电动汽车锂离子电池试验的安全防护措施

韦 莉 ，王婷婷，周 骅，卢兆明

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 200031）

在对试验过程设计和受试样品的结构原理、承受能力以及可能影响安全的要素进行客观、具体分析基础上，按照 《检测实验室安全》的规范和要求，结合实验室的具体条件，采取必要可行的试验防护措施。

1 防护的基本内容

相对于其他类型的动力电池，电动汽车动力锂离子电池由于其电化学特性、结构特点以及应用环境，如在试验过程中不特别注意，更易出现燃烧和爆炸等不安全状态结果。试验过程中，尤其在较高严酷度的试验过程中，实验室的安全防护是不能回避的现实。

为了便于表述，将防护措施分为试验人员和设备的硬件设施防护 （用于因泄漏、破裂、燃烧和爆炸等结果造成的不安全状态的防护），以及以归避状态出现为目的的软件预警／控制防护措施。对防护的基本设计，应综合考虑两方面情况，且都应适当和有效。此外，从受防护的对象考虑，又可大致分为以下几个方面。

1）人员的防护 在实验室试验过程中，首先应防护的是试验操作人员。试验操作人员同时应该是软防护的设计者和执行人，也是防护第一对象。在试验状态退出的处置和试验衔接的转移等环节中，无法避免地会与样品近距离接触。硬防护用品包括护目镜、面罩、头盔；隔热长手套 （阻燃，易脱取）、合适的触及样品和搬运样品的工具 （应随手可及）；外套、护裙和适合的鞋、靴等 （防燃烧、喷射物和高温粘结，防重物跌落）等；还应针对性设置可视遮蔽屏。通过软硬防护的结合，选择适当的防护用品和方式，可以保证试验操作人员更好地进行试验，且免受伤害。

2）设备的防护 值得注意的是，用软件防护可一定程度上降低危险的发生，但提前退出试验，将造成试验不完整，且影响对试验的判据。可通过加强设备的防护来解决这个问题。对较为贵重的气候环境试验箱和振动试验台，除要有阻燃、防爆隔断防护设施外，还应设置防碎片和粘稠的絮状物的措施。二次仪表应与温度传感器、加速度计等一次仪表保持有效的连结和合适的距离。

3）受试样品的保护 即使是受损的样品也具有保全的价值。电池芯单体样品紧密排列，受试时应防止受到影响和干扰，免受殃及；电池组／系统由于外壳的遮蔽，一方面应及时发现和处置危险状态，防止危险状态的连锁反应；同时如发生状况，应尽可能保全试样，以便分析。

4）试验数据的保全 如发生燃烧或爆炸，温度传感器和加速度计等靠近或附着在样品上的一次仪表可能受到影响或损坏，但稍早变送的信号及记录的数据仍应是有效的。无论样品是否通过试验，这些数据和信息也是极具分析价值的。现场监视影像和拍摄的图片也是重要的数据信息内容，都应注意收集和整理。

5）试验环境的保护 在封闭的试验环境中（如在环境试验箱内）出现可以判据的状态，应中止试验。在取证后 （如对烟雾、着火图像的摄取），应有效灭火，并通过箱体的专用排气通道排出废气。没有专用排气通道的试验箱，烟雾气体就必然会进入试验场地。此时，人员首先应有防烟气的呼吸防护用品；场地内应有相应的独立换气排放系统等。通过箱体专用排气通道排出的废气或场地换气排放的气体，应符合实验室所在地规定的排放标准，不应直接排放。

值得注意的是，当停止试验后，即使电池芯单体样品或电池组／系统内的电池芯单体未发生状况，但其内部的活动和反应实际上尚未停止或平息。应该继续进行温度测量和外观观察，并按标准要求的滞后反应条件退出试验。

6）废弃物的处置 取证后的试验废弃物，应按样品供应商的提示和实验室的有关规范进行无害化处理，或提交专业机构按相关规定和程序合理处置。

2 软件预警／控制防护

通过在线测量和监控采样，分析采集的温度-时间曲线，以了解受试样品在试验中内部状态的基本情况。根据样品的特性进行参数设置和极限设定，可以向试验人员提供样品状态预警，为试验控制和防护提供选择余地。此外，实时采集的图像信息，可对样品发生状态后及时采取有效防护措施提供直接的帮助。

2.1 温度

［3］中讨论了受试的单体电池芯在各阶段的温度及其变化特点。试验中主要对样品中单体电池芯进行温度监测，包括电池组／系统内的单体电池芯。参考文献［4］给出了电池芯温度测量的示例，如图1所示。

由图1可见，传感器被安置在单体电池芯的体或面的几何中心位置。从试验原理上考虑，应该设置在温度最敏感的位置；或者粘结在 “最不利”的位置，也就是可采集到最不利参数的位置。

一般可采用热惯量较小、响应时间常数短、低制作成本的热电偶作为温度测量传感器。UL推荐采用线径为0.05～0.21 mm2的热电偶［5］。热电偶应紧贴芯体表面。热电偶可被安置在薄纸片或标签上。二次仪表可用多路数字温度巡检设备进行时间间隔不间断地检测和记录，通过计算机进行整理分析。不仅检测温度的实时状态，还可以进一步给出温度变化率及其变化规律。

有经验的试验工程师，可以按照受试样品的加载情况，通过温度和温度变化率或温度变化率的变化速率情况，判断样品的实际状态。在此基础上设置状态警示或预警，“闭孔温度”和 “破膜温度”就是有意义的参照系。一般对样品状态的警示或预警设置要提前约5 K左右。温度变化率和变化速率可以参照为状态警示或预警等级标识。

2.2 传感器的布置

温度测量应该在每个电池芯单体上进行，包括电池组／系统。传感器应该设置在电池芯温度最敏感的位置。即使因电池组／系统的产品集成有所妨碍，也要设法与供应商协商采用适当的方式实现。测量系统未必要求高的精度，但响应要快；巡检的时间间隔应均匀，由此才能得到可信的温升速率参数。包括温度传感器在内的测量系统在试验前应经过校准。

2.3 其他参数

参考文献［3］中还讨论了试验过程中，受试单体电池芯样品的端电压、电流以及由此间接获得的等效内阻等其他参数，可以较为准确地判定受试样品的实际工作状态。甚至通过采样比较，分析出该样品在整个电池组／系统的电池芯单体集合中相对所处的状态地位。这些测量和运算在某些性能检测项目中规定采用。由于数据采集量和处理速度问题，且占用的仪器数量众多，试验准备工作量也较为繁重，是否用于在实验室安全防护上，还要根据实验室的实际情况而定。

3 硬件设施防护

前面已经列举了人员防护的要素，置备这些装备并不困难，重要的是在合适的场合，使用合适的装备。实验室管理应对此有效文件进行规范，去除试验操作人员的麻痹思想，保持防范意识。经常进行演练也许和配置这些装备同样重要。

非正常工作 （滥用）试验中的碾压试验［5］和撞击 （冲击）试验［6］的试验过程可能产生较剧烈的反应。前者用相当样品自重质量1 000倍的力进行碾压；撞击试验是将9.1 kg的重物自610 mm处自由落下，冲击试样。图2示例了UL1642撞击 （冲击）试验及防护装置，试验时根据需要可加用防护网。图3是经撞击试验的电池芯单体的样品。

相对封闭的钢制试验箱具有很好的防护效果，但在试验中会因视线被遮挡而造成不便。可以用防爆玻璃和防护网结合开设观测窗口。防护网适用于碾压和撞击试验防护，也常用于常温试验和试验箱内试验的防护。UL推荐了用每英寸16～18根直径0.25mm铝丝到每英寸20根直径0.43 mm钢丝的网［5］，对不同预估烈度、不同散射物质的防护可以选用不同的防护网具。

气候试验箱是一个独立的气候空间，伴有循环的流动空气。遇有样品气体泄漏或粘稠物喷射时，会增大搅动和弥散。吸入空气循环系统后，落在风道、风扇叶、加热器、加湿器和温湿度传感器上的异物很难被清理。电池芯内经细研的容充物经干燥后，如以粉尘形式悬浮，还会造成更大的次生灾害。即便是喷射物粘结在箱壁上也是不小的麻烦。对于此种情况，首先应选用工作空间较大的试验箱，便于采取防护措施和应急操作；试验箱应有一定的防爆设计，如避免电火花、电触点和活动部件的金属摩擦；最好有废气排放通道。此外，还可采用适当的防护网。防护网的设置还应考虑到样品紧急撤离的操作性。

振动试验台和冲击试验台应防止异物进入试验设备活动部分的缝隙，基本的防护措施也是防护网，但防护网应针对设备设置。而对样品设置防护网会影响试验的动态响应。

应采用适当的灭火措施。根据不同的场地条件，可以采取扑盖和喷洒灭火剂。应在状况发生前充分考虑设备的保全，在遇有状况时不应再考虑灭火剂是否会影响设备的保全。

设置视频探头，对试验进行监视和记录是可实现的有效方法。不仅可以提高监视效率，还可以保全原始图像。在遇有状况时还省却可采录证据材料的过程。视频探头的设置位置应合理得当。

无论用软件技术还是硬件设施进行实验室安全防护，其协调、融汇互补和有效实施还是要靠管理机制。对可能出现的影响安全的状态，要安排或腾出足够的场地以便施展；应设计或安排排放和通风设施；用文件规范处置状态的顺序和取舍原则；用实施细则规定操作要素和步骤；组织人员的培训和操演；对状态经过的记录、描述和报告的具体要求；以及保全保险索赔要据，等等。

4 总结

1）当受试的电池芯单体、电池组／电池系统在进行温度类试验、寿命循环试验退出试验时，样品体温度高于预处理／恢复温度时；以及在短路类试验、低气压试验以及振动冲击类等试验后，样品内部的活动和反应实际上尚未停止或平息，有滞后出现不安全状态的可能。应该继续进行温度测量和外观观察，并按标准要求的滞后反应条件退出监测。这些退出条件可以是连续观察1 h、2 h或4 h，提供温度关于时间的函数 （曲线）。此间的温度应是逐渐趋向于RT；如在1h内，温度的变化小于1K，则认为温度趋向稳定。

2）按照试验依据标准的不同，对试验终止条件参数设置和判据不尽相同。有些按受试样品的“闭孔温度”、“破膜温度”或相对低5K左右给出的终止试验的温度；有些试验则对试验结果要求给出一个典型的描述，如非正常工作 （滥用）试验。

3）温度测量中，会遇到不同包装的电池芯单体。不同的包装式样、材料、厚度会形成不同的温度传递效率，也就是梯度。这些因数应在测量、分析和预警系中修正设置予以体现。由此，试验的终止条件和判据参数应该在试验设计或委托时明确规定。这通常与试验的性质和任务目标相关联。

4）尽管非正常工作 （滥用）试验中测量并记录温度参数似乎意义不大，但在如外部短路、冲击、振动、高温高湿、过充过放等试验项目上，其对样品内在的承受能力分析是极其珍贵的。

5）温度传感器的布置应该有一份对应的样品位置定位的分布清单，对电池芯单体样品试验是如此，对电池组／系统内的电池芯单体做好定位尤为必要。这些温度传感器可以从试验准备开始，经历所有试验环节，一直到样品退出试验为止，始终伴随着电池芯样品。

6）对防护爆炸和燃烧的原理和烈度应有适当的估计。有资料将电池芯内充材料的化学能量折算成爆炸能量或TNT当量，是不太恰当的。试验引起的爆炸和燃烧，多是因电池芯内部损坏 （短路或内阻增大）产生高温，或是受外力破坏及受外部温度导致电池芯体内活动异常产生的高温、高压瞬时释放，较为猛烈的就是爆炸。这和TNT的化学反应爆炸的样式和效果是不一样的。当电池芯体内的轻金属粉末或易燃物质在高温条件下溢出遇氧，满足燃烧条件，导致燃烧。燃烧的可持续条件并不充分，而与着火点附近部件的燃烧特性有很大的关系。应该在试验前对受试样品包裹材料的燃烧性能有所了解。可以先行对材料进行燃烧性能测定，尤其对内装组件较为复杂的电池组／系统。对轻金属铸件或脆性塑料件外壳的样品，也应对其在爆炸中可能产生的破片冲击或散落的规模有所顾及。

7）在温度试验箱内使用防护网，会改变试验箱内的温度分布。较为有效的方法是对防护网内的小环境进行标定，修正温度控制参数。

8）汽车动力锂离子电池环境试验和性能试验，从受试样品自身价值到试验的实施成本，都是非常昂贵的。全套试验的时间经历也很长，同时还要进行必不可少的安全防护措施，不免有些额外的损失，如传感器的损耗和设备损伤，以及技术上的冗余和备份。所以在试验前，应精心规划设计试验，在试验中谨慎实施操作，防患于未然，以获取完整的试验结果。

参考文献：

［1］卢兆明.道路车辆 电气及电子设备的环境试验和要求［M］.北京：中国标准出版社，2011.

［2］郭炳焜，徐 徽，王先友，等.锂离子电池［M］.长沙：中南大学出版社，2005.

［3］ISO／DIS 12405（all parts），Electrically propelled road vehicles—Test specification for lithium-Ion traction battery systems［S］.

［4］IEC 62660（all parts），Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles［S］.

［5］UL 1642，Safety for Lithium Batteries［S］.

［6］UN 38.3，The Recommendations on the Transport of Dangerous Goods，Manual of Test and Criteria［S］.

［7］GB／T27XXX，检测实验室安全 （所有部分 征求意见稿），全国认证认可标准化技术委员会 （SAC／TC261）［S］.