电池试验安全防护数字化系统及智能化应用

孙立峣 马嘉良 闫国丰 董谦 任毅 于琦

（中国第一汽车股份有限公司新能源开发院电池研究所）

作为化学能量载体，锂离子电池试验过程中，若发生热失控，会产生巨大破坏力，如引发电动汽车火灾和爆炸以及喷射有毒气体等危害。因此，动力电池安全性非常重要。锂离子电池属于易爆危险等级为“二级区域”的危险空间[1]。由于电池在试验过程中要模拟车辆在各种极端环境下的运行情况，发现和暴露设计和试制中出现的问题，然而试制过程中具有很大的安全隐患。试验安全的目的是控制事故发生的风险在可接受的范围内，预防危险发生，降低事故的破坏性。

1 电池试验潜在危害分析

1.1 电池试验对象

试验样品为锂离子电池，主要分为3类：1）电池单体：由电极和电解质组成，构成蓄电池组的基本单元，可将化学能直接转化为电能，电压0~5 V之间；2）电池模块：由电池单体通过串并联组合而成，一般电压小于60 V；3）电池系统：由多组电池模块通过加装箱体、冷却系统和管理系统组成，一般电压小于600 V。

1.2 电池试验潜在危害

锂离子电池在试验过程及运输过程由于受化学特性、结构特点及应用环境的影响，如在试验过程中进行超负荷运行、接触不良、缺少短路和漏电保护等因素导致试验人员被电击身亡，电池鼓胀泄放有害气体、漏液、灼伤人体皮肤及损坏设备，甚至引发电气火灾时无法用普通的灭火方法扑灭。

1.3 电池潜在危害原因

动力电池安全事故本质是电池热失控，热失控的诱因包括机械电气诱因（电池碰撞挤压、针刺等）和电化学诱因（电池过充过放、快充、低温充电、自引发内短路等）。电池内部的活性物质及电解液等成分发生电化学反应，如图1所示。当一个电池单体发生热失控之后，相邻单体受影响后也相继发生热失控，导致热失控蔓延，最终引发安全事故。产生大量热量和气体，引起电池升温。如果热生成速率大于散热速率，电池内部温度和压力不断上升，当热量和内压积累到一定程度，就会出现有害气体泄漏。当电池周围环境满足可燃物、助燃物、着火点3要素时，就会发生冒烟、燃烧或爆炸等风险[2]。

图1 电池热失控原理

电池从热失控到燃烧和爆炸的时间很短，人工干预的及时性较差，可能会错过最佳灭火时机，造成严重后果。所以，需要开发和设计一套自动化程度高、安全可靠、易于实现的试验安全防护体系。

2 电池试验安全防护设计原则、方案和创新

针对电池试验过程中的潜在危害，设计防护系统是一个复杂的系统工程，需要将传感器探测、过程监控、风险预警、危机处理、消防灭火等各个方面有机地结合在一起。为此，我们根据实际情况和实践经验，制定了3个层面的防护体系，即试验室及人员防护体系、试验设备防护体系和试验样品存储防护体系；根据可能出现的危险情况和等级，对3个层面进行逐步分解和细化，形成每个层面的具体实施方案。

该系统的主要设计思想是追根溯源，提前识别和预防事故的发生为主，解决实施过程中遇到的关键工艺技术问题，建立行之有效的安全设计规范，逐步推进内部企业标准，以降低和减少事故发生后的危害为目标，构筑立体化的安全防护体系，有效抑制爆炸的发生。

2.1 试验室及人员安全防护体系

锂离子电池火灾属于E类火灾[3]，对该类火灾的灭火介质标准上没有明确规定。所以，寻找有效的灭火介质是解决锂电池消防的关键[4]。通过调研和试验验证，目前有2种方法对扑灭锂电池的火灾有效果：1）氩气，对锂离子电池是惰性气体，可有效抑制锂电池的燃烧。氩气初期投入成本低，但不适于大范围、开放空间应用，且后期使用、检定和维护成本较高；2）高压细水雾，是一种新型的水消防灭火系统，起到快速降温和隔绝空气的作用，破坏了火三角中的2个要素，达到扑灭锂电池火灾的目的。它使用不受空间的限制，在使用区域较多的情况下可分区域灭火，可降低初期投入成本，节省能源，后期无使用无维护成本。

试验室布置了网络化（3 m×3 m）的开式高压细水雾系统和排烟系统。高压细水雾灭火系统主要优点：无需预警时间，直接启动；覆盖面积大，有效冷却；隔绝氧气，阻断热辐射；保护试验人员安全；对设备和人员无害，对火灾区域无密闭要求，火灾后现场无需清理。

为确保试验室工作人员的工作安全，试验操作人员应具备培训持证上岗，严格执行试验室安全操作作业规程，试验前做好安全评估，试验过程中试验人员不得离开现场，如遇火灾，除立即采取必要的消防措施灭火外，应马上报警。此外，试验人员防护用品包括护目镜、面罩、头盔；隔热手套（阻燃、易脱取）、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；保证试验人员更好地进行试验，且免受伤害。

2.2 试验设备防护体系

如表1所示，试验设备防护措施，是安全防护系统设计的重点。

表1 试验设备防护措施

依据GB50116《火灾自动报警系统设计规范》要求，在主动防护上下功夫，根据试验流程和经验制定了安全分级矩阵表，对不同的安全隐患采取不同的安全措施。

1）进入0、1和2级：样件或设备出现故障，主要依靠设备自身的调节控制功能，逐渐降低和减小充放电电流，停机进行检查；2）进入3、4和5级：测试样件损坏导致仓内单一传感器报警，此时电池会释放出有害气体，舱内温度及压力迅速升高，形成火灾前期特征。这时应自动关闭测试设备，迅速打开仓内强制排气系统，降低有害气体和可燃气体浓度；3）进入6级：测试样件已开始燃烧，除关闭设备外，应立即启动高压水雾，开启泄压阀，将危害降到最小。

2.2.1 高压细水雾与试验设备一体化联动

首次通过特制的短距离高压水雾喷嘴将高压水雾引入到了电池环境舱中，将高压细水雾灭火系统、传感器系统与试验设备设计为联动模式[5]，实现安全防护体系在得到风险信号时自动开启；同时测试仪与环境设备进行集成，控制环境设备的所有动作，包括启、停和温湿度变化，以及安全消防等部件的动作。从源头上对试验样品进行了有效的保护，降低了重大事故发生的几率，得到了行业认可。

此外，为了降低电池爆炸产生的破坏性，根据电池容量的差异，在环境舱上部设计了不同面积的泄爆口，使其能快速释放内部能量，减少对人员和设备的伤害。为了达到试验环境设备、充放电测试仪、辅助通道、BMS能够集成在同一自动化控制系统内，对控制系统进行统一的通讯、数据采集、对比分析，在试验设备和试验样品间建立了智能判读和安全阈值独立监控。

2.2.2 基于试验样品的安全阈值独立监控

相对于电池系统来说，电池单体和电池模块在试验中的风险相对较大，主要在于缺少BMS管理系统的监控（单体温度和电压），只能依靠设备的电流、电压控制，很难有效辨识出电池热失控危害。例如，当充电电压超过4.5 V，大量的锂离子从正极溢出，若负极的嵌锂能力较差，锂离子便会沉积在负极表面形成枝晶，使电池内部短路，电池内部的电解液分解气化，电芯内的压强不断升高，发生燃烧和爆炸的风险。所以，为了加强对单体和模块在试验过程中的安全防护，作为设备安全控制输入，需要增加和配置一定比例的辅助电压、温度通道和温度传感器对单体和模块进行独立监控图，并设定设备运行的安全阈值。

通过机械安全诊断、电气安全诊断、热安全诊断和功能安全诊断，提升了试验安全系数。结合功能安全设计，多种驾驶场景、多种环境、多角度、多层次的危害分析和风险评估，确保动力电池、车辆和试验人员的安全。同时，在满足国标的前提下，开展了企标的制标以及测试验证，一方面从设计上确保总成安全，另一方面开发热失效预测模型。通过新能源试验室综合管理系统的建设，实现数据的集中管理和试验设备运行状态的集中监测。

2.2.3 融合大数据和云计算的全天侯监控

随着大数据的互联网和物联网的不断发展，试验数据的管理方向已由传统的分散式管理逐渐向集中式管理和云管理过渡，并实时采集分析、故障诊断、数据挖掘，建立统一的软件框架，将数据采集、组态监控、数据回放、数据入库、实时分析、远程发布、传感器管理、算法管理等功能全面融合，数据信息安全保障制度正在全面提升，实施全天侯网络安全态势，并建立虚拟试验体系，提高试验服务设计能力，加速产品研发进程。

过去试验人员24 h倒班，劳动强度大，风险控制不及时，很容易造成重大安全事故发生，现在能及时对试验数据中各类参数指标进行远程实时监测。当设备出现故障时，监测数据进行限值判断，并自动启动声光报警，系统向预置人员发送短信和邮件通知，同时在监控平台上突出显示报警区域，随时随地通过手机移动端实时监测访问试验参数的运行状态。

2.3 试验样品存储防护体系

锂电池样品在运输、存储等环节发生安全事故的实例屡见不鲜，一块样品发生事故，会波及相邻电池，引起火势蔓延、连锁爆炸反应，续而引发更大的事故，甚至危及生命安全。依据企业《安全生产现场检查管理规定》，对电池样品进行规范统一标准化、规范化管理：1）存储的电池样品正负极应采取必要的措施防止发生短路；2）存储的环境应安全、无腐蚀、无阳光直射、清洁干燥且通风良好，长期储存（存储时间超过3个月）的区域周围应采用实体墙分隔；3）存储的温度范围为-5～35℃、相对湿度不大于75%；4）存储区域应配备数量充足的消防器材（沙箱、水基和CO2灭火器）。

3 结论

电池试验安全防护数字化系统及智能化应用总体特征在于：1）试验室防护中确定高压细水雾作为消防灭火介质；2）设备防护创新性地引入高压水雾[6]，极大地降低了重大事故的发生率。此外，根据事故危险等级设计了6重自动防护措施和泄爆阀设计；3）高压细水雾、试验设备、试验样品全自动一体化联动，物联网技术与试验业务系统大数据相融合，利用感知、协同、控制等领域的前沿技术，实现试验系统数字化、智能化。并能够及时精准预警，实时构建主动防御体系，最大限度地降低了试验室的能耗，从而提高试验效率和试验人员安全系数，更大节省时间成本和资金成本。