用于锂电池测试的环境试验箱技术研究

蒋剑炜

（伟思富齐环境试验仪器（太仓）有限公司，苏州 215400）

引言

随着电动汽车技术的发展，越来越多的厂家加入到了锂离子电池系统的研发工作中，为了保证锂离子电池系统的安全可靠，在研发和生产过程中必须遵循由IEC、ISO、SAE、SAC、CEN 等机构组织制定的各项标准，对锂离子电池系统进行多项可靠性测试，气候测试是其中重要的组成部分之一。环境试验箱作为一种气候测试平台，可以对锂离子电池系统进行多项气候测试，如加热、温度循环、湿热循环等。锂离子电池系统在测试过程中存在自燃，爆炸等安全隐患，因此对环境试验箱的安全防护和监测技术的研究显得十分重要。通过早期的预警监测和得当的安全防护，可以大大提高设备的安全等级，减少财物损失，避免人员伤亡。

1 锂离子电池系统的热失控原理

锂离子电池系统是能量存储装置，包括电池单体或电池包、电路和电控单元[1]。目前常见的锂离子电池有磷酸铁锂电池和三元锂电池，它们与铅酸电池相比都具有更高的比能量（Wh/kg）和能量密度（Wh/L）、更长的循环寿命等优点，但是在滥用条件下（如：外部高温、过充、短路等），容易引起电池包内某一电池单体发生局部剧烈升温，升高的温度向周边电池单体扩散，使得电池包内部发生剧烈化学反应，产生大量得热量和气体，造成整个电池热管理系统（BMS）失控，当热量和气体积累到一定程度时电池会发生自燃、甚至爆炸，电池系统热失控原理如图1 所示[2～5]。

图1 动力电池热失控的事故原因及相关滥用诱因[5]

2 安全防护与监测装置的设计

由锂离子电池系统的热失控原理可知，通过早期的监测预警，可以及时发现锂离子电池系统在测试过程中的异常状态，通过人为的干预，减少锂离子电池系统出现热失控的情况，降低测试过程中自燃、爆炸的概率。当出现不可避免的自燃、爆炸风险时，需要通过安全防护装置避免人员伤亡，减少财物损失。安全防护与监测装置主要有以下几个模块组成。

1）状态指示器

根据测试需求配置不同颜色的信号灯和蜂鸣器，用于指示设备不同的工作状态。状态指示器安装在磁吸底座上，测试人员可根据实际情况调整位置，以便于观察设备的运行状态，使其能及时的处理相应故障。

2）电子门锁

由于锂离子电池系统在测试过程中存在自燃、爆炸等安全隐患，因此在设备运行期间，测试室的门通过一个电子门锁锁定，以阻止人员在测试过程中开门操作，整个测试系统只有在程序结束或中断时，才允许打开测试室的门，以确保人员安全。

3）机械门锁和密封塞固定夹

当锂离子电池系统发生爆炸时，测试室原有的门锁和穿线孔密封塞，很可能无法承受住爆炸时巨大的压力，使大门和密封塞被弹开或飞出，造成人员伤害或财物的损失。通过额外的两个加强型机械门锁将大门与测试室相连，可以大大增加连接强度，防止测试室门在爆炸中被弹开，通过密封塞固定夹，可以防止密封塞在爆炸中飞出。

4）自恢复泄压阀

当锂离子电池系统发生热失控时，会通过化学反应产生大量有毒有害的气体，为了保障测试人员的安全，需要将泄漏的气体通过泄压阀迅速的排出，然后再通过废气管进行收集处理。泄压阀的尺寸，根据预计的气体泄漏量确定。泄压阀通过一个机械式的挡片，实现开启和关闭，结构简单可靠。

5）爆破片减压装置与箱体结构加强

当锂离子电池系统发生爆炸时，测试箱内的压力会瞬间上升，产生巨大的冲击力。为了防止箱体在受到巨大的冲击力后发生变形或损坏，需要对箱体结构进行加强以承受爆炸时产生的冲击力，而安装箱体顶部爆破片会在爆炸时被冲击力破坏，以便迅速释放压力，减少爆炸的冲击力，从而减少财物的损失。爆破片被集成到设备顶部上，即可以防止爆破片飞出伤人，也方便与废气管相连收集废气。

6）故障信号输入和输出

针对配置有电池热管理系统（BMS）的锂离子电池系统，当BMS 检测到系统温度、压力、电压、电流等异常的时候，输入故障信号给试验箱，试验箱将立即降温，将温度维持到20 ℃，防止电池包出现热失控。当试验箱出现故障时，输出故障信号给BMS系统，通过BMS 系统断开电池包的供电，防止电池包出现异常情况。

7）通过温度传感器测量探测火灾

当锂离子电池系统发生热失控前，电池局部温度会异常升高，对于未配置电池热管理系统（BMS）的锂离子电池系统，通过一个独立的、可自由移动的PT100 温度传感器可以检测异常温度上升，并输出相应的报警信号，帮助测试人员尽早发现测试过程中的异常情况，阻止系统的进一步恶化。该预警装置具有高效、便捷、响应迅速等优点。但是在热失控发生过程中，电池内外温差总会造成温度传感器不能及时响应，导致检测准确度低。

8）通过CO 气体测量探测火灾

相关研究人员通过对LIBs 热失控过程产生气体进行采样分析，发现CO 气体浓度在电池包泄压阀爆开前后有最明显的变化，此时电池表面的温度未超过100 ℃，因此CO 气体浓度和电池表面温度可共同作为电池热失控早期预警信号[5]。现阶段使用的CO 气体探测传感器相比于其他可燃性气体传感器具有价格低廉、耐用性强等优势。一氧化碳（CO）的测量方法如下：通过气体测量泵从试验箱顶部抽取箱内气体，样本气体经传感器前的调温装置进行调温，再通过传感器来测量样本气体中的CO 浓度，测试设备上有用于报警的触点，当CO 浓度超过200 ppm 时触发一级报警，设备红灯闪烁，试验箱不停机，当CO 浓度超过1 000 ppm 时触发二级报警，设备红灯常亮，蜂鸣器响，灭火装置启动。

9）灭火装置

以二氧化碳灭火为例，当传感器检测到火灾时，二氧化碳以液态的形式被自动注入测试空间中。液态二氧化碳膨胀时，会吸收一定的热量，形成二氧化碳雪，并使测试空间惰性化，最终实现灭火。其他的灭火剂或灭火装置，如：七氟丙烷，高压细水雾等灭火原理都是类似的。

10）氮气持续惰化和氧气测量

对于处于早期研发阶段的，有自燃或爆炸风险的锂离子电池系统，将电池系统放置在低氧的环境下测试可以减少火灾和爆炸发生的风险。当电子门锁启动后，用氮气对试验空间进行持续性惰化，测试开始时通过一个大流量的注入，在最短的时间内将测试空间内的氧气浓度降低到5 %以下。之后系统切换到小流量模式，使测试空间内氧气浓度维持在5 %以下，氧气测量单元被用来监测测试空间的氧气浓度。控制氮气的输入量。

3 安全防护与监测装置的配置

由上述安全防护与监测装置的作用可知，针对不同危险等级的锂离子电池系统，需要安全防护与监测装置是不同的，因此在进行锂离子电池系统测试前需要进行的危险等级评估，以减少测试过程中得安全风险。国内外的汽车厂家通常采用EUCAR 危害的评判标准进行评估，如表1 所示。

表1 危险等级评估表

根据不同的危险等级，推荐的安全防护与监测装置的配置如表2 所示。

表2 安全防护与监测装置的配置

4 结论

本文对用于锂离子电池系统测试的环境试验箱技术进行了研究，通过对锂离子电池系统的热失控原理进行分析，根据不同的危险等级，在现有设备上模块化的安装相应安全防护与监测装置，在减少测试风险的同时，满足不同产品的测试需求，大大缩短了设计的周期，节约测试成本，提高测试效率。通过对试验箱的安全测试，表明增加了安全防护与监测装置的试验箱在测试锂离子电池系统过程中有良好的防护性能，可以在安全的条件下进行锂离子电池系统的测试，具有重要的实用价值，为锂离子电池系统测试设备的研制提供参考。