新能源汽車電池檢測實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究與探討

毛慧鳳，于喜軍

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

引言

據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會估計(jì)，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(shí)間不超過95年。替代能源和能源存儲成為解決資源和環(huán)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(fā)展得到了越來越多重視，國內(nèi)紛紛建設(shè)新能源電池研發(fā)生產(chǎn)基地和新能源電池檢測實(shí)驗(yàn)室。如何在建設(shè)階段規(guī)劃電池實(shí)驗(yàn)室的安全？如何在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰A(chǔ)上投資電池檢測實(shí)驗(yàn)室？如何實(shí)現(xiàn)低成本、安全的使用新能源電池實(shí)驗(yàn)室？針對上述問題，本文從新能源實(shí)驗(yàn)室測試內(nèi)容、建筑規(guī)劃、設(shè)備布局、安全智能使用的角度探討新能源實(shí)驗(yàn)的運(yùn)營。

1 問題來源

新能源電池實(shí)驗(yàn)不同于家用電器和汽車電子產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)，由于電池的危險(xiǎn)性，電池測試過程中可能會產(chǎn)生有害氣體、冒煙、明火、爆炸，這些問題可能導(dǎo)致環(huán)境空氣污染、設(shè)備損壞、人員受傷，甚至對人身財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。因此，無論電池試驗(yàn)室規(guī)模大小，都有必要在新能源電池試驗(yàn)室的場地建設(shè)，設(shè)備購置，以及日常的運(yùn)營成本給予充分的重視。

作者經(jīng)歷了多次傳統(tǒng)汽車和新能源實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃、建設(shè)和設(shè)備采購，深深體會到試驗(yàn)室的籌建費(fèi)用和運(yùn)營費(fèi)用之高昂，所以一直潛心研究實(shí)驗(yàn)室場地建設(shè)、降低試驗(yàn)運(yùn)營成本和管理成本的辦法。

2 新能源汽車電池的測試內(nèi)容和潛在風(fēng)險(xiǎn)

為了評估電池在存儲、運(yùn)輸、誤用和濫用等情況下，是否會引發(fā)過熱、明火、爆炸、有害氣體溢出、人員安全等情況，由此應(yīng)運(yùn)而生的電池安全檢測標(biāo)準(zhǔn)有:國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC）、歐盟標(biāo)準(zhǔn)（EN）、中國標(biāo)準(zhǔn)（GB QC）、美國標(biāo)準(zhǔn)（SAE UL）、日本標(biāo)準(zhǔn)(JIS)，針對新能源汽車應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)是UN 38.3、QC 743、SAND 2005-3123、UL 2580、ISO 12405。電池標(biāo)準(zhǔn)針對的檢測項(xiàng)目，大體可分為電性能適應(yīng)性、機(jī)械適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性測試三大類的檢測。

1）電性能適應(yīng)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(shí)驗(yàn)過程風(fēng)險(xiǎn)較大，存在明火爆炸等劇烈現(xiàn)場。

2）機(jī)械適應(yīng)性：機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械碰撞沖擊、重物沖擊、自由跌落、翻轉(zhuǎn)、擠壓和探針針刺等。其中探針針刺和擠壓的實(shí)驗(yàn)過程風(fēng)險(xiǎn)較大，存在明火爆炸等劇烈現(xiàn)場。

3）環(huán)境適應(yīng)性：老化壽命、溫濕度循環(huán)、高低溫循環(huán)、溫度驟變、負(fù)壓測試、鹽霧、浸水試驗(yàn)、海水侵泡和明火焚燒等。其中明火焚燒實(shí)驗(yàn)過程風(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)致危險(xiǎn)，下面列舉新能源電池存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)：

1）著火、燃燒、爆炸

磷酸鐵鋰電池所應(yīng)用的非水有機(jī)體系的電解液具有低燃點(diǎn)的易燃性質(zhì)，它在溫度升高的密閉電池體系內(nèi)極易和充放電過程中非?；钴S的電極材料發(fā)生一連串催化的放熱反應(yīng)，從而引起熱失控。同時(shí)電解液和電極材料之間的副反應(yīng)伴有氣體產(chǎn)生，當(dāng)電池內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的閾值，泄爆閥開啟，并伴隨氣體泄放。如果電池內(nèi)部集聚溫度過高，與空氣中氧氣的接觸的情況下引起有機(jī)電解液的燃燒，最終導(dǎo)致電池的爆炸。電池檢測中的各種濫用實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)，是通過各種手段使電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路，引起正負(fù)材料和電解液的直接反應(yīng)，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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的著火、燃燒、爆炸的防護(hù)，重點(diǎn)是保證試驗(yàn)現(xiàn)場壓力要有足夠的釋放空間，防止燃燒的擴(kuò)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(shù)進(jìn)行預(yù)警檢測，以實(shí)現(xiàn)不爆炸或弱能量反應(yīng)。

2）有毒氣體的排放

由于電解液含有有機(jī)溶劑，在安全檢測過程中，電解液的高溫氣化導(dǎo)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(dāng)被測樣品是大功率的新能源電池時(shí)，有毒氣體的含量較多，且成分更為復(fù)雜，其排放問題更要注意，UL 2580規(guī)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(hù)重點(diǎn)，是加裝有害氣體檢測傳感器監(jiān)測有害氣體含量，加裝抽風(fēng)裝置或無害化處理裝置將有毒氣體抽離實(shí)驗(yàn)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(xiàn)漏液，漏液會腐蝕設(shè)備和測試臺的外表面。應(yīng)加倍關(guān)注富液設(shè)計(jì)電池的這種危害。因此無論是在有意破壞的漏液，或是實(shí)驗(yàn)過程意外泄露，都應(yīng)該關(guān)注人員防護(hù)、設(shè)備防護(hù)和測試環(huán)境防護(hù)。其防護(hù)重點(diǎn)是通過嚴(yán)格操作流程管理和規(guī)范，將漏液的腐蝕侵害降至最低。

3 新能源電池實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃和建設(shè)

在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室，既可以降低實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能系統(tǒng)的形成檢測能力，通常具有完整測試能力的電池檢測實(shí)驗(yàn)室 ，可規(guī)劃成如下功能分區(qū)：

1）電性能檢測區(qū)，此區(qū)域主要涉及的儀器是充放電機(jī)柜、內(nèi)阻測試儀、絕緣強(qiáng)度測試儀、絕緣電阻測試儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等，由于電池的實(shí)測容量與測試溫度有關(guān)，因此應(yīng)對此區(qū)域的溫度、濕度進(jìn)行控制。

2）機(jī)械性能測試區(qū)，此區(qū)域主要涉及的儀器包括充放電機(jī)柜、振動(dòng)試驗(yàn)臺、沖擊碰撞試驗(yàn)臺、翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺、三綜合試驗(yàn)臺，由于設(shè)備質(zhì)量重、體積大、噪音大，且部分檢測設(shè)備需要下挖，因此此區(qū)域多放置在一樓，做好隔音和隔震措施。

3）環(huán)境測試區(qū)，此區(qū)域主要完成溫度、濕度、老化、熱分析等實(shí)驗(yàn)，涉及的儀器包括充放電機(jī)柜、高低溫箱、負(fù)壓箱、溫濕度實(shí)驗(yàn)箱、熱分析儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等，此區(qū)域需要24 h 連續(xù)長時(shí)間工作，因此容易出現(xiàn)麻痹大意導(dǎo)致安全事故。

4）輔助功能區(qū)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)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(qū)等。樣品室存放電池樣品，需要頻繁檢查電池狀態(tài)。

5）電池安全測試區(qū)，此區(qū)域開展的測試均帶有危險(xiǎn)性，包括樣品不成熟導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)以及測試本身的風(fēng)險(xiǎn)，包括的測試項(xiàng)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(xiàng)目，涉及的設(shè)備包括充放電機(jī)柜、跌落試驗(yàn)臺、針刺試驗(yàn)機(jī)、擠壓試驗(yàn)機(jī)、燃燒試驗(yàn)機(jī)、短路試驗(yàn)機(jī)、浸泡設(shè)備、溫度箱等。由于此區(qū)域著火爆炸概率較高，因此需要建設(shè)行之有效的尾氣排放和處理措施，以避免對環(huán)境的影響。

科學(xué)合理的分區(qū)能夠提高測試的穩(wěn)定性和安全性，在分區(qū)的基礎(chǔ)上，功能分區(qū)需要注意：

人機(jī)分離，遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控。在上面的1）-4）分區(qū)相對安全，但是仍然需要人機(jī)分離，遠(yuǎn)距離監(jiān)控。盡量為操作人員提供溫濕度事宜、空氣新鮮、遠(yuǎn)離危險(xiǎn)、隔窗觀察、遠(yuǎn)程操控的環(huán)境，如圖1和圖2所示。

圖1 工作室和電池實(shí)驗(yàn)室分區(qū)效果圖

圖2 工作室視角觀察模組實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備需具備遠(yuǎn)程控制功能，在購置階段可以要求供應(yīng)商添加此功能，對于購買時(shí)間比較長的老舊設(shè)備可通過升級或二次開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)集中控制，同時(shí)也需要危險(xiǎn)緊急處置能力，比如遠(yuǎn)程自動(dòng)滅火裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程斷電、危險(xiǎn)自動(dòng)識別等措施，使操作人員在處理危險(xiǎn)時(shí)，遠(yuǎn)距離控制，避免人身和健康傷害。在2）實(shí)驗(yàn)區(qū)噪音較大，需要考慮隔音；在3）實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)備位置集中且發(fā)熱量較大，需要考慮設(shè)備散熱；在4）庫房和樣品室要做物理分區(qū)。

在5）分區(qū)危險(xiǎn)性較大，存在大概率的起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，因此除了要求具備上述要求外，還需要配置：正壓防爆房、強(qiáng)排風(fēng)系統(tǒng)、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(hù)（3M防毒面具、護(hù)目鏡、防護(hù)服裝、防護(hù)手套）、拆解臺、電池回收罐等，要能做到——爆炸前預(yù)知、爆炸過程穩(wěn)定、全程數(shù)據(jù)記錄、爆炸后現(xiàn)場可控、污染物可回收，基本思路如下：

爆炸前預(yù)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(biāo)達(dá)到爆炸前預(yù)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(yù)警的重要指標(biāo)，對相同規(guī)格的電池具有相似的指標(biāo)，通過概率分布可形成較好的爆炸預(yù)測。

爆炸過程控制：電池連鎖爆炸是爆炸過程控制的重點(diǎn)，通過切斷電流回路、降低爆炸現(xiàn)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(shí)也保留了測試樣品。

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

表1 檢測設(shè)備智能改造前后的對比表

4 檢測設(shè)備的升級改造

早期購置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒有遠(yuǎn)程控制、排風(fēng)、耐爆炸的功能，需要尋找其他辦法對設(shè)備進(jìn)行必要的改造升級，升級內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)加固升級和電氣功能升級。其中電氣功能升級根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的復(fù)雜程度對應(yīng)不同的改造方案：如果實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shí)現(xiàn)控制，針對這種方式可采取PLC程序破解，或者重新開發(fā)PLC控制程序來完善遠(yuǎn)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(yè)人員改造；如果實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能非常復(fù)雜，比如充放電機(jī)柜為廠家開發(fā)的電路，則采用輔助的檢測采集模塊和控制輸出開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)采集和控制，此方案不影響設(shè)備的質(zhì)保和售后，具有很好的普遍性。表1是對檢測設(shè)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(shù)量，而且極大降低了危險(xiǎn)發(fā)生次數(shù)和危險(xiǎn)處置時(shí)間。此方案具有極大的使用應(yīng)和推廣空間。

5 結(jié)語

事實(shí)證明，在新能源電池實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期的規(guī)劃必將為企業(yè)節(jié)省大量整改資金，同時(shí)對人員和設(shè)備的安全提供了扎實(shí)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(wěn)定性。

[1]United Nations. Recommendations on the Transport of Dangerous Goods-Model Regulations［M］. 17th ed. New York:United Nations Publications，2011. 185 － 295.

[2]GU Hao-fei( 顧浩飛) , LIU Yi( 劉怡) , XU Rong( 徐嶸) . 電池危險(xiǎn)品鑒別的方法綜述[J]. Battery Bimonthly ( 電池) , 2009, 39(2):104 -105.

[3]David L, Thomas B R. WANG Ji-qiang( 汪繼強(qiáng)) , BI Dao-zhi( 畢道治) , HU Shu-qing( 胡樹清) , et al 譯. Handbook of Batteries( 電池手冊) [M]. 原著第三版. Beijing ( 北京) : ChemicalIndustry Press(化學(xué)工業(yè)出版社) , 2007.

[4]IEC 62133: 2002, Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Safety requirements for portable sealed secondary cells，and for batteries made from them，for use in portable applications [S].

[5]XU Rong( 徐嶸) , LIU Yi( 劉怡) , LUO Hai-long( 羅海龍) . 密封鉛酸電池是否為危險(xiǎn)品的鑒別方法[J]. Battery Bimonthly( 電池) , 2006,36(4) : 280 - 282.

[6]UL 2580 -2011, Batteries for use in electric vehicles [S].

[7]Terlep S. Test explodes electric - car battery, injuring General Motors lab worker [N]. The Wall Street Journal, 2012.04.

[8]白木,周潔.我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展綜述,機(jī)電信息[J]. 2003(17).

[9]熊建,管華.混合動(dòng)力電動(dòng)客車的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化,客車技術(shù)與研究[J]. 2002,(3).

[10]沈蘇彬,范曲立,宗平．物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2009,29(6):1-10.

[11]王保云．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009,23(12):1-7.

[12]康東,李勇鵬．射頻識別(FRID)核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)案例[M].北京：人民郵電出版社, 2008.

[13]陳積明,林瑞仲．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息處理研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2006,27(9):1107-1111.

[14]王群．物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究及模擬實(shí)驗(yàn)平臺的組建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2010,27(10):178-181．

[15]徐嶸,龍斌.電池檢測實(shí)驗(yàn)室的安全防護(hù)[J]. Battery Bimonthly(電池) , 2013,43( 2) : 103 -105.