用于鋰電池測(cè)試的環(huán)境試驗(yàn)箱技術(shù)研究

蔣劍煒

（偉思富齊環(huán)境試驗(yàn)儀器（太倉）有限公司，蘇州 215400）

引言

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，越來越多的廠家加入到了鋰離子電池系統(tǒng)的研發(fā)工作中，為了保證鋰離子電池系統(tǒng)的安全可靠，在研發(fā)和生產(chǎn)過程中必須遵循由IEC、ISO、SAE、SAC、CEN 等機(jī)構(gòu)組織制定的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行多項(xiàng)可靠性測(cè)試，氣候測(cè)試是其中重要的組成部分之一。環(huán)境試驗(yàn)箱作為一種氣候測(cè)試平臺(tái)，可以對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行多項(xiàng)氣候測(cè)試，如加熱、溫度循環(huán)、濕熱循環(huán)等。鋰離子電池系統(tǒng)在測(cè)試過程中存在自燃，爆炸等安全隱患，因此對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱的安全防護(hù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究顯得十分重要。通過早期的預(yù)警監(jiān)測(cè)和得當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)，可以大大提高設(shè)備的安全等級(jí)，減少財(cái)物損失，避免人員傷亡。

1 鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控原理

鋰離子電池系統(tǒng)是能量存儲(chǔ)裝置，包括電池單體或電池包、電路和電控單元[1]。目前常見的鋰離子電池有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，它們與鉛酸電池相比都具有更高的比能量（Wh/kg）和能量密度（Wh/L）、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，但是在濫用條件下（如：外部高溫、過充、短路等），容易引起電池包內(nèi)某一電池單體發(fā)生局部劇烈升溫，升高的溫度向周邊電池單體擴(kuò)散，使得電池包內(nèi)部發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量得熱量和氣體，造成整個(gè)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BMS）失控，當(dāng)熱量和氣體積累到一定程度時(shí)電池會(huì)發(fā)生自燃、甚至爆炸，電池系統(tǒng)熱失控原理如圖1 所示[2～5]。

圖1 動(dòng)力電池?zé)崾Э氐氖鹿试蚣跋嚓P(guān)濫用誘因[5]

2 安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

由鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控原理可知，通過早期的監(jiān)測(cè)預(yù)警，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋰離子電池系統(tǒng)在測(cè)試過程中的異常狀態(tài)，通過人為的干預(yù)，減少鋰離子電池系統(tǒng)出現(xiàn)熱失控的情況，降低測(cè)試過程中自燃、爆炸的概率。當(dāng)出現(xiàn)不可避免的自燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需要通過安全防護(hù)裝置避免人員傷亡，減少財(cái)物損失。安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置主要有以下幾個(gè)模塊組成。

1）狀態(tài)指示器

根據(jù)測(cè)試需求配置不同顏色的信號(hào)燈和蜂鳴器，用于指示設(shè)備不同的工作狀態(tài)。狀態(tài)指示器安裝在磁吸底座上，測(cè)試人員可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整位置，以便于觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使其能及時(shí)的處理相應(yīng)故障。

2）電子門鎖

由于鋰離子電池系統(tǒng)在測(cè)試過程中存在自燃、爆炸等安全隱患，因此在設(shè)備運(yùn)行期間，測(cè)試室的門通過一個(gè)電子門鎖鎖定，以阻止人員在測(cè)試過程中開門操作，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)只有在程序結(jié)束或中斷時(shí)，才允許打開測(cè)試室的門，以確保人員安全。

3）機(jī)械門鎖和密封塞固定夾

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生爆炸時(shí)，測(cè)試室原有的門鎖和穿線孔密封塞，很可能無法承受住爆炸時(shí)巨大的壓力，使大門和密封塞被彈開或飛出，造成人員傷害或財(cái)物的損失。通過額外的兩個(gè)加強(qiáng)型機(jī)械門鎖將大門與測(cè)試室相連，可以大大增加連接強(qiáng)度，防止測(cè)試室門在爆炸中被彈開，通過密封塞固定夾，可以防止密封塞在爆炸中飛出。

4）自恢復(fù)泄壓閥

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控時(shí)，會(huì)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量有毒有害的氣體，為了保障測(cè)試人員的安全，需要將泄漏的氣體通過泄壓閥迅速的排出，然后再通過廢氣管進(jìn)行收集處理。泄壓閥的尺寸，根據(jù)預(yù)計(jì)的氣體泄漏量確定。泄壓閥通過一個(gè)機(jī)械式的擋片，實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。

5）爆破片減壓裝置與箱體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生爆炸時(shí)，測(cè)試箱內(nèi)的壓力會(huì)瞬間上升，產(chǎn)生巨大的沖擊力。為了防止箱體在受到巨大的沖擊力后發(fā)生變形或損壞，需要對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)以承受爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，而安裝箱體頂部爆破片會(huì)在爆炸時(shí)被沖擊力破壞，以便迅速釋放壓力，減少爆炸的沖擊力，從而減少財(cái)物的損失。爆破片被集成到設(shè)備頂部上，即可以防止爆破片飛出傷人，也方便與廢氣管相連收集廢氣。

6）故障信號(hào)輸入和輸出

針對(duì)配置有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BMS）的鋰離子電池系統(tǒng)，當(dāng)BMS 檢測(cè)到系統(tǒng)溫度、壓力、電壓、電流等異常的時(shí)候，輸入故障信號(hào)給試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱將立即降溫，將溫度維持到20 ℃，防止電池包出現(xiàn)熱失控。當(dāng)試驗(yàn)箱出現(xiàn)故障時(shí)，輸出故障信號(hào)給BMS系統(tǒng)，通過BMS 系統(tǒng)斷開電池包的供電，防止電池包出現(xiàn)異常情況。

7）通過溫度傳感器測(cè)量探測(cè)火災(zāi)

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控前，電池局部溫度會(huì)異常升高，對(duì)于未配置電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BMS）的鋰離子電池系統(tǒng)，通過一個(gè)獨(dú)立的、可自由移動(dòng)的PT100 溫度傳感器可以檢測(cè)異常溫度上升，并輸出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，幫助測(cè)試人員盡早發(fā)現(xiàn)測(cè)試過程中的異常情況，阻止系統(tǒng)的進(jìn)一步惡化。該預(yù)警裝置具有高效、便捷、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。但是在熱失控發(fā)生過程中，電池內(nèi)外溫差總會(huì)造成溫度傳感器不能及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致檢測(cè)準(zhǔn)確度低。

8）通過CO 氣體測(cè)量探測(cè)火災(zāi)

相關(guān)研究人員通過對(duì)LIBs 熱失控過程產(chǎn)生氣體進(jìn)行采樣分析，發(fā)現(xiàn)CO 氣體濃度在電池包泄壓閥爆開前后有最明顯的變化，此時(shí)電池表面的溫度未超過100 ℃，因此CO 氣體濃度和電池表面溫度可共同作為電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警信號(hào)[5]?，F(xiàn)階段使用的CO 氣體探測(cè)傳感器相比于其他可燃性氣體傳感器具有價(jià)格低廉、耐用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。一氧化碳（CO）的測(cè)量方法如下：通過氣體測(cè)量泵從試驗(yàn)箱頂部抽取箱內(nèi)氣體，樣本氣體經(jīng)傳感器前的調(diào)溫裝置進(jìn)行調(diào)溫，再通過傳感器來測(cè)量樣本氣體中的CO 濃度，測(cè)試設(shè)備上有用于報(bào)警的觸點(diǎn)，當(dāng)CO 濃度超過200 ppm 時(shí)觸發(fā)一級(jí)報(bào)警，設(shè)備紅燈閃爍，試驗(yàn)箱不停機(jī)，當(dāng)CO 濃度超過1 000 ppm 時(shí)觸發(fā)二級(jí)報(bào)警，設(shè)備紅燈常亮，蜂鳴器響，滅火裝置啟動(dòng)。

9）滅火裝置

以二氧化碳滅火為例，當(dāng)傳感器檢測(cè)到火災(zāi)時(shí)，二氧化碳以液態(tài)的形式被自動(dòng)注入測(cè)試空間中。液態(tài)二氧化碳膨脹時(shí)，會(huì)吸收一定的熱量，形成二氧化碳雪，并使測(cè)試空間惰性化，最終實(shí)現(xiàn)滅火。其他的滅火劑或滅火裝置，如：七氟丙烷，高壓細(xì)水霧等滅火原理都是類似的。

10）氮?dú)獬掷m(xù)惰化和氧氣測(cè)量

對(duì)于處于早期研發(fā)階段的，有自燃或爆炸風(fēng)險(xiǎn)的鋰離子電池系統(tǒng)，將電池系統(tǒng)放置在低氧的環(huán)境下測(cè)試可以減少火災(zāi)和爆炸發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)電子門鎖啟動(dòng)后，用氮?dú)鈱?duì)試驗(yàn)空間進(jìn)行持續(xù)性惰化，測(cè)試開始時(shí)通過一個(gè)大流量的注入，在最短的時(shí)間內(nèi)將測(cè)試空間內(nèi)的氧氣濃度降低到5 %以下。之后系統(tǒng)切換到小流量模式，使測(cè)試空間內(nèi)氧氣濃度維持在5 %以下，氧氣測(cè)量單元被用來監(jiān)測(cè)測(cè)試空間的氧氣濃度。控制氮?dú)獾妮斎肓俊?/p>

3 安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置的配置

由上述安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置的作用可知，針對(duì)不同危險(xiǎn)等級(jí)的鋰離子電池系統(tǒng)，需要安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置是不同的，因此在進(jìn)行鋰離子電池系統(tǒng)測(cè)試前需要進(jìn)行的危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，以減少測(cè)試過程中得安全風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外的汽車廠家通常采用EUCAR 危害的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，如表1 所示。

表1 危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估表

根據(jù)不同的危險(xiǎn)等級(jí)，推薦的安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置的配置如表2 所示。

表2 安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置的配置

4 結(jié)論

本文對(duì)用于鋰離子電池系統(tǒng)測(cè)試的環(huán)境試驗(yàn)箱技術(shù)進(jìn)行了研究，通過對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控原理進(jìn)行分析，根據(jù)不同的危險(xiǎn)等級(jí)，在現(xiàn)有設(shè)備上模塊化的安裝相應(yīng)安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置，在減少測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，滿足不同產(chǎn)品的測(cè)試需求，大大縮短了設(shè)計(jì)的周期，節(jié)約測(cè)試成本，提高測(cè)試效率。通過對(duì)試驗(yàn)箱的安全測(cè)試，表明增加了安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置的試驗(yàn)箱在測(cè)試鋰離子電池系統(tǒng)過程中有良好的防護(hù)性能，可以在安全的條件下進(jìn)行鋰離子電池系統(tǒng)的測(cè)試，具有重要的實(shí)用價(jià)值，為鋰離子電池系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的研制提供參考。