礦用鋰離子蓄電池電源安全性能試驗要求變化淺析

許明英

【摘要】 鋰離子蓄電池電源作為可靠的供電設(shè)備已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于煤礦井下，但由于鋰離子電池存在的安全問題，使其在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制。大容量鋰離子電池電源在煤礦井下應(yīng)用的安全性問題更是重中之重。為把好礦用鋰離子蓄電池電源產(chǎn)品在該領(lǐng)域的準入關(guān)，國家相繼制定新相關(guān)要求，來嚴格生產(chǎn)和檢驗。文章闡述了礦用鋰離子蓄電池電源安全性能試驗要求的幾點變化，分析了變化的原因和考核針對物質(zhì)。對落實新要求有著積極作用。

【關(guān)鍵詞】 鋰離子電池 過充保護 過放保護 短路保護 試驗要求

Requirements change mine lithium-ion battery power supply of the safety performance test Xu Mingying （Shenyang Institute of Coal Group Co.， Ltd， Detection Center，F(xiàn)ushun，Liaoning，113112 ， China）

Abstract：Lithium-ion batteries as a reliable power supply equipment has been widely used in coal mine， but the security implications due to the improper use of lithium and its application in the coal field has been largely restricted. Large-capacity lithium-ion battery power coal mine safety issues in the application is the top priority， Mine was the good lithium-ion batteries power products access and in the field， countries have to develop new requirements to stringent production and inspection.Some Changes article describes the mine lithium-ion battery power supply safety performance test requirements， analysis of the reasons for the change and assessment for substance. To implement the new requirements have a positive effect.

Key words： Lithium ion battery； Overcharge protection； Over-discharge protection； Short circuit protection； test system

國家煤礦安全監(jiān)察局2011年1月25日下發(fā)文件，提出所有井工煤礦應(yīng)按照規(guī)定要求建設(shè)完善煤礦井下緊急避險系統(tǒng)，符合“系統(tǒng)可靠、設(shè)施完善、管理到位、運轉(zhuǎn)有效”的要求，并規(guī)定完成時限。而緊急避險系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容是供電系統(tǒng)。隨著煤炭工業(yè)發(fā)展和礦山裝備技術(shù)進步，監(jiān)測通信系統(tǒng)、緊急避險設(shè)施、井下運輸車輛等對防爆電源的容量要求越來越高，同時 GB3836.2-2010《爆炸性環(huán) 境 第 2 部分：由隔爆外殼“d”保護的設(shè)備》中明確禁止“在正常使用時可能釋放電解氣體的電池”在隔爆外殼內(nèi)使用。為滿足目前煤礦裝備的迫切需要，在充分研究、反復(fù)征求各方面專家意見以及進行相關(guān)試驗研究的基礎(chǔ)上，制定的《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》，在原有相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，進一步詳細規(guī)定了20 Ah～100 Ah鋰離子電池電源的安全性能要求，為鋰離子電池電源生產(chǎn)、檢驗提供了新的依據(jù)。而對于生產(chǎn)和質(zhì)檢部門，研究、落實新要求成為目前亟待解決的問題。

一、礦用鋰離子蓄電池電源安全性能試驗要求變化內(nèi)容

礦用鋰離子蓄電池電源保護性能試驗原要求執(zhí)行MT/ T408-1995《煤礦用直流穩(wěn)壓電源》和MT/T1078-2008《礦用本質(zhì)安全輸出直流電源》行業(yè)標準，包括過壓保護、過流保護、短路保護、過充保護、過放保護要求。

在《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》新要求中對“過壓保護、過流保護、短路保護、過充保護、過放保護”的要求有較大改變，并增加溫度保護和具體的保護時間。具體變化如下：

1.1過壓保護

過壓保護試驗要求變化可以用“定模組，定單體，定保護值和定狀態(tài)”概括。具體見表1。

1.2過流保護

過流保護試驗要求變化可以用“定模組，定單體，定保護值和定狀態(tài)”概括。具體見表2。

1.3短路

短路試驗要求變化突出了核心問題短路電阻和短路時間。

1.4 溫度保護

為新增試驗項目，內(nèi)容為：將電池溫度檢測元件置于溫箱中，從室溫以不大于 3℃/min 升溫速率調(diào)整溫箱中的溫度至低于規(guī)定的單體電池最高表面溫度的 5℃，電源應(yīng)處于正常工作狀態(tài)；以不大于 1℃/min 升溫速率平穩(wěn)調(diào)整溫箱中的溫度至電源斷 開與用電設(shè)備連接，記錄動作時間和動作溫度；動作溫度應(yīng)為的保護溫度值±2℃。溫箱停止升溫，至電源報警或顯示，記錄時間，電源斷開與用電設(shè)備連接與電源 顯示或報警的時間間隔應(yīng)小于 20s。 溫箱以不大于1℃/min 速率降溫，至電源與用電設(shè)備恢復(fù)連接，記錄恢復(fù)時 間和恢復(fù)溫度，恢復(fù)溫度應(yīng)為單體電池最高表面溫度值±2℃；至電源溫度保護顯示或報警消失，記錄時間，電源恢復(fù)與用電設(shè)備連接與電源顯示或報警消失的時 間間隔應(yīng)小于 20s。 試驗過程溫箱最高溫度的設(shè)置宜不超過 65℃。

二、鋰離子電池安全性能試驗要求變化分析

2.1過壓保護

原試驗要求中對單體電池保護和報警顯示沒有要求，電源中的電池多以模組的型式出現(xiàn)，由于電池內(nèi)阻的不平衡導(dǎo)致單體電池的電壓不一致，在模組未過充和過放的情況下，單體電池可能存在一定的過充、過放的可能性，從而帶來安全隱患。新要求中增加了單體電池的保護要求和報警顯示能更大的降低鋰電池的不安全因素，也能保證單體電池間的平衡性，進而保證電池性能和延長電池壽命。

2.2過流保護

原試驗要求中對單體電池保護和報警顯示沒有要求，電源中的電池多以模組的型式出現(xiàn)，由于電池內(nèi)阻的不平衡導(dǎo)致單體電池的的充放電電流不一致，在模組未過充和過放的情況下，單體電池可能存在一定的過流的可能性，從而帶來安全隱患。新要求中增加了單體電池的保護要求和報警顯示能更大的降低鋰電池的不安全因素，也能保證單體電池間的平衡性，進而保證電池性能和延長電池壽命。新標準中增加在100ms 內(nèi)斷開與充電器連接（對于運輸車輛和柴油機起動機用電源，動作時間為 2s）的保護時間，能在時間上保證保護功能的實施。更能保護電源的安全。

2.3短路

鋰離子電池內(nèi)阻一般為50 mΩ。電源模組的總計內(nèi)阻未50N mΩ原標準要求未規(guī)定短路電阻，在這種條件下短路時，電池內(nèi)部電阻和外加電阻共同分擔電池電壓，內(nèi)阻與外阻為串聯(lián)狀態(tài)，阻值越大分擔的電壓越大，即在其上產(chǎn)生的電功率越大、相應(yīng)的能量也越大。即外部短路電阻大于內(nèi)阻時，大部分能量都釋放在外阻上了，這樣電池在短路時內(nèi)部溫度升小，達不到考核電源的目的。

新標準要求的短路電阻小于5 mΩ，在此條件下短路電池時，內(nèi)阻分擔的電壓就會為外阻的十倍，內(nèi)阻上產(chǎn)生的電功率也會相應(yīng)的為外阻產(chǎn)生的電功率的十倍。相應(yīng)內(nèi)阻上的能量也會遠大于外阻產(chǎn)生的能量。結(jié)果就是電池內(nèi)部的溫度會急劇升高。進而能考核電池隔膜的質(zhì)量優(yōu)劣。電池外短路電阻越小理論上電池內(nèi)阻分擔到的能量就會越高。這樣對電池的質(zhì)量考核就越苛刻。但是基于實際安全性能的考核和試驗成本兩方面的考慮，外阻5 mΩ即能節(jié)約試驗成本又能考核電源性能。新標準要求中增加使電源輸出處于短路狀態(tài)，電源應(yīng)實現(xiàn)放電短路保護，50ms 內(nèi)斷開與用電設(shè)備連接，停止放電，并在 10s 內(nèi)報警或顯示。在時間上保證了保護的實施，能保障在短路狀態(tài)下，減少對電池的破壞，降低不安全因素，從源頭上保證電源的安全。

2.4 溫度保護

新標準增加了溫度保護試驗，主要原因是原標準要求的電池一般10 Ah以下，電池的體積和質(zhì)量都很小，發(fā)生短路、過流、過壓時溫度升高的幅度小，造成不安全的可能性小。新標準是針對20 Ah～100 Ah的大體積、大質(zhì)量鋰電池。在使用中發(fā)生短路、過流、過壓時，溫度升高的幅度加大，造成不安全的因素加大，溫度過高在煤礦井下容易引起瓦斯爆炸。新標準不但增加了溫度保護，而且還增加了保護時間，能在時間上保證保護功能的實施。

三、結(jié)論

通過礦用鋰離子蓄電池電源安全性能要求變化分析可得出以下結(jié)論：1）礦用鋰離子蓄電池電源安全性能要求適應(yīng)范圍更廣了。2）試驗要求對礦用鋰離子蓄電池電源安全性能要求更高、更苛刻。3）試驗要求兼顧了試驗的可行性和可操作性。4）試驗要求突出具體化、短時間的要求。

參 考 文 獻

[1]孫繼平，彭霞，田子健，等MT/T1078-2008礦用本質(zhì)安全輸出直流電源[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[2]沈世莊，彭霞，沈超，等MT/T408-1995煤礦用直流穩(wěn)壓電源 [S].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.