工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試問題及規(guī)范

李超強(qiáng)

（林德（中國(guó)）叉車有限公司，福建 廈門 361006）

0 前言

工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試工作的核心目標(biāo)就是確保工業(yè)鋰電池自身安全性與使用性能，并以其安全性能為工業(yè)鋰電池測(cè)試重要指標(biāo)，根據(jù)工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與要求，也對(duì)測(cè)試人員專業(yè)能力與實(shí)踐能力提出較高要求。并在測(cè)試的過程中，詳細(xì)掌握工業(yè)鋰電池各項(xiàng)參數(shù)，明確測(cè)試方法與目標(biāo)，降低工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試環(huán)節(jié)中的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保工業(yè)鋰電池安全性。

1 工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試問題標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

1.1 明確鋰電池各項(xiàng)參數(shù)

因工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試環(huán)節(jié)中易出現(xiàn)各項(xiàng)問題，還需要在其測(cè)試前詳細(xì)掌握工業(yè)鋰電池各項(xiàng)參數(shù)，也是選擇測(cè)試方法的重要依據(jù)之一。一般情況下，關(guān)于工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試，會(huì)根據(jù)其電壓進(jìn)行優(yōu)先選擇，包括24V、36V、48V、72V等。此外，也須考慮到工業(yè)鋰電池絕緣耐壓要求。例如工業(yè)鋰電池最高工作電壓Udmax≦60V，其絕緣耐壓有效值為500V；最高工作電壓60V＜Udmax≦125V，其絕緣耐壓有效值為1000V；最高工作電壓125V＜Udmax≦250V，其絕緣耐壓有效值為1500V；最高工作電壓250V＜Udmax≦500V，其絕緣耐壓有效值為2000V；最高工作電壓Udmax＞500V，其絕緣耐壓有效值為1000V+2Udmax（如表1所示）。

表1 絕緣耐壓要求

1.2 外觀檢查

開展工業(yè)鋰離子電池安全性測(cè)試工作前，還需要對(duì)其外包、系統(tǒng)等全面性檢查，是否存在變形、裂紋等情況，如果存在該情況，不能對(duì)該鋰電池進(jìn)行安全測(cè)試，基礎(chǔ)要求不符安全性測(cè)試要求。同時(shí)，還需要確保測(cè)試鋰電池干燥、無污物。當(dāng)然，也須考慮到鋰電池的防護(hù)等級(jí)。通常情況下，工業(yè)鋰離子電池包或系統(tǒng)外殼，防護(hù)等級(jí)要大于IP54（GB/T4208中的相關(guān)規(guī)定）。

1.3 安全要求

工業(yè)鋰離子電池安全性測(cè)試安全要求，重點(diǎn)考慮試驗(yàn)類別，因其試驗(yàn)類別不同，對(duì)鋰電池的安全性提出不同要求。在高溫充電試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，要對(duì)電壓、電流、溫度等進(jìn)行限值設(shè)定；在介質(zhì)耐壓試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，要對(duì)絕緣擊穿、閃絡(luò)設(shè)定；在濕熱循環(huán)試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，要對(duì)試驗(yàn)后絕緣電阻設(shè)定；在非均衡充電試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，要保證不起火、不爆炸，設(shè)定電壓低于最大電壓限值。同時(shí)，明確其測(cè)試安全要求后，還能確保鋰電池安全性測(cè)試工作順利開展與實(shí)施，避免出現(xiàn)安全事故。

例如按CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)開展鋰電池安全性檢測(cè)工作，以短路試驗(yàn)方式為主，選擇單體蓄電池為試驗(yàn)對(duì)象，保證正負(fù)極外部短路10min，線路電阻值不超過5Ω，且觀察1h，無爆炸、起火等現(xiàn)象。如果是對(duì)60Ah三元材料電池進(jìn)行短路測(cè)試，建議使用直徑為5mm～8mm的耐高溫鋼針進(jìn)行針刺試驗(yàn)，其試驗(yàn)所得出的數(shù)值：在滿電態(tài)模塊電池電壓為20.4V，斷路器電阻為3Ω，則符合CE安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，也說明試驗(yàn)電池符合使用標(biāo)準(zhǔn)（如圖1所示）。此外，再分析鋰電池檢測(cè)結(jié)果的危險(xiǎn)等級(jí)（0～7級(jí)），不同級(jí)別的危險(xiǎn)系數(shù)不同，傷害程度會(huì)越來越嚴(yán)重，在試驗(yàn)階段對(duì)工作人員專業(yè)能力、工作經(jīng)驗(yàn)等提出較高要求，既要做好安全防控工作，又能詳細(xì)掌握不同危險(xiǎn)等級(jí)具體內(nèi)容，采用具體的實(shí)施方案與措施，避免出現(xiàn)安全事故。

圖1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)分析

1.4 電路保護(hù)

電路保護(hù)需要考慮單體鋰電池正常運(yùn)行狀態(tài)下的電壓、電流、溫度等標(biāo)準(zhǔn)范圍。一旦不符合基礎(chǔ)檢測(cè)要求，或者部分參數(shù)超出限值，就需要立即對(duì)電路進(jìn)行全方位的保護(hù)。必要時(shí)還需要停止鋰電池充電、放電等操作。例如鋰電池的安全限值超出標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要立即停止充電、放電，也屬于對(duì)電路的一種保護(hù)措施。例如按照CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)開展過充電安全測(cè)試，在23±5℃的條件下，對(duì)鋰電池使用3C電流進(jìn)行充電，電壓達(dá)到5V后保持恒壓1h，再將電流降低到0A，觀察蓄電池的溫度變化，要求電池?zé)o起火、冒煙、漏液等現(xiàn)象（如圖2所示）。

圖2 艾德克斯IT6412鋰電池安全測(cè)試

1.5 型式檢驗(yàn)

開展型式檢驗(yàn)工作時(shí)，要考慮其與鋰電池出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目關(guān)聯(lián)性，明確項(xiàng)目名稱及內(nèi)容后，做好鋰電池出廠檢驗(yàn)記錄與型式檢驗(yàn)記錄等，確保鋰電池各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)技術(shù)要求。必要條件下，可在出廠及型式檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，采用相關(guān)試驗(yàn)方法，再次確保鋰電池安全性與標(biāo)準(zhǔn)性。

例如對(duì)室溫放電容量、室溫倍率放電容量、室溫倍率充電容量、低溫放電容量、高溫放電容量、荷電保護(hù)與容量恢復(fù)能力、儲(chǔ)存等，鋰電池出廠檢驗(yàn)與型式檢驗(yàn)均合格，并滿足GB/T31486技術(shù)要求，確保鋰電池安全性與性能。

2 工業(yè)鋰電池安全性試驗(yàn)

2.1 高溫充電試驗(yàn)

在溫度箱內(nèi)放置滿放樣件，按照制造商規(guī)定充電溫度的最高值，對(duì)鋰電池進(jìn)行5次完整的充電、放電循環(huán)工作，并詳細(xì)記錄每次所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)，能在后續(xù)分析階段正確運(yùn)用信息數(shù)據(jù)，成為模組電壓、電流、溫度監(jiān)測(cè)工作開展的必要前提，并能控制各指標(biāo)的參數(shù)范疇。一方面是處于溫度穩(wěn)定條件下，單體電池溫度在1h內(nèi)與溫度箱溫差為±2℃，考慮制造商、整車廠商連續(xù)充電電流充電至滿電的最大值；另一方面，待滿電樣件溫度穩(wěn)定后，完成鋰電池電流連續(xù)滿放工作。

2.2 過充電與過放電試驗(yàn)

2.2.1 過充電試驗(yàn)

選擇1h率放電電流恒流滿放樣件，并對(duì)其進(jìn)行充電，一旦充電過程中出現(xiàn)以下任意一種情況，均需要立即停止試驗(yàn)，主要包括受電壓、溫度等因素影響而觸發(fā)充電保護(hù)電路導(dǎo)致充電工作終止；充電額定容量達(dá)到130%，或者實(shí)際值超過制造商規(guī)定值；電池充電過程中出現(xiàn)爆炸、起火等故障。整個(gè)過充電試驗(yàn)工作完成后要觀察2h，避免樣件存在安全隱患。

2.2.2 過放電試驗(yàn)

選擇1h率放電電流恒流滿放樣件，在試驗(yàn)階段詳細(xì)分析電池管理系統(tǒng)作用與運(yùn)行穩(wěn)定性，如果出現(xiàn)以下任意一種情況，均需要立即停止試驗(yàn)。主要包括額定電壓超過總電壓25%；過放電時(shí)間超過30min；滿電樣件溫度超過制造商規(guī)定值的5℃；發(fā)生意外情況。過放電試驗(yàn)完成后觀察2h，避免樣件存在安全隱患。

2.3 短路與翻滾試驗(yàn)

短路試驗(yàn)：在室溫條件下進(jìn)行，樣件控制系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，把樣件接線端短路10min，控制短路電阻低于20mΩ，觀察2h，未發(fā)生起火、爆炸等情況，為后續(xù)絕緣電阻測(cè)量奠定良好基礎(chǔ)。

翻滾試驗(yàn)：保證樣件處于滿電狀態(tài)，并設(shè)置90°/15s的翻轉(zhuǎn)速度。將樣件垂直條件下進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，如樣件為圓柱形，可按照其2個(gè)對(duì)稱軸確定垂直方向，然后再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)。觀察2h，如樣件在滿電狀態(tài)下翻轉(zhuǎn)未發(fā)生起火或爆炸等情況，則滿足后續(xù)絕緣電阻測(cè)量的基礎(chǔ)要求。

3 工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試規(guī)范要求

3.1 選擇適合的測(cè)試方法

測(cè)試方法對(duì)工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試結(jié)果有直接性影響，還須測(cè)試人員在操作前，對(duì)鋰電池各項(xiàng)參數(shù)、測(cè)試要求等全面分析，確保工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試規(guī)范性操作。同時(shí)應(yīng)保證測(cè)試方法符合CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)標(biāo)檢測(cè)規(guī)定，使其適用于多種標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，最主要的影響因素就包括測(cè)試環(huán)境條件[1]，如測(cè)試環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等。

3.2 準(zhǔn)備工作充足

因鋰電池的應(yīng)用對(duì)工業(yè)發(fā)展有一定影響，還需要在測(cè)試前做好充分的準(zhǔn)備工作。第一，借助標(biāo)尺，準(zhǔn)確測(cè)量鋰離子電池外形，并詳細(xì)、準(zhǔn)確地記錄測(cè)量信息；第二，探究測(cè)試樣品件滿電狀態(tài)，設(shè)置測(cè)試環(huán)節(jié)的室溫為（25 ±5）℃，放置時(shí)間控制8h以內(nèi)；第三，合理選擇測(cè)試器材，并完成器材校準(zhǔn)工作，確保鋰電池測(cè)試精確度；第四，在安全環(huán)境條件下開展測(cè)試工作，并采取相關(guān)的保護(hù)措施，一旦在測(cè)試環(huán)節(jié)中出現(xiàn)安全性問題，測(cè)試人員可及時(shí)采取保護(hù)措施，保障線路、裝置及自身安全性。除此之外，相關(guān)測(cè)試人員須充分了解和掌握工業(yè)鋰電池CE認(rèn)證最新標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)標(biāo)檢測(cè)項(xiàng)目，按照鋰電池的形式和安全性測(cè)試要求等開展試驗(yàn)，并采取安全防護(hù)措施。

3.3 非金屬外殼與金屬材料外殼試驗(yàn)

非金屬外殼試驗(yàn)：基礎(chǔ)前提是壓強(qiáng)10kPa，測(cè)試人員觀察非金屬外殼塑變形情況。以此為前提，開展鋰電池絕緣耐壓試驗(yàn)工作，并觀察是否出現(xiàn)絕緣擊穿、閃絡(luò)等情況。

金屬材料外殼試驗(yàn)：以鋰電池耐腐蝕性為試驗(yàn)核心，按照GB/T 2423.18規(guī)定要求規(guī)范實(shí)施。

3.4 絕緣電阻試驗(yàn)

經(jīng)過前期對(duì)工業(yè)鋰電池測(cè)試方法的合理選擇，還需注意控制絕緣電阻測(cè)量?jī)x電壓等級(jí)。電池包或系統(tǒng)最大工作電壓Umax＜500V，測(cè)量?jī)x電壓等級(jí)500V；電池包或系統(tǒng)最大工作電壓500V≤Umax＜1000V，測(cè)量?jī)x電壓等級(jí)1000V；電池包或系統(tǒng)最大工作電壓Umax≥1000V，測(cè)量?jī)x電壓等級(jí)2500V，如表2所示。

表2 絕緣電阻測(cè)量?jī)x電壓等級(jí)

3.5 振動(dòng)試驗(yàn)

工業(yè)鋰電池振動(dòng)試驗(yàn)，主要考慮工業(yè)鋰電池在車輛上安裝后的使用情況，根據(jù)車輛使用要求，明確工業(yè)鋰電池安裝位置，一般情況下是在振動(dòng)臺(tái)上完成工業(yè)鋰電池安裝；安裝完成后須進(jìn)行15min的正弦波振動(dòng)試驗(yàn)，循環(huán)調(diào)整振動(dòng)頻率，從7Hz調(diào)整到50Hz，再由50Hz調(diào)回到7Hz，以垂直方向須在3h至少重復(fù)12次以上循環(huán)調(diào)整振動(dòng)頻率的操作，并掌握工業(yè)鋰電池振動(dòng)頻率與加速度之間的關(guān)系。

表3 頻率與加速度

此外，在工業(yè)鋰電池振動(dòng)頻率試驗(yàn)過程中，還需要借助相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，掌控工業(yè)鋰電池振動(dòng)試驗(yàn)過程中的單元電壓、溫度等變化情況。尤其是在工業(yè)鋰電池振動(dòng)后，須根據(jù)GB/T 31467.1 6.2規(guī)定，對(duì)鋰電池包或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范性安全測(cè)試。而工業(yè)鋰電池振動(dòng)頻率試驗(yàn)完成后，須在規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境溫度下，將工業(yè)鋰電池進(jìn)行1h靜置，測(cè)試人員詳細(xì)觀察，把靜置階段所產(chǎn)生的變化情況詳細(xì)記錄，甚至是用監(jiān)測(cè)設(shè)備做好視頻錄像，目的就是確保工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試結(jié)果的科學(xué)性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，分析工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試完成后，是否存在起火、爆炸等情況，從而達(dá)到工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試的目的。

4 工業(yè)鋰電池各項(xiàng)環(huán)節(jié)中的安全性提升

關(guān)于工業(yè)鋰電池各項(xiàng)環(huán)節(jié)中的安全性提升分析，主要是從工業(yè)鋰電池標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存4個(gè)方面進(jìn)行探究，具體內(nèi)容如下。

4.1 警示標(biāo)志

分析工業(yè)鋰電池運(yùn)輸會(huì)有特定的鋰離子電池箱體，警示標(biāo)志要設(shè)置在鋰離子電池箱體外，選擇較醒目的“當(dāng)心觸電”警示標(biāo)志，根據(jù)警示標(biāo)志GB/T5465.2及GB2894規(guī)定，標(biāo)志由黃底黑框、黑色符號(hào)組成，能在各項(xiàng)工作環(huán)節(jié)中均能引起相關(guān)部門與人員重視，避免發(fā)生安全事故。同時(shí)，產(chǎn)品標(biāo)牌所包括的內(nèi)容也比較多，如制造商名稱、電池類型、標(biāo)稱電壓（dc）、標(biāo)稱容量（AH）、重量、產(chǎn)品系列號(hào)、生產(chǎn)日期等，每項(xiàng)內(nèi)容均需要詳細(xì)、精確，所有外部端子與連接也會(huì)有具體標(biāo)識(shí)，能為后續(xù)工作開展提供極性標(biāo)志。

4.2 包裝

無論是鋰離子電池還是其系統(tǒng)包裝，均根據(jù)防潮、防振相關(guān)要求，包裝中必須有的內(nèi)容包括產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品使用說明書。

4.3 運(yùn)輸

工業(yè)鋰離子電池運(yùn)輸要求，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。首先是在鋰離子電池處于不完全充電狀態(tài)下開展運(yùn)輸工作，荷電情況是根據(jù)運(yùn)輸時(shí)間、自放電情況等確定，建議所運(yùn)輸?shù)匿囯x子電池的電量為20%～60%。按照制造商所攜帶的產(chǎn)品技術(shù)文件內(nèi)容分析，運(yùn)輸條件必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求，才能避免在運(yùn)輸途中發(fā)生各項(xiàng)問題；其次，裝卸階段要輕搬、輕放，嚴(yán)防摔擲、翻滾、重壓、倒置；最后，制造商提供相應(yīng)的電池化學(xué)品安全說明書、運(yùn)輸中發(fā)生火災(zāi)的滅火措施、應(yīng)急響應(yīng)措施等文件，能為運(yùn)輸部門開展運(yùn)輸工作提供重要依據(jù)，并采取相應(yīng)的防治措施，從而保證鋰離子電池良好運(yùn)輸。

4.4 貯存

要求鋰離子電池處于不完全充電狀態(tài)下，考慮貯存時(shí)間、自放電情況，確定鋰離子電池荷電狀態(tài)，建議控制在20%～60%。以制造商產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定為主，鋰離子電池貯存期間至少6個(gè)月進(jìn)行一次補(bǔ)電。同時(shí)，考慮鋰離子電池貯存安全性，還需要對(duì)貯存環(huán)境有效調(diào)控，溫度控制在5℃～35℃、相對(duì)濕度低于95%、室內(nèi)清潔、干燥、通風(fēng)良好等。自然光處理不能使陽光直射鋰離子電池，并避免與腐蝕性介質(zhì)接觸，貯存位置要遠(yuǎn)離火源、熱源，保證貯存方向準(zhǔn)確，避免發(fā)生機(jī)械沖擊和重壓等情況。

5 結(jié)語

關(guān)于工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試問題，還需要詳細(xì)探究產(chǎn)生問題的主要影響因素，其中包括工業(yè)鋰電池各項(xiàng)參數(shù)、測(cè)試方法、規(guī)要求、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容等，都需要引起相關(guān)部門及測(cè)試人員重視，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境，制定相應(yīng)的防護(hù)措施，由專業(yè)化人員進(jìn)行規(guī)范操作，自身具備較強(qiáng)的安全意識(shí)、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，明確工業(yè)鋰電池安全性測(cè)試目標(biāo)，能對(duì)測(cè)試環(huán)節(jié)中所出現(xiàn)的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，為工業(yè)鋰電池安全性分析提供科學(xué)依據(jù)，滿足工業(yè)對(duì)鋰電池的應(yīng)用需求，確保整體安全性。