矿用锂离子蓄电池电源安全性能试验要求变化浅析

许明英

【摘要】 锂离子蓄电池电源作为可靠的供电设备已经广泛的应用于煤矿井下，但由于锂离子电池存在的安全问题，使其在煤矿领域的应用受到很大限制。大容量锂离子电池电源在煤矿井下应用的安全性问题更是重中之重。为把好矿用锂离子蓄电池电源产品在该领域的准入关，国家相继制定新相关要求，来严格生产和检验。文章阐述了矿用锂离子蓄电池电源安全性能试验要求的几点变化，分析了变化的原因和考核针对物质。对落实新要求有着积极作用。

【关键词】 锂离子电池 过充保护 过放保护 短路保护 试验要求

Requirements change mine lithium-ion battery power supply of the safety performance test Xu Mingying （Shenyang Institute of Coal Group Co.， Ltd， Detection Center，Fushun，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

国家煤矿安全监察局2011年1月25日下发文件，提出所有井工煤矿应按照规定要求建设完善煤矿井下紧急避险系统，符合“系统可靠、设施完善、管理到位、运转有效”的要求，并规定完成时限。而紧急避险系统建设的主要内容是供电系统。随着煤炭工业发展和矿山装备技术进步，监测通信系统、紧急避险设施、井下运输车辆等对防爆电源的容量要求越来越高，同时 GB3836.2-2010《爆炸性环 境 第 2 部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》中明确禁止“在正常使用时可能释放电解气体的电池”在隔爆外壳内使用。为满足目前煤矿装备的迫切需要，在充分研究、反复征求各方面专家意见以及进行相关试验研究的基础上，制定的《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求》，在原有相关要求的基础上，进一步详细规定了20 Ah～100 Ah锂离子电池电源的安全性能要求，为锂离子电池电源生产、检验提供了新的依据。而对于生产和质检部门，研究、落实新要求成为目前亟待解决的问题。

一、矿用锂离子蓄电池电源安全性能试验要求变化内容

矿用锂离子蓄电池电源保护性能试验原要求执行MT/ T408-1995《煤矿用直流稳压电源》和MT/T1078-2008《矿用本质安全输出直流电源》行业标准，包括过压保护、过流保护、短路保护、过充保护、过放保护要求。

在《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求》新要求中对“过压保护、过流保护、短路保护、过充保护、过放保护”的要求有较大改变，并增加温度保护和具体的保护时间。具体变化如下：

1.1过压保护

过压保护试验要求变化可以用“定模组，定单体，定保护值和定状态”概括。具体见表1。

1.2过流保护

过流保护试验要求变化可以用“定模组，定单体，定保护值和定状态”概括。具体见表2。

1.3短路

短路试验要求变化突出了核心问题短路电阻和短路时间。

1.4 温度保护

为新增试验项目，内容为：将电池温度检测元件置于温箱中，从室温以不大于 3℃/min 升温速率调整温箱中的温度至低于规定的单体电池最高表面温度的 5℃，电源应处于正常工作状态；以不大于 1℃/min 升温速率平稳调整温箱中的温度至电源断 开与用电设备连接，记录动作时间和动作温度；动作温度应为的保护温度值±2℃。温箱停止升温，至电源报警或显示，记录时间，电源断开与用电设备连接与电源 显示或报警的时间间隔应小于 20s。 温箱以不大于1℃/min 速率降温，至电源与用电设备恢复连接，记录恢复时 间和恢复温度，恢复温度应为单体电池最高表面温度值±2℃；至电源温度保护显示或报警消失，记录时间，电源恢复与用电设备连接与电源显示或报警消失的时 间间隔应小于 20s。 试验过程温箱最高温度的设置宜不超过 65℃。

二、锂离子电池安全性能试验要求变化分析

2.1过压保护

原试验要求中对单体电池保护和报警显示没有要求，电源中的电池多以模组的型式出现，由于电池内阻的不平衡导致单体电池的电压不一致，在模组未过充和过放的情况下，单体电池可能存在一定的过充、过放的可能性，从而带来安全隐患。新要求中增加了单体电池的保护要求和报警显示能更大的降低锂电池的不安全因素，也能保证单体电池间的平衡性，进而保证电池性能和延长电池寿命。

2.2过流保护

原试验要求中对单体电池保护和报警显示没有要求，电源中的电池多以模组的型式出现，由于电池内阻的不平衡导致单体电池的的充放电电流不一致，在模组未过充和过放的情况下，单体电池可能存在一定的过流的可能性，从而带来安全隐患。新要求中增加了单体电池的保护要求和报警显示能更大的降低锂电池的不安全因素，也能保证单体电池间的平衡性，进而保证电池性能和延长电池寿命。新标准中增加在100ms 内断开与充电器连接（对于运输车辆和柴油机起动机用电源，动作时间为 2s）的保护时间，能在时间上保证保护功能的实施。更能保护电源的安全。

2.3短路

锂离子电池内阻一般为50 mΩ。电源模组的总计内阻未50N mΩ原标准要求未规定短路电阻，在这种条件下短路时，电池内部电阻和外加电阻共同分担电池电压，内阻与外阻为串联状态，阻值越大分担的电压越大，即在其上产生的电功率越大、相应的能量也越大。即外部短路电阻大于内阻时，大部分能量都释放在外阻上了，这样电池在短路时内部温度升小，达不到考核电源的目的。

新标准要求的短路电阻小于5 mΩ，在此条件下短路电池时，内阻分担的电压就会为外阻的十倍，内阻上产生的电功率也会相应的为外阻产生的电功率的十倍。相应内阻上的能量也会远大于外阻产生的能量。结果就是电池内部的温度会急剧升高。进而能考核电池隔膜的质量优劣。电池外短路电阻越小理论上电池内阻分担到的能量就会越高。这样对电池的质量考核就越苛刻。但是基于实际安全性能的考核和试验成本两方面的考虑，外阻5 mΩ即能节约试验成本又能考核电源性能。新标准要求中增加使电源输出处于短路状态，电源应实现放电短路保护，50ms 内断开与用电设备连接，停止放电，并在 10s 内报警或显示。在时间上保证了保护的实施，能保障在短路状态下，减少对电池的破坏，降低不安全因素，从源头上保证电源的安全。

2.4 温度保护

新标准增加了温度保护试验，主要原因是原标准要求的电池一般10 Ah以下，电池的体积和质量都很小，发生短路、过流、过压时温度升高的幅度小，造成不安全的可能性小。新标准是针对20 Ah～100 Ah的大体积、大质量锂电池。在使用中发生短路、过流、过压时，温度升高的幅度加大，造成不安全的因素加大，温度过高在煤矿井下容易引起瓦斯爆炸。新标准不但增加了温度保护，而且还增加了保护时间，能在时间上保证保护功能的实施。

三、结论

通过矿用锂离子蓄电池电源安全性能要求变化分析可得出以下结论：1）矿用锂离子蓄电池电源安全性能要求适应范围更广了。2）试验要求对矿用锂离子蓄电池电源安全性能要求更高、更苛刻。3）试验要求兼顾了试验的可行性和可操作性。4）试验要求突出具体化、短时间的要求。

参 考 文 献

[1]孙继平，彭霞，田子健，等MT/T1078-2008矿用本质安全输出直流电源[S].北京：煤炭工业出版社，2008.

[2]沈世庄，彭霞，沈超，等MT/T408-1995煤矿用直流稳压电源 [S].北京：煤炭工业出版社，1995.