鋰電池組短路測(cè)試失敗案例分析與探討

李炳坤

（ 蘇州UL美華認(rèn)證有限公司，江蘇 蘇州 215000 ）

0 引言

隨著電動(dòng)工具行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，性能穩(wěn)定、攜帶方便的充電式電動(dòng)工具被越來越多的用戶所接受。目前，市場(chǎng)中以鋰離子電池組為動(dòng)力源的工具產(chǎn)品占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額，這也使得制造商對(duì)工具產(chǎn)品搭配的電池組安全性能加以重視。本文依據(jù)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋰電池組短路測(cè)試時(shí)的失敗案例作分析。

1 概述

近年來，美國保險(xiǎn)商試驗(yàn)所（UL）加快了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新步伐。2013年5月，UL在UL 2575的基礎(chǔ)上，發(fā)布了UL 2595安全標(biāo)準(zhǔn)——電池供電器具的通用要求第一版，針對(duì)使用電池供電的電器提出了更嚴(yán)格的安全要求。2015年9月更新為第二版，協(xié)同IEC/UL 62841-1附錄K對(duì)電池產(chǎn)品的要求，于2015年4月被吸塵器標(biāo)準(zhǔn)UL 1017 Ed 9率先采納并執(zhí)行。蘇州UL美華認(rèn)證有限公司自2011年開始與UL 2595標(biāo)準(zhǔn)起草的制造商合作，進(jìn)行了大量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布前的驗(yàn)證測(cè)試工作，提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)及依據(jù)。

2 現(xiàn)狀

目前，UL 2595 Ed 2已被傳統(tǒng)的UL園林工具類產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，如UL 82電動(dòng)園林器具、UL 1447電動(dòng)割草機(jī)、UL 1090電動(dòng)掃雪機(jī)以及UL 1017吸塵器等采納，作為專門針對(duì)電池系統(tǒng)的安全要求。此外，最新推出的UL 1576手電筒標(biāo)準(zhǔn)也直接指向UL 2595，預(yù)期會(huì)有水泵，風(fēng)扇等更多最終產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)采納UL 2595作為針對(duì)電池系統(tǒng)的要求。

同步地， IEC新發(fā)布的IEC 62841系列標(biāo)準(zhǔn)中，在附錄 K章節(jié)等同采納了UL 2595的要求。隨著IEC 62841對(duì)應(yīng)的手持式工具、可移式工具和園林工具標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布與生效，以及北美、歐洲及澳洲對(duì)應(yīng)于該系列標(biāo)準(zhǔn)的UL/CSA/IEC/AS/NZS 62841系列和中國對(duì)應(yīng)的GB/T 3883系列標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布與生效，全球市場(chǎng)對(duì)電池供電類工具和電器產(chǎn)品的安全性要求日益提高，歐美市場(chǎng)更是迅速采納了這些標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋰離子電池供電類電器產(chǎn)品設(shè)定了更嚴(yán)格的檢測(cè)項(xiàng)目。

3 測(cè)試準(zhǔn)備

3.1 試件信息

某制造商的鋰離子電池組（Battery），參數(shù)如下：

電池組類型：可拆卸式

標(biāo)稱電壓：36 V

額定容量：2.5 Ah

連接方式：10串一并

配備電池為主流制造商的18650鋰離子電池，電池參數(shù)見表1：

表1 18650鋰離子電池參數(shù)

3.2 適用標(biāo)準(zhǔn)

1）UL 2595第二版，發(fā)布日期：2015.09

2）CSA C22.2 No.0.23，第一版，發(fā)布日期：2015.09

3）UL 62841-1/CSA C22.2 No.CAN/CSA-C22.2 No.62841-1-15，第一版，發(fā)布日期：2016.02

4）IEC 62841-1，第一版，發(fā)布日期：2014.03

3.3 測(cè)試項(xiàng)目

1）UL 2595/CSA C22.2 No.0.23，第11.8章節(jié)

2）IEC/UL 62841-1，第K.18.202章節(jié)，鋰離子電池短路測(cè)試

3.4 應(yīng)用場(chǎng)合

電池供電的園林工具如鏈鋸、割草機(jī)、打草機(jī)、綠籬機(jī)、樹葉吹吸機(jī)等。

3.5 測(cè)試設(shè)置

出于安全考慮，該電池組被設(shè)計(jì)為兩層過放保護(hù)。第一層是電子電路保護(hù)，MCU通過采樣電阻從主放電回路監(jiān)控電流，當(dāng)主回路中出現(xiàn)超過安全閾值的大電流時(shí)， MCU切斷主回路中的放電MOS，實(shí)現(xiàn)電池組過放保護(hù)功能；第二層是硬件保護(hù)，在主放電回路中，制造商有意設(shè)計(jì)了可熔斷的電池連接片（相當(dāng)于保險(xiǎn)絲作用的薄弱點(diǎn)），當(dāng)大電流通過，該連接片熔斷從而斷開主回路，實(shí)現(xiàn)電池組過放保護(hù)功能。

根據(jù)UL 2595及IEC/UL 62841 Annex K的要求，如果依賴保護(hù)電子電路的功能通過測(cè)試，則認(rèn)為其提供了關(guān)鍵功能安全（Safety Critical Function, SCF），作為第一層保護(hù)的該電子電路應(yīng)符合UL 2595/IEC/UL 62841 18.8章節(jié)中對(duì) PL=a的SCF要求（PL:性能等級(jí)，Performance Level），這就可能涉及軟、硬件相差的可靠性評(píng)估。該制造商并不希望進(jìn)行關(guān)鍵功能安全的評(píng)估，就意味著無法依靠上述電路的功能來通過測(cè)試。因此，在測(cè)試前，工程師短路了放電MOS，讓其保持常通狀態(tài)，從而將電子電路過放保護(hù)失效。

4 方法與過程

進(jìn)行測(cè)試前，電池組10節(jié)電池中的1節(jié)電池完全放電至截止電壓，其余9節(jié)為滿電狀態(tài)。將電池組放置在蓋有雙層絹紙的軟木面上，并蓋有單層未經(jīng)處理的純醫(yī)用紗布。

在某節(jié)電池上布一根熱電偶監(jiān)控測(cè)試狀態(tài)。以≤10 mΩ電阻短路電池組的輸出端子，測(cè)試進(jìn)行至最終結(jié)果出現(xiàn)。

短路后，電池溫度緩慢上升，約1.5 h溫度急劇上升至200℃，然后在短時(shí)間內(nèi)上升至500℃，觀察到電池組起火現(xiàn)象，外置紗布和絹紙均被引燃，最終電池組燒毀。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該測(cè)試結(jié)果的判定要求為“不應(yīng)有著火或爆炸的危險(xiǎn)”，最終結(jié)果判定測(cè)試失敗。

圖1為測(cè)試后的樣品殘余部分，可見箭頭所指電芯開始起火，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞。圖2為測(cè)試溫度曲線。

圖1 測(cè)試樣品分析

圖2 測(cè)試溫度曲線

5 原因分析

判斷電池連接片在電池組短路瞬間即熔斷并斷開主回路的依據(jù)在于：短路瞬間該薄弱點(diǎn)若未熔斷，隨即將產(chǎn)生大電流導(dǎo)致電池溫度急劇上升。

從樣品分析和溫度曲線來看，被監(jiān)控的電池溫度在測(cè)試開始后的前1.5 h內(nèi)僅為緩慢上升，由此判斷制造商設(shè)計(jì)的作為電池組第二層放電保護(hù)的可熔斷電池連接片在短路的瞬間已經(jīng)熔斷并斷開主回路，但最終還是起火并燃燒。該現(xiàn)象表明，可熔斷電池連接片并未達(dá)到設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)，薄弱點(diǎn)設(shè)置的位置不盡合理。見圖3。

圖3 電池連接片

圖4為制造商提供的電路圖，圖中可見電池連接片即使斷開主回路，電路仍會(huì)通過RGND至采樣電阻，經(jīng)過其中數(shù)節(jié)電芯后形成另一條放電回路。分析認(rèn)為：新回路的持續(xù)放電造成小電阻發(fā)熱，一段時(shí)間后某個(gè)電阻被燒毀短路，形成另一個(gè)短路回路，瞬間產(chǎn)生巨大的短路電流導(dǎo)致電芯過熱起火，最終造成測(cè)試失敗。

圖4 測(cè)試品電路

該分析通過以下測(cè)試得到驗(yàn)證：取一只新的電池組樣品，人為地?cái)嚅_可熔斷電池連接片后，在電池組輸出端子間可測(cè)得約30.8 V電壓，從而可以判定其仍存在閉環(huán)回路。從監(jiān)控的電池溫度曲線可以看出，新形成的放電回路持續(xù)緩慢放電，且在樣品電路板上發(fā)現(xiàn)部分電阻出現(xiàn)毀損現(xiàn)象。

6 改進(jìn)方法

按照前述分析及判斷，制造商將可熔斷電池連接片調(diào)整至適當(dāng)位置，理論上當(dāng)其斷開后，所有放電回路均被切斷，無新回路產(chǎn)生，見圖5。

圖5 改進(jìn)后的電路

再次測(cè)試制造商更改設(shè)計(jì)后的樣品發(fā)現(xiàn)，電池組短路之后，該連接片斷開，電池溫度≤3℃，持續(xù)7 h（標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試結(jié)束條件之一）后，電池組電壓為0。取多個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試，結(jié)果相同。

7 結(jié)語

綜上是電池系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過程中遇到的典型案例，相關(guān)產(chǎn)品制造商應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)應(yīng)自身產(chǎn)品，充分理解并滿足各項(xiàng)測(cè)試要求，與檢測(cè)機(jī)構(gòu)攜手提高充電式電動(dòng)工具產(chǎn)品的安全性。