實驗室安全防護(hù)措施解析——以電驅(qū)動汽車動力鋰離子電池的實驗室試驗為例

文/常薇芬 韋 莉 盧兆明

《檢測實驗室安全》系列推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)入公示征求意見階段，分為總則、電氣、機(jī)械、非電離輻射及化學(xué)因素5個部分。此系列標(biāo)準(zhǔn)是在GB/T 27025－2008《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力的通用要求》的基礎(chǔ)上，針對實驗室安全的管理規(guī)范。它要求在制訂實驗室操作規(guī)范（實施細(xì)則）時，必須對受試樣品的結(jié)構(gòu)、工作原理、失效模式、潛在的危險形式和烈度等有相當(dāng)?shù)牧私夂瓦m當(dāng)?shù)墓烙?，并提出必要可行的防護(hù)措施。我們以電驅(qū)動汽車動力鋰離子電池環(huán)境試驗和性能試驗為例，從實驗室試驗安全要素對樣品的工作原理、結(jié)構(gòu)、失效原因和潛在危險因素展開分析，提出實驗室安全防護(hù)的管理要點和具體防護(hù)措施。

一、鋰離子電池安全要素分析

1.電池芯的結(jié)構(gòu)

以磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池為例，當(dāng)電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名。電驅(qū)動汽車動力鋰離子電池組或電池系統(tǒng)是通過上百個電池芯單體（cell）級聯(lián)成組，集成系統(tǒng)后裝車使用的。

圖1 鋰離子動力電池芯結(jié)構(gòu)示意圖

2.鋰離子電池組和電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電池組是一個可以裝車使用的能量儲存裝置，包括電池芯或電池芯組、配屬電子單元。當(dāng)電池控制單元（BCU）內(nèi)置時，被稱為電池系統(tǒng)。所有元件應(yīng)布置在能抵御撞擊的特制容器內(nèi)（見圖2）。

圖2 模擬實車動力鋰電池芯彈體撞擊試驗樣品

3.危險產(chǎn)生部件和原因

不管樣品是電池芯、電池組還是電池系統(tǒng)，無論誘發(fā)因素是什么，在裝車使用或在實驗室試驗過程中可能的危險狀態(tài)都在電池芯環(huán)節(jié)引發(fā)。IEC 62660電氣公路用車的驅(qū)動用輔助鋰電池系列標(biāo)準(zhǔn)中給出了“無結(jié)果、變形、溢出、泄漏、冒煙、破裂、著火和爆炸”8種電池芯實驗結(jié)果的規(guī)范化結(jié)論描述。前幾種狀態(tài)暫且不至于存在危險，而著火、爆炸應(yīng)加以防護(hù)。

①危險源分析

a)電池芯危險產(chǎn)生的主因

·短路

外部短路是指電池極間的短路，主要是外結(jié)構(gòu)上的故障或損壞造成短路，一般為機(jī)械或物理原因所導(dǎo)致。實驗室正常采用5 mΩ～100 mΩ級的短路試驗電阻進(jìn)行限定時長的外部短路試驗，有些試驗則無限延長時長直至反應(yīng)結(jié)束，其在實驗室的反應(yīng)劇烈程度是可以想象的。

內(nèi)部短路是指除電池體內(nèi)的電極端（片）間的物理短路外，鋰離子電池還會因厚度僅有30 μm的聚合物隔膜破裂導(dǎo)致短路。在實驗室條件下，通常會在各種過載試驗、環(huán)境試驗或壽命循環(huán)試驗過程中產(chǎn)生內(nèi)部短路狀況。

每種類型的隔膜都有各自的“融破溫度”，過熱同樣會導(dǎo)致隔膜破損，造成內(nèi)部短路；另外由于隔膜原材料的瑕疵，或在生產(chǎn)過程中造成微小的隔膜損傷，都可以在微小的短路條件下，使動力鋰離子電池產(chǎn)生局部的溫升，而且這種微小的短路會在使用或試驗加載過程中逐漸擴(kuò)大，進(jìn)而形成內(nèi)部短路。

·過負(fù)載

過電流主要發(fā)生在加速和爬坡過程中的過流試驗，實驗室常用1℃～20℃或更大的電流過流載荷模擬電驅(qū)動車輛。

過電壓：剎車制動與逆變反充，以及在不完善或不匹配的條件下充電，可能會使電池長時間地處于過電壓的條件之下。在實驗室模擬過流載荷和過壓載荷等過載試驗中都將使動力鋰電池芯升溫，從而導(dǎo)致樣品損傷。

過充電：電池充電屬吸熱反應(yīng)，放電為放熱反應(yīng)，兩者都包含內(nèi)阻熱耗。充電初期，極化電阻最小，吸熱反應(yīng)處于主導(dǎo)地位，電池溫升可能出現(xiàn)負(fù)值；充電后期，阻抗增大，釋熱多于吸熱，溫升增加。在恒流充電階段末期一般都會發(fā)生不同程度的過充，溫升可達(dá)40 K～50 K。過充時，隨不可逆反應(yīng)的出現(xiàn)，逸出氣體，內(nèi)壓、溫升升高致變形或爆裂。

過放電：在恒流放電時，電壓會出現(xiàn)一陡然跌落的現(xiàn)象，這主要是由歐姆電阻壓降所引起的。此電阻包括連接單體電極的導(dǎo)線電阻和觸點電阻，電壓繼續(xù)下降，經(jīng)過一段時間以后，到達(dá)新的電化學(xué)平衡。當(dāng)進(jìn)入放電平臺期后，電壓變化不明顯，放熱反應(yīng)加上電阻釋熱致使電池溫升增大，電池組/系統(tǒng)的放電電壓曲線近似單體放電曲線。持續(xù)放電，電壓曲線進(jìn)入馬尾下降階段。此時，極化阻抗增大，輸出效率降低，損耗發(fā)熱增大，接近終止電壓時才停止放電。

·溫升

電池溫升定義為電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的差值。上述幾項安全要素都伴隨著溫度升高的過程。因此，用于電驅(qū)動道路車輛的動力鋰離子電池隔膜都應(yīng)具有“自動關(guān)斷保護(hù)”的物理性能。當(dāng)電池內(nèi)部溫度升高到一定程度時，隔膜的物理特性會使微孔關(guān)閉，阻塞電流的通過，即為“閉孔溫度”。但熱慣性還是會使電池內(nèi)部的溫度繼續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到一定溫度時，就會導(dǎo)致隔膜熔融破裂，稱之為“融破溫度”。表1羅列了幾種隔膜的相關(guān)參數(shù)，試驗參照應(yīng)根據(jù)受試樣品技術(shù)文件提供的具體參數(shù)進(jìn)行。這些參數(shù)對實驗過程的安全防護(hù)設(shè)置是極為有用的。

表1 幾種隔膜的相關(guān)參數(shù)

·工藝缺陷

顯現(xiàn)的內(nèi)部故障在電池芯生產(chǎn)下線時就會被剔除。進(jìn)入成品階段的電池芯，即使含有內(nèi)部故障也是隱性的，屬于工藝瑕疵范圍。如前面提到過的隔膜不均勻或疏漏，充容材料中含有金屬殘余物，電解液灌裝適量及封裝應(yīng)力等。隱性的內(nèi)部故障對實車裝用是個隱患，在實驗室超強的試驗條件下，內(nèi)部隱含故障因素可以被逐步顯化，同樣成為需要防范的要素。

·壽命循環(huán)試驗的影響

壽命循環(huán)試驗對電池芯是相當(dāng)嚴(yán)酷的，不僅能評估電池芯的耐使用能力，還可以檢出隱有工藝瑕疵的樣品。對早期性能下降較大的電池芯樣品，后續(xù)試驗載荷就意味著超載。

·機(jī)械直接損傷

在機(jī)械環(huán)境試驗和非正常工作（濫用）試驗過程中可以對電池芯直接造成損傷，或使電池芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷后造成性能下降。在機(jī)械沖擊（碰撞）試驗中直接燃燒或爆炸的情況也是有紀(jì)錄的。

·溫度/濕度環(huán)境

溫度和濕度環(huán)境試驗無疑劣化了加載試驗的條件。由于在試驗箱內(nèi)進(jìn)行試驗，安全問題和次生災(zāi)害也就成為需要防范的重要因素。

b)電池組和電池系統(tǒng)

電池組/系統(tǒng)作為直接裝車實用的大型部件，如圖2所示，除電池芯集合外還包括BCU、電池芯電路、熔斷器、配線、連接器、溫度傳感器和電池芯制冷裝置等結(jié)構(gòu)要素?？刂茊卧碗娐房梢赃m當(dāng)調(diào)整和有效控制大部分不利狀態(tài)的出現(xiàn)，對使用或試驗安全是必不可少的。在試驗中，應(yīng)該啟用這些功能；尤其對電池組，外掛的電池控制單元試驗時一定要到位?？刂茊卧碗娐返臄?shù)據(jù)采集功能和控制狀況也應(yīng)盡量為實驗室的試驗提供參考。電池控制系統(tǒng)可對電池的電流、電壓以及溫度等工作狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，并按既定的設(shè)置進(jìn)行應(yīng)對處置。處理的方式一般為分流和成組退出工作。

分流并不斷開電池的工作回路，而是給每只單體電池芯都增加一個旁路裝置，盡量使組合特性趨于電池組內(nèi)單體電池特性的平均水平。因此可推論，電池組的壽命應(yīng)該是各單體電池芯中壽命的最小者。同時，單體電池芯的安全性能直接影響電池組/系統(tǒng)的使用安全和試驗安全。在考慮試驗安全要素時，應(yīng)涉及可能出現(xiàn)的連鎖反應(yīng)、由于外殼形成的隱蔽性以及外殼的破碎和碎片引起飛濺等所需的防護(hù)。

二、實驗室防護(hù)的硬件設(shè)施

1.對人員的防護(hù)

在實驗室試驗過程中，首先應(yīng)防護(hù)的是試驗操作人員，他們同是軟防護(hù)的實施者和受保護(hù)人。在試驗狀態(tài)退出的處置和試驗銜接的轉(zhuǎn)移等環(huán)節(jié)中，無法避免地會與樣品近距離接觸。應(yīng)置備必要的人體防護(hù)用品，如針對性設(shè)置可視遮蔽屏等。

2.對設(shè)備的防護(hù)

對較為貴重的氣候環(huán)境試驗箱和振動試驗臺，除應(yīng)有阻燃和防爆隔斷防護(hù)設(shè)施外，還需具備防碎片和粘稠絮狀物的裝置。

非正常工作（濫用）的碾壓試驗，用相當(dāng)樣品自重質(zhì)量1 000倍的力進(jìn)行碾壓，UL撞擊試驗是將9.1 kg的重物自610 mm處自由落下，試驗過程可能產(chǎn)生較劇烈的反應(yīng)。

防護(hù)網(wǎng)適用于碾壓、撞擊試驗，常溫試驗和試驗箱內(nèi)試驗的防護(hù)。UL推薦了對不同預(yù)估烈度和不同散射物質(zhì)的防護(hù)可以選用不同的防護(hù)網(wǎng)具。

氣候試驗箱是一個獨立的氣候空間，伴有循環(huán)的流動空氣。遇有樣品氣體泄漏或粘稠物噴射，會增大攪動和彌散。選用工作空間較大的試驗箱，可便于采取防護(hù)措施和應(yīng)急操作。試驗箱本身應(yīng)有一定的防爆設(shè)計。

此外，還可采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)網(wǎng)。防護(hù)網(wǎng)的設(shè)置應(yīng)考慮到樣品緊急撤離的可操作性。振動試驗臺和沖擊試驗臺應(yīng)防止異物進(jìn)入試驗設(shè)備活動部分的縫隙，采用防護(hù)網(wǎng)（因為對樣品設(shè)置防護(hù)網(wǎng)則會影響試驗的動態(tài)響應(yīng)）。

采用適當(dāng)?shù)臏缁鸫胧８鶕?jù)不同的場地條件，可以采取撲蓋和噴灑滅火劑。在狀況發(fā)生前充分考慮如何保全設(shè)備，但在遇有狀況時不應(yīng)再考慮滅火劑是否會影響設(shè)備的保全。

3.對受試樣品的保護(hù)

即使是受損的樣品也具有保全的價值。電池芯單體樣品緊密排列，受試時應(yīng)防止受到影響和干擾，免受殃及；電池組/系統(tǒng)由于外殼的遮蔽，一方面應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)和處置危險狀態(tài)，防止危險狀態(tài)的連鎖反應(yīng)，同時若發(fā)生狀況，應(yīng)盡可能地保全試樣，以便分析。

4.對實驗數(shù)據(jù)的保全

如若發(fā)生燃燒或爆炸，溫度傳感器和加速度計等靠近或附著在樣品上的儀表可能受到影響或損壞，但稍早變送的信號及記錄的數(shù)據(jù)仍有效。無論樣品是否通過試驗，這些數(shù)據(jù)和信息極具分析價值?，F(xiàn)場監(jiān)視影像和拍攝的圖片是重要的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，都應(yīng)注意收集和整理。在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置視頻探頭，對試驗進(jìn)行監(jiān)視和記錄是可實現(xiàn)的有效方法。不僅可以提高監(jiān)視效率，還可以保全原始圖像。

5.試驗環(huán)境的保護(hù)

在封閉的試驗環(huán)境中（如在環(huán)境試驗箱內(nèi)）出現(xiàn)可以判據(jù)的狀態(tài)，應(yīng)中止試驗。在取證（如對煙霧和著火圖像的攝?。┖?，應(yīng)有效滅火，并通過箱體的專用排氣通道排出廢氣。若沒有專用排氣通道的試驗箱，煙霧氣體就必然會進(jìn)入實驗場地。此時，人員首先應(yīng)有防煙氣的呼吸防護(hù)用品，場地內(nèi)應(yīng)有相應(yīng)的獨立換氣排放系統(tǒng)等。同樣，各種氣體的排放必須符合實驗室排放相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

6.廢棄物的處置

取證后的試驗廢棄物，應(yīng)按樣品供應(yīng)商的提示和實驗室的有關(guān)規(guī)范進(jìn)行無害化處理，或提交專業(yè)機(jī)構(gòu)按相關(guān)規(guī)定和程序合理處置。

三、技術(shù)措施（軟件預(yù)警/控制防護(hù)）

通過在線測量和監(jiān)控采樣，分析采集的溫度—時間曲線，以了解受試樣品在試驗內(nèi)部狀態(tài)的基本情況。根據(jù)樣品的特性，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和極限設(shè)定，可以為試驗人員提供樣品狀態(tài)預(yù)警。為試驗控制和防護(hù)爭取執(zhí)行應(yīng)變措施的時間。實時采集的圖像信息，可對樣品發(fā)生狀態(tài)后及時采取有效防護(hù)措施提供直接的幫助。

1.溫度參數(shù)

前面討論了受試的單體電池芯在各階段的溫度和溫度變化特點。試驗中主要對樣品中單體電池芯進(jìn)行溫度監(jiān)測，傳感器被安置在單體電池芯的體或面的幾何中心位置。從試驗原理上考慮，應(yīng)設(shè)置在溫度最敏感的位置，或者粘結(jié)在“最不利”的位置，即可采集到最不利位置的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)置狀態(tài)警示或預(yù)警，“閉孔溫度”和“融破溫度”就是有意義的參照系。

2.傳感器的布置

溫度測量在電池芯單體上進(jìn)行，包括電池組/系統(tǒng)。傳感器應(yīng)該設(shè)置在電池芯溫度最敏感的位置。包括溫度傳感器在內(nèi)的測量系統(tǒng)在試驗前應(yīng)經(jīng)過校準(zhǔn)。

3.其他參數(shù)

有關(guān)試驗過程中，受試單體電池芯樣品端電壓、電流以及由此間接獲得的等效內(nèi)阻等其他參數(shù)，可以較為準(zhǔn)確地判定受試樣品的實際工作狀態(tài)，甚至通過采樣比較，分析出該樣品在整個電池組/系統(tǒng)的電池芯單體集合中相對所處的狀態(tài)地位。在某些性能檢測項目中，有規(guī)定采用這些測量和運算，但由于數(shù)據(jù)采集量和處理速度問題，且占用的儀器數(shù)量眾多，實驗準(zhǔn)備工作量也較為繁重，是否用于在試驗室安全防護(hù)上，還要根據(jù)試驗室的實際情況而定。

四、防護(hù)管理

無論用軟件技術(shù)還是硬件設(shè)施進(jìn)行實驗室安全防護(hù)，其協(xié)調(diào)、融會互補和有效實施還是要靠管理機(jī)制。在GB/T 27025－2008基礎(chǔ)上建立的實驗室管理是要素型管理。實驗室應(yīng)根據(jù)實際情況和樣品特征，和可能出現(xiàn)影響安全的狀態(tài)，制定可實施的細(xì)則來規(guī)范。硬件基礎(chǔ)應(yīng)安排或騰出足夠的場地以便施展，還應(yīng)設(shè)計或安排排放和通風(fēng)設(shè)施；用文件規(guī)范試驗狀態(tài)的處置順序和取舍原則；用實施細(xì)則規(guī)定操作要素和步驟，以及針對狀態(tài)經(jīng)過的記錄、描述和報告的具體要求；組織人員的培訓(xùn)和操演，以及保全保險索賠要據(jù)等具體條文。

人員的素養(yǎng)決定要素管理的有效性，一條安全鏈的穩(wěn)固程度取決于其最弱的一環(huán)。