電動(dòng)汽車鋰離子電池試驗(yàn)的安全防護(hù)措施

韋 莉 ，王婷婷，周 驊，盧兆明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200031）

在對(duì)試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)和受試樣品的結(jié)構(gòu)原理、承受能力以及可能影響安全的要素進(jìn)行客觀、具體分析基礎(chǔ)上，按照 《檢測實(shí)驗(yàn)室安全》的規(guī)范和要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體條件，采取必要可行的試驗(yàn)防護(hù)措施。

1 防護(hù)的基本內(nèi)容

相對(duì)于其他類型的動(dòng)力電池，電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子電池由于其電化學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及應(yīng)用環(huán)境，如在試驗(yàn)過程中不特別注意，更易出現(xiàn)燃燒和爆炸等不安全狀態(tài)結(jié)果。試驗(yàn)過程中，尤其在較高嚴(yán)酷度的試驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室的安全防護(hù)是不能回避的現(xiàn)實(shí)。

為了便于表述，將防護(hù)措施分為試驗(yàn)人員和設(shè)備的硬件設(shè)施防護(hù) （用于因泄漏、破裂、燃燒和爆炸等結(jié)果造成的不安全狀態(tài)的防護(hù)），以及以歸避狀態(tài)出現(xiàn)為目的的軟件預(yù)警／控制防護(hù)措施。對(duì)防護(hù)的基本設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮兩方面情況，且都應(yīng)適當(dāng)和有效。此外，從受防護(hù)的對(duì)象考慮，又可大致分為以下幾個(gè)方面。

1）人員的防護(hù) 在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過程中，首先應(yīng)防護(hù)的是試驗(yàn)操作人員。試驗(yàn)操作人員同時(shí)應(yīng)該是軟防護(hù)的設(shè)計(jì)者和執(zhí)行人，也是防護(hù)第一對(duì)象。在試驗(yàn)狀態(tài)退出的處置和試驗(yàn)銜接的轉(zhuǎn)移等環(huán)節(jié)中，無法避免地會(huì)與樣品近距離接觸。硬防護(hù)用品包括護(hù)目鏡、面罩、頭盔；隔熱長手套 （阻燃，易脫?。?、合適的觸及樣品和搬運(yùn)樣品的工具 （應(yīng)隨手可及）；外套、護(hù)裙和適合的鞋、靴等 （防燃燒、噴射物和高溫粘結(jié)，防重物跌落）等；還應(yīng)針對(duì)性設(shè)置可視遮蔽屏。通過軟硬防護(hù)的結(jié)合，選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)用品和方式，可以保證試驗(yàn)操作人員更好地進(jìn)行試驗(yàn)，且免受傷害。

2）設(shè)備的防護(hù) 值得注意的是，用軟件防護(hù)可一定程度上降低危險(xiǎn)的發(fā)生，但提前退出試驗(yàn)，將造成試驗(yàn)不完整，且影響對(duì)試驗(yàn)的判據(jù)?？赏ㄟ^加強(qiáng)設(shè)備的防護(hù)來解決這個(gè)問題。對(duì)較為貴重的氣候環(huán)境試驗(yàn)箱和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，除要有阻燃、防爆隔斷防護(hù)設(shè)施外，還應(yīng)設(shè)置防碎片和粘稠的絮狀物的措施。二次儀表應(yīng)與溫度傳感器、加速度計(jì)等一次儀表保持有效的連結(jié)和合適的距離。

3）受試樣品的保護(hù) 即使是受損的樣品也具有保全的價(jià)值。電池芯單體樣品緊密排列，受試時(shí)應(yīng)防止受到影響和干擾，免受殃及；電池組／系統(tǒng)由于外殼的遮蔽，一方面應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置危險(xiǎn)狀態(tài)，防止危險(xiǎn)狀態(tài)的連鎖反應(yīng)；同時(shí)如發(fā)生狀況，應(yīng)盡可能保全試樣，以便分析。

4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保全 如發(fā)生燃燒或爆炸，溫度傳感器和加速度計(jì)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(hào)及記錄的數(shù)據(jù)仍應(yīng)是有效的。無論樣品是否通過試驗(yàn)，這些數(shù)據(jù)和信息也是極具分析價(jià)值的?，F(xiàn)場監(jiān)視影像和拍攝的圖片也是重要的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，都應(yīng)注意收集和整理。

5）試驗(yàn)環(huán)境的保護(hù) 在封閉的試驗(yàn)環(huán)境中（如在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)）出現(xiàn)可以判據(jù)的狀態(tài)，應(yīng)中止試驗(yàn)。在取證后 （如對(duì)煙霧、著火圖像的攝?。?，應(yīng)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(yàn)箱，煙霧氣體就必然會(huì)進(jìn)入試驗(yàn)場地。此時(shí)，人員首先應(yīng)有防煙氣的呼吸防護(hù)用品；場地內(nèi)應(yīng)有相應(yīng)的獨(dú)立換氣排放系統(tǒng)等。通過箱體專用排氣通道排出的廢氣或場地?fù)Q氣排放的氣體，應(yīng)符合實(shí)驗(yàn)室所在地規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)直接排放。

值得注意的是，當(dāng)停止試驗(yàn)后，即使電池芯單體樣品或電池組／系統(tǒng)內(nèi)的電池芯單體未發(fā)生狀況，但其內(nèi)部的活動(dòng)和反應(yīng)實(shí)際上尚未停止或平息。應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行溫度測量和外觀觀察，并按標(biāo)準(zhǔn)要求的滯后反應(yīng)條件退出試驗(yàn)。

6）廢棄物的處置 取證后的試驗(yàn)廢棄物，應(yīng)按樣品供應(yīng)商的提示和實(shí)驗(yàn)室的有關(guān)規(guī)范進(jìn)行無害化處理，或提交專業(yè)機(jī)構(gòu)按相關(guān)規(guī)定和程序合理處置。

2 軟件預(yù)警／控制防護(hù)

通過在線測量和監(jiān)控采樣，分析采集的溫度-時(shí)間曲線，以了解受試樣品在試驗(yàn)中內(nèi)部狀態(tài)的基本情況。根據(jù)樣品的特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和極限設(shè)定，可以向試驗(yàn)人員提供樣品狀態(tài)預(yù)警，為試驗(yàn)控制和防護(hù)提供選擇余地。此外，實(shí)時(shí)采集的圖像信息，可對(duì)樣品發(fā)生狀態(tài)后及時(shí)采取有效防護(hù)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(diǎn)。試驗(yàn)中主要對(duì)樣品中單體電池芯進(jìn)行溫度監(jiān)測，包括電池組／系統(tǒng)內(nèi)的單體電池芯。參考文獻(xiàn)［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(yàn)原理上考慮，應(yīng)該設(shè)置在溫度最敏感的位置；或者粘結(jié)在 “最不利”的位置，也就是可采集到最不利參數(shù)的位置。

一般可采用熱慣量較小、響應(yīng)時(shí)間常數(shù)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(yīng)緊貼芯體表面。熱電偶可被安置在薄紙片或標(biāo)簽上。二次儀表可用多路數(shù)字溫度巡檢設(shè)備進(jìn)行時(shí)間間隔不間斷地檢測和記錄，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行整理分析。不僅檢測溫度的實(shí)時(shí)狀態(tài)，還可以進(jìn)一步給出溫度變化率及其變化規(guī)律。

有經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)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(shí)際狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上設(shè)置狀態(tài)警示或預(yù)警，“閉孔溫度”和 “破膜溫度”就是有意義的參照系。一般對(duì)樣品狀態(tài)的警示或預(yù)警設(shè)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(tài)警示或預(yù)警等級(jí)標(biāo)識(shí)。

2.2 傳感器的布置

溫度測量應(yīng)該在每個(gè)電池芯單體上進(jìn)行，包括電池組／系統(tǒng)。傳感器應(yīng)該設(shè)置在電池芯溫度最敏感的位置。即使因電池組／系統(tǒng)的產(chǎn)品集成有所妨礙，也要設(shè)法與供應(yīng)商協(xié)商采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。測量系統(tǒng)未必要求高的精度，但響應(yīng)要快；巡檢的時(shí)間間隔應(yīng)均勻，由此才能得到可信的溫升速率參數(shù)。包括溫度傳感器在內(nèi)的測量系統(tǒng)在試驗(yàn)前應(yīng)經(jīng)過校準(zhǔn)。

2.3 其他參數(shù)

參考文獻(xiàn)［3］中還討論了試驗(yàn)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(nèi)阻等其他參數(shù)，可以較為準(zhǔn)確地判定受試樣品的實(shí)際工作狀態(tài)。甚至通過采樣比較，分析出該樣品在整個(gè)電池組／系統(tǒng)的電池芯單體集合中相對(duì)所處的狀態(tài)地位。這些測量和運(yùn)算在某些性能檢測項(xiàng)目中規(guī)定采用。由于數(shù)據(jù)采集量和處理速度問題，且占用的儀器數(shù)量眾多，試驗(yàn)準(zhǔn)備工作量也較為繁重，是否用于在實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)上，還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況而定。

3 硬件設(shè)施防護(hù)

前面已經(jīng)列舉了人員防護(hù)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(shí)驗(yàn)室管理應(yīng)對(duì)此有效文件進(jìn)行規(guī)范，去除試驗(yàn)操作人員的麻痹思想，保持防范意識(shí)。經(jīng)常進(jìn)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(yàn)中的碾壓試驗(yàn)［5］和撞擊 （沖擊）試驗(yàn)［6］的試驗(yàn)過程可能產(chǎn)生較劇烈的反應(yīng)。前者用相當(dāng)樣品自重質(zhì)量1 000倍的力進(jìn)行碾壓；撞擊試驗(yàn)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(yàn)及防護(hù)裝置，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要可加用防護(hù)網(wǎng)。圖3是經(jīng)撞擊試驗(yàn)的電池芯單體的樣品。

相對(duì)封閉的鋼制試驗(yàn)箱具有很好的防護(hù)效果，但在試驗(yàn)中會(huì)因視線被遮擋而造成不便?？梢杂梅辣ＡШ头雷o(hù)網(wǎng)結(jié)合開設(shè)觀測窗口。防護(hù)網(wǎng)適用于碾壓和撞擊試驗(yàn)防護(hù)，也常用于常溫試驗(yàn)和試驗(yàn)箱內(nèi)試驗(yàn)的防護(hù)。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(wǎng)［5］，對(duì)不同預(yù)估烈度、不同散射物質(zhì)的防護(hù)可以選用不同的防護(hù)網(wǎng)具。

氣候試驗(yàn)箱是一個(gè)獨(dú)立的氣候空間，伴有循環(huán)的流動(dòng)空氣。遇有樣品氣體泄漏或粘稠物噴射時(shí)，會(huì)增大攪動(dòng)和彌散。吸入空氣循環(huán)系統(tǒng)后，落在風(fēng)道、風(fēng)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(nèi)經(jīng)細(xì)研的容充物經(jīng)干燥后，如以粉塵形式懸浮，還會(huì)造成更大的次生災(zāi)害。即便是噴射物粘結(jié)在箱壁上也是不小的麻煩。對(duì)于此種情況，首先應(yīng)選用工作空間較大的試驗(yàn)箱，便于采取防護(hù)措施和應(yīng)急操作；試驗(yàn)箱應(yīng)有一定的防爆設(shè)計(jì)，如避免電火花、電觸點(diǎn)和活動(dòng)部件的金屬摩擦；最好有廢氣排放通道。此外，還可采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)網(wǎng)。防護(hù)網(wǎng)的設(shè)置還應(yīng)考慮到樣品緊急撤離的操作性。

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和沖擊試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)防止異物進(jìn)入試驗(yàn)設(shè)備活動(dòng)部分的縫隙，基本的防護(hù)措施也是防護(hù)網(wǎng)，但防護(hù)網(wǎng)應(yīng)針對(duì)設(shè)備設(shè)置。而對(duì)樣品設(shè)置防護(hù)網(wǎng)會(huì)影響試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臏缁鸫胧?。根?jù)不同的場地條件，可以采取撲蓋和噴灑滅火劑。應(yīng)在狀況發(fā)生前充分考慮設(shè)備的保全，在遇有狀況時(shí)不應(yīng)再考慮滅火劑是否會(huì)影響設(shè)備的保全。

設(shè)置視頻探頭，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)視和記錄是可實(shí)現(xiàn)的有效方法。不僅可以提高監(jiān)視效率，還可以保全原始圖像。在遇有狀況時(shí)還省卻可采錄證據(jù)材料的過程。視頻探頭的設(shè)置位置應(yīng)合理得當(dāng)。

無論用軟件技術(shù)還是硬件設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)，其協(xié)調(diào)、融匯互補(bǔ)和有效實(shí)施還是要靠管理機(jī)制。對(duì)可能出現(xiàn)的影響安全的狀態(tài)，要安排或騰出足夠的場地以便施展；應(yīng)設(shè)計(jì)或安排排放和通風(fēng)設(shè)施；用文件規(guī)范處置狀態(tài)的順序和取舍原則；用實(shí)施細(xì)則規(guī)定操作要素和步驟；組織人員的培訓(xùn)和操演；對(duì)狀態(tài)經(jīng)過的記錄、描述和報(bào)告的具體要求；以及保全保險(xiǎn)索賠要據(jù)，等等。

4 總結(jié)

1）當(dāng)受試的電池芯單體、電池組／電池系統(tǒng)在進(jìn)行溫度類試驗(yàn)、壽命循環(huán)試驗(yàn)退出試驗(yàn)時(shí)，樣品體溫度高于預(yù)處理／恢復(fù)溫度時(shí)；以及在短路類試驗(yàn)、低氣壓試驗(yàn)以及振動(dòng)沖擊類等試驗(yàn)后，樣品內(nèi)部的活動(dòng)和反應(yīng)實(shí)際上尚未停止或平息，有滯后出現(xiàn)不安全狀態(tài)的可能。應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行溫度測量和外觀觀察，并按標(biāo)準(zhǔn)要求的滯后反應(yīng)條件退出監(jiān)測。這些退出條件可以是連續(xù)觀察1 h、2 h或4 h，提供溫度關(guān)于時(shí)間的函數(shù) （曲線）。此間的溫度應(yīng)是逐漸趨向于RT；如在1h內(nèi)，溫度的變化小于1K，則認(rèn)為溫度趨向穩(wěn)定。

2）按照試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，對(duì)試驗(yàn)終止條件參數(shù)設(shè)置和判據(jù)不盡相同。有些按受試樣品的“閉孔溫度”、“破膜溫度”或相對(duì)低5K左右給出的終止試驗(yàn)的溫度；有些試驗(yàn)則對(duì)試驗(yàn)結(jié)果要求給出一個(gè)典型的描述，如非正常工作 （濫用）試驗(yàn)。

3）溫度測量中，會(huì)遇到不同包裝的電池芯單體。不同的包裝式樣、材料、厚度會(huì)形成不同的溫度傳遞效率，也就是梯度。這些因數(shù)應(yīng)在測量、分析和預(yù)警系中修正設(shè)置予以體現(xiàn)。由此，試驗(yàn)的終止條件和判據(jù)參數(shù)應(yīng)該在試驗(yàn)設(shè)計(jì)或委托時(shí)明確規(guī)定。這通常與試驗(yàn)的性質(zhì)和任務(wù)目標(biāo)相關(guān)聯(lián)。

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

5）溫度傳感器的布置應(yīng)該有一份對(duì)應(yīng)的樣品位置定位的分布清單，對(duì)電池芯單體樣品試驗(yàn)是如此，對(duì)電池組／系統(tǒng)內(nèi)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(yàn)準(zhǔn)備開始，經(jīng)歷所有試驗(yàn)環(huán)節(jié)，一直到樣品退出試驗(yàn)為止，始終伴隨著電池芯樣品。

6）對(duì)防護(hù)爆炸和燃燒的原理和烈度應(yīng)有適當(dāng)?shù)墓烙?jì)。有資料將電池芯內(nèi)充材料的化學(xué)能量折算成爆炸能量或TNT當(dāng)量，是不太恰當(dāng)?shù)摹Ｔ囼?yàn)引起的爆炸和燃燒，多是因電池芯內(nèi)部損壞 （短路或內(nèi)阻增大）產(chǎn)生高溫，或是受外力破壞及受外部溫度導(dǎo)致電池芯體內(nèi)活動(dòng)異常產(chǎn)生的高溫、高壓瞬時(shí)釋放，較為猛烈的就是爆炸。這和TNT的化學(xué)反應(yīng)爆炸的樣式和效果是不一樣的。當(dāng)電池芯體內(nèi)的輕金屬粉末或易燃物質(zhì)在高溫條件下溢出遇氧，滿足燃燒條件，導(dǎo)致燃燒。燃燒的可持續(xù)條件并不充分，而與著火點(diǎn)附近部件的燃燒特性有很大的關(guān)系。應(yīng)該在試驗(yàn)前對(duì)受試樣品包裹材料的燃燒性能有所了解?？梢韵刃袑?duì)材料進(jìn)行燃燒性能測定，尤其對(duì)內(nèi)裝組件較為復(fù)雜的電池組／系統(tǒng)。對(duì)輕金屬鑄件或脆性塑料件外殼的樣品，也應(yīng)對(duì)其在爆炸中可能產(chǎn)生的破片沖擊或散落的規(guī)模有所顧及。

7）在溫度試驗(yàn)箱內(nèi)使用防護(hù)網(wǎng)，會(huì)改變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)的溫度分布。較為有效的方法是對(duì)防護(hù)網(wǎng)內(nèi)的小環(huán)境進(jìn)行標(biāo)定，修正溫度控制參數(shù)。

8）汽車動(dòng)力鋰離子電池環(huán)境試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，從受試樣品自身價(jià)值到試驗(yàn)的實(shí)施成本，都是非常昂貴的。全套試驗(yàn)的時(shí)間經(jīng)歷也很長，同時(shí)還要進(jìn)行必不可少的安全防護(hù)措施，不免有些額外的損失，如傳感器的損耗和設(shè)備損傷，以及技術(shù)上的冗余和備份。所以在試驗(yàn)前，應(yīng)精心規(guī)劃設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中謹(jǐn)慎實(shí)施操作，防患于未然，以獲取完整的試驗(yàn)結(jié)果。

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