電池試驗安全防護數字化系統及智能化應用

孫立峣 馬嘉良 閆國豐 董謙 任毅 于琦

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發院電池研究所）

作為化學能量載體，鋰離子電池試驗過程中，若發生熱失控，會產生巨大破壞力，如引發電動汽車火災和爆炸以及噴射有毒氣體等危害。因此，動力電池安全性非常重要。鋰離子電池屬于易爆危險等級為“二級區域”的危險空間[1]。由于電池在試驗過程中要模擬車輛在各種極端環境下的運行情況，發現和暴露設計和試制中出現的問題，然而試制過程中具有很大的安全隱患。試驗安全的目的是控制事故發生的風險在可接受的范圍內，預防危險發生，降低事故的破壞性。

1 電池試驗潛在危害分析

1.1 電池試驗對象

試驗樣品為鋰離子電池，主要分為3類：1）電池單體：由電極和電解質組成，構成蓄電池組的基本單元，可將化學能直接轉化為電能，電壓0~5 V之間；2）電池模塊：由電池單體通過串并聯組合而成，一般電壓小于60 V；3）電池系統：由多組電池模塊通過加裝箱體、冷卻系統和管理系統組成，一般電壓小于600 V。

1.2 電池試驗潛在危害

鋰離子電池在試驗過程及運輸過程由于受化學特性、結構特點及應用環境的影響，如在試驗過程中進行超負荷運行、接觸不良、缺少短路和漏電保護等因素導致試驗人員被電擊身亡，電池鼓脹泄放有害氣體、漏液、灼傷人體皮膚及損壞設備，甚至引發電氣火災時無法用普通的滅火方法撲滅。

1.3 電池潛在危害原因

動力電池安全事故本質是電池熱失控，熱失控的誘因包括機械電氣誘因（電池碰撞擠壓、針刺等）和電化學誘因（電池過充過放、快充、低溫充電、自引發內短路等）。電池內部的活性物質及電解液等成分發生電化學反應，如圖1所示。當一個電池單體發生熱失控之后，相鄰單體受影響后也相繼發生熱失控，導致熱失控蔓延，最終引發安全事故。產生大量熱量和氣體，引起電池升溫。如果熱生成速率大于散熱速率，電池內部溫度和壓力不斷上升，當熱量和內壓積累到一定程度，就會出現有害氣體泄漏。當電池周圍環境滿足可燃物、助燃物、著火點3要素時，就會發生冒煙、燃燒或爆炸等風險[2]。

圖1 電池熱失控原理

電池從熱失控到燃燒和爆炸的時間很短，人工干預的及時性較差，可能會錯過最佳滅火時機，造成嚴重后果。所以，需要開發和設計一套自動化程度高、安全可靠、易于實現的試驗安全防護體系。

2 電池試驗安全防護設計原則、方案和創新

針對電池試驗過程中的潛在危害，設計防護系統是一個復雜的系統工程，需要將傳感器探測、過程監控、風險預警、危機處理、消防滅火等各個方面有機地結合在一起。為此，我們根據實際情況和實踐經驗，制定了3個層面的防護體系，即試驗室及人員防護體系、試驗設備防護體系和試驗樣品存儲防護體系；根據可能出現的危險情況和等級，對3個層面進行逐步分解和細化，形成每個層面的具體實施方案。

該系統的主要設計思想是追根溯源，提前識別和預防事故的發生為主，解決實施過程中遇到的關鍵工藝技術問題，建立行之有效的安全設計規范，逐步推進內部企業標準，以降低和減少事故發生后的危害為目標，構筑立體化的安全防護體系，有效抑制爆炸的發生。

2.1 試驗室及人員安全防護體系

鋰離子電池火災屬于E類火災[3]，對該類火災的滅火介質標準上沒有明確規定。所以，尋找有效的滅火介質是解決鋰電池消防的關鍵[4]。通過調研和試驗驗證，目前有2種方法對撲滅鋰電池的火災有效果：1）氬氣，對鋰離子電池是惰性氣體，可有效抑制鋰電池的燃燒。氬氣初期投入成本低，但不適于大范圍、開放空間應用，且后期使用、檢定和維護成本較高；2）高壓細水霧，是一種新型的水消防滅火系統，起到快速降溫和隔絕空氣的作用，破壞了火三角中的2個要素，達到撲滅鋰電池火災的目的。它使用不受空間的限制，在使用區域較多的情況下可分區域滅火，可降低初期投入成本，節省能源，后期無使用無維護成本。

試驗室布置了網絡化（3 m×3 m）的開式高壓細水霧系統和排煙系統。高壓細水霧滅火系統主要優點：無需預警時間，直接啟動；覆蓋面積大，有效冷卻；隔絕氧氣，阻斷熱輻射；保護試驗人員安全；對設備和人員無害，對火災區域無密閉要求，火災后現場無需清理。

為確保試驗室工作人員的工作安全，試驗操作人員應具備培訓持證上崗，嚴格執行試驗室安全操作作業規程，試驗前做好安全評估，試驗過程中試驗人員不得離開現場，如遇火災，除立即采取必要的消防措施滅火外，應馬上報警。此外，試驗人員防護用品包括護目鏡、面罩、頭盔；隔熱手套（阻燃、易脫?。?、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；保證試驗人員更好地進行試驗，且免受傷害。

2.2 試驗設備防護體系

如表1所示，試驗設備防護措施，是安全防護系統設計的重點。

表1 試驗設備防護措施

依據GB50116《火災自動報警系統設計規范》要求，在主動防護上下功夫，根據試驗流程和經驗制定了安全分級矩陣表，對不同的安全隱患采取不同的安全措施。

1）進入0、1和2級：樣件或設備出現故障，主要依靠設備自身的調節控制功能，逐漸降低和減小充放電電流，停機進行檢查；2）進入3、4和5級：測試樣件損壞導致倉內單一傳感器報警，此時電池會釋放出有害氣體，艙內溫度及壓力迅速升高，形成火災前期特征。這時應自動關閉測試設備，迅速打開倉內強制排氣系統，降低有害氣體和可燃氣體濃度；3）進入6級：測試樣件已開始燃燒，除關閉設備外，應立即啟動高壓水霧，開啟泄壓閥，將危害降到最小。

2.2.1 高壓細水霧與試驗設備一體化聯動

首次通過特制的短距離高壓水霧噴嘴將高壓水霧引入到了電池環境艙中，將高壓細水霧滅火系統、傳感器系統與試驗設備設計為聯動模式[5]，實現安全防護體系在得到風險信號時自動開啟；同時測試儀與環境設備進行集成，控制環境設備的所有動作，包括啟、停和溫濕度變化，以及安全消防等部件的動作。從源頭上對試驗樣品進行了有效的保護，降低了重大事故發生的幾率，得到了行業認可。

此外，為了降低電池爆炸產生的破壞性，根據電池容量的差異，在環境艙上部設計了不同面積的泄爆口，使其能快速釋放內部能量，減少對人員和設備的傷害。為了達到試驗環境設備、充放電測試儀、輔助通道、BMS能夠集成在同一自動化控制系統內，對控制系統進行統一的通訊、數據采集、對比分析，在試驗設備和試驗樣品間建立了智能判讀和安全閾值獨立監控。

2.2.2 基于試驗樣品的安全閾值獨立監控

相對于電池系統來說，電池單體和電池模塊在試驗中的風險相對較大，主要在于缺少BMS管理系統的監控（單體溫度和電壓），只能依靠設備的電流、電壓控制，很難有效辨識出電池熱失控危害。例如，當充電電壓超過4.5 V，大量的鋰離子從正極溢出，若負極的嵌鋰能力較差，鋰離子便會沉積在負極表面形成枝晶，使電池內部短路，電池內部的電解液分解氣化，電芯內的壓強不斷升高，發生燃燒和爆炸的風險。所以，為了加強對單體和模塊在試驗過程中的安全防護，作為設備安全控制輸入，需要增加和配置一定比例的輔助電壓、溫度通道和溫度傳感器對單體和模塊進行獨立監控圖，并設定設備運行的安全閾值。

通過機械安全診斷、電氣安全診斷、熱安全診斷和功能安全診斷，提升了試驗安全系數。結合功能安全設計，多種駕駛場景、多種環境、多角度、多層次的危害分析和風險評估，確保動力電池、車輛和試驗人員的安全。同時，在滿足國標的前提下，開展了企標的制標以及測試驗證，一方面從設計上確保總成安全，另一方面開發熱失效預測模型。通過新能源試驗室綜合管理系統的建設，實現數據的集中管理和試驗設備運行狀態的集中監測。

2.2.3 融合大數據和云計算的全天侯監控

隨著大數據的互聯網和物聯網的不斷發展，試驗數據的管理方向已由傳統的分散式管理逐漸向集中式管理和云管理過渡，并實時采集分析、故障診斷、數據挖掘，建立統一的軟件框架，將數據采集、組態監控、數據回放、數據入庫、實時分析、遠程發布、傳感器管理、算法管理等功能全面融合，數據信息安全保障制度正在全面提升，實施全天侯網絡安全態勢，并建立虛擬試驗體系，提高試驗服務設計能力，加速產品研發進程。

過去試驗人員24 h倒班，勞動強度大，風險控制不及時，很容易造成重大安全事故發生，現在能及時對試驗數據中各類參數指標進行遠程實時監測。當設備出現故障時，監測數據進行限值判斷，并自動啟動聲光報警，系統向預置人員發送短信和郵件通知，同時在監控平臺上突出顯示報警區域，隨時隨地通過手機移動端實時監測訪問試驗參數的運行狀態。

2.3 試驗樣品存儲防護體系

鋰電池樣品在運輸、存儲等環節發生安全事故的實例屢見不鮮，一塊樣品發生事故，會波及相鄰電池，引起火勢蔓延、連鎖爆炸反應，續而引發更大的事故，甚至危及生命安全。依據企業《安全生產現場檢查管理規定》，對電池樣品進行規范統一標準化、規范化管理：1）存儲的電池樣品正負極應采取必要的措施防止發生短路；2）存儲的環境應安全、無腐蝕、無陽光直射、清潔干燥且通風良好，長期儲存（存儲時間超過3個月）的區域周圍應采用實體墻分隔；3）存儲的溫度范圍為-5～35℃、相對濕度不大于75%；4）存儲區域應配備數量充足的消防器材（沙箱、水基和CO2滅火器）。

3 結論

電池試驗安全防護數字化系統及智能化應用總體特征在于：1）試驗室防護中確定高壓細水霧作為消防滅火介質；2）設備防護創新性地引入高壓水霧[6]，極大地降低了重大事故的發生率。此外，根據事故危險等級設計了6重自動防護措施和泄爆閥設計；3）高壓細水霧、試驗設備、試驗樣品全自動一體化聯動，物聯網技術與試驗業務系統大數據相融合，利用感知、協同、控制等領域的前沿技術，實現試驗系統數字化、智能化。并能夠及時精準預警，實時構建主動防御體系，最大限度地降低了試驗室的能耗，從而提高試驗效率和試驗人員安全系數，更大節省時間成本和資金成本。