進入三個隔爆腔內，并在隔爆外殼內被點燃后，確保隔爆腔內的火焰、高溫不能傳到隔爆腔外，引起外部可燃性氣體爆炸。

在測量隔爆箱最高表面溫度時，對電池組施加最大放電電流直至放電完畢，進行電池外表面、接線端子、連接電纜溫度測定，保證電源裝置外表面不能成為引燃源。

為保證在使用時使用不當（如電纜受到外力）影響防爆性能，對電纜引入裝置進行夾緊試驗、密封性能及機械強度試驗，對密封裝置進行耐熱耐寒試驗。

依據上述原則和要求，對鋰離子電池組進行了安裝和試驗，安裝如圖4所示。

圖4 鋰離子電池組的安裝實物圖

對單體鋰電池進行了如下試驗：20℃放電性能（額定容量）、-20℃放電性能、20℃高倍率放電性能、荷電保持及恢復能力、高溫儲存、循環及內阻試驗、充電試驗、火焰試驗等；對電池組進行了如下試驗：對電池箱進行沖擊、振動、跌落、溫度沖擊、短路、過充、過放試驗、翻轉、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環、外部火燒、鹽霧、過溫保護、短路保護、過充電保護、過放電保護試驗等；以沖擊試驗為例，滿電狀態的蓄電池組，沖擊加速度為392 m/s2，脈沖持續時間為6 ms，X，Y，Z三個方向，每軸正反沖擊2次，共12次，其振動沖擊試驗如下圖5所示，主要沖擊曲線如圖6所示。

圖5 振動沖擊試驗圖

（續下圖）

（接上圖）

圖6 沖擊試驗試驗曲線圖

由此可見，試驗結果不起火、不爆炸，符合防爆區域要求。

5 結論

對電池管理系統按照《隔爆型鋰離子動力蓄電池電源裝置企業標準》要求進行了試驗；最后由國家防爆電氣產品質量監督檢驗中心按照相關標準要求，對電池箱、電池管理系統箱、顯示屏箱進行結構檢查、外殼耐壓試驗、內部點燃不傳爆試驗、絕緣套管扭轉試驗、抗沖擊試驗、溫度試驗、熱劇變試驗、耐熱耐寒試驗、外殼防護等級試驗等防爆性能試驗檢驗，試驗結果符合防爆區域要求。