用于鋰電池測試的環(huán)境試驗箱技術(shù)研究

蔣劍煒

（偉思富齊環(huán)境試驗儀器（太倉）有限公司，蘇州 215400）

引言

隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，越來越多的廠家加入到了鋰離子電池系統(tǒng)的研發(fā)工作中，為了保證鋰離子電池系統(tǒng)的安全可靠，在研發(fā)和生產(chǎn)過程中必須遵循由IEC、ISO、SAE、SAC、CEN 等機(jī)構(gòu)組織制定的各項標(biāo)準(zhǔn)，對鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行多項可靠性測試，氣候測試是其中重要的組成部分之一。環(huán)境試驗箱作為一種氣候測試平臺，可以對鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行多項氣候測試，如加熱、溫度循環(huán)、濕熱循環(huán)等。鋰離子電池系統(tǒng)在測試過程中存在自燃，爆炸等安全隱患，因此對環(huán)境試驗箱的安全防護(hù)和監(jiān)測技術(shù)的研究顯得十分重要。通過早期的預(yù)警監(jiān)測和得當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)，可以大大提高設(shè)備的安全等級，減少財物損失，避免人員傷亡。

1 鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控原理

鋰離子電池系統(tǒng)是能量存儲裝置，包括電池單體或電池包、電路和電控單元[1]。目前常見的鋰離子電池有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，它們與鉛酸電池相比都具有更高的比能量（Wh/kg）和能量密度（Wh/L）、更長的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，但是在濫用條件下（如：外部高溫、過充、短路等），容易引起電池包內(nèi)某一電池單體發(fā)生局部劇烈升溫，升高的溫度向周邊電池單體擴(kuò)散，使得電池包內(nèi)部發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量得熱量和氣體，造成整個電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BMS）失控，當(dāng)熱量和氣體積累到一定程度時電池會發(fā)生自燃、甚至爆炸，電池系統(tǒng)熱失控原理如圖1 所示[2～5]。

圖1 動力電池?zé)崾Э氐氖鹿试蚣跋嚓P(guān)濫用誘因[5]

2 安全防護(hù)與監(jiān)測裝置的設(shè)計

由鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控原理可知，通過早期的監(jiān)測預(yù)警，可以及時發(fā)現(xiàn)鋰離子電池系統(tǒng)在測試過程中的異常狀態(tài)，通過人為的干預(yù)，減少鋰離子電池系統(tǒng)出現(xiàn)熱失控的情況，降低測試過程中自燃、爆炸的概率。當(dāng)出現(xiàn)不可避免的自燃、爆炸風(fēng)險時，需要通過安全防護(hù)裝置避免人員傷亡，減少財物損失。安全防護(hù)與監(jiān)測裝置主要有以下幾個模塊組成。

1）狀態(tài)指示器

根據(jù)測試需求配置不同顏色的信號燈和蜂鳴器，用于指示設(shè)備不同的工作狀態(tài)。狀態(tài)指示器安裝在磁吸底座上，測試人員可根據(jù)實際情況調(diào)整位置，以便于觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使其能及時的處理相應(yīng)故障。

2）電子門鎖

由于鋰離子電池系統(tǒng)在測試過程中存在自燃、爆炸等安全隱患，因此在設(shè)備運(yùn)行期間，測試室的門通過一個電子門鎖鎖定，以阻止人員在測試過程中開門操作，整個測試系統(tǒng)只有在程序結(jié)束或中斷時，才允許打開測試室的門，以確保人員安全。

3）機(jī)械門鎖和密封塞固定夾

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生爆炸時，測試室原有的門鎖和穿線孔密封塞，很可能無法承受住爆炸時巨大的壓力，使大門和密封塞被彈開或飛出，造成人員傷害或財物的損失。通過額外的兩個加強(qiáng)型機(jī)械門鎖將大門與測試室相連，可以大大增加連接強(qiáng)度，防止測試室門在爆炸中被彈開，通過密封塞固定夾，可以防止密封塞在爆炸中飛出。

4）自恢復(fù)泄壓閥

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控時，會通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量有毒有害的氣體，為了保障測試人員的安全，需要將泄漏的氣體通過泄壓閥迅速的排出，然后再通過廢氣管進(jìn)行收集處理。泄壓閥的尺寸，根據(jù)預(yù)計的氣體泄漏量確定。泄壓閥通過一個機(jī)械式的擋片，實現(xiàn)開啟和關(guān)閉，結(jié)構(gòu)簡單可靠。

5）爆破片減壓裝置與箱體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生爆炸時，測試箱內(nèi)的壓力會瞬間上升，產(chǎn)生巨大的沖擊力。為了防止箱體在受到巨大的沖擊力后發(fā)生變形或損壞，需要對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)以承受爆炸時產(chǎn)生的沖擊力，而安裝箱體頂部爆破片會在爆炸時被沖擊力破壞，以便迅速釋放壓力，減少爆炸的沖擊力，從而減少財物的損失。爆破片被集成到設(shè)備頂部上，即可以防止爆破片飛出傷人，也方便與廢氣管相連收集廢氣。

6）故障信號輸入和輸出

針對配置有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BMS）的鋰離子電池系統(tǒng)，當(dāng)BMS 檢測到系統(tǒng)溫度、壓力、電壓、電流等異常的時候，輸入故障信號給試驗箱，試驗箱將立即降溫，將溫度維持到20 ℃，防止電池包出現(xiàn)熱失控。當(dāng)試驗箱出現(xiàn)故障時，輸出故障信號給BMS系統(tǒng)，通過BMS 系統(tǒng)斷開電池包的供電，防止電池包出現(xiàn)異常情況。

7）通過溫度傳感器測量探測火災(zāi)

當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控前，電池局部溫度會異常升高，對于未配置電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BMS）的鋰離子電池系統(tǒng)，通過一個獨(dú)立的、可自由移動的PT100 溫度傳感器可以檢測異常溫度上升，并輸出相應(yīng)的報警信號，幫助測試人員盡早發(fā)現(xiàn)測試過程中的異常情況，阻止系統(tǒng)的進(jìn)一步惡化。該預(yù)警裝置具有高效、便捷、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。但是在熱失控發(fā)生過程中，電池內(nèi)外溫差總會造成溫度傳感器不能及時響應(yīng)，導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確度低。

8）通過CO 氣體測量探測火災(zāi)

相關(guān)研究人員通過對LIBs 熱失控過程產(chǎn)生氣體進(jìn)行采樣分析，發(fā)現(xiàn)CO 氣體濃度在電池包泄壓閥爆開前后有最明顯的變化，此時電池表面的溫度未超過100 ℃，因此CO 氣體濃度和電池表面溫度可共同作為電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警信號[5]?，F(xiàn)階段使用的CO 氣體探測傳感器相比于其他可燃性氣體傳感器具有價格低廉、耐用性強(qiáng)等優(yōu)勢。一氧化碳（CO）的測量方法如下：通過氣體測量泵從試驗箱頂部抽取箱內(nèi)氣體，樣本氣體經(jīng)傳感器前的調(diào)溫裝置進(jìn)行調(diào)溫，再通過傳感器來測量樣本氣體中的CO 濃度，測試設(shè)備上有用于報警的觸點(diǎn)，當(dāng)CO 濃度超過200 ppm 時觸發(fā)一級報警，設(shè)備紅燈閃爍，試驗箱不停機(jī)，當(dāng)CO 濃度超過1 000 ppm 時觸發(fā)二級報警，設(shè)備紅燈常亮，蜂鳴器響，滅火裝置啟動。

9）滅火裝置

以二氧化碳滅火為例，當(dāng)傳感器檢測到火災(zāi)時，二氧化碳以液態(tài)的形式被自動注入測試空間中。液態(tài)二氧化碳膨脹時，會吸收一定的熱量，形成二氧化碳雪，并使測試空間惰性化，最終實現(xiàn)滅火。其他的滅火劑或滅火裝置，如：七氟丙烷，高壓細(xì)水霧等滅火原理都是類似的。

10）氮?dú)獬掷m(xù)惰化和氧氣測量

對于處于早期研發(fā)階段的，有自燃或爆炸風(fēng)險的鋰離子電池系統(tǒng)，將電池系統(tǒng)放置在低氧的環(huán)境下測試可以減少火災(zāi)和爆炸發(fā)生的風(fēng)險。當(dāng)電子門鎖啟動后，用氮?dú)鈱υ囼灴臻g進(jìn)行持續(xù)性惰化，測試開始時通過一個大流量的注入，在最短的時間內(nèi)將測試空間內(nèi)的氧氣濃度降低到5 %以下。之后系統(tǒng)切換到小流量模式，使測試空間內(nèi)氧氣濃度維持在5 %以下，氧氣測量單元被用來監(jiān)測測試空間的氧氣濃度?？刂频?dú)獾妮斎肓俊?/p>

3 安全防護(hù)與監(jiān)測裝置的配置

由上述安全防護(hù)與監(jiān)測裝置的作用可知，針對不同危險等級的鋰離子電池系統(tǒng)，需要安全防護(hù)與監(jiān)測裝置是不同的，因此在進(jìn)行鋰離子電池系統(tǒng)測試前需要進(jìn)行的危險等級評估，以減少測試過程中得安全風(fēng)險。國內(nèi)外的汽車廠家通常采用EUCAR 危害的評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，如表1 所示。

表1 危險等級評估表

根據(jù)不同的危險等級，推薦的安全防護(hù)與監(jiān)測裝置的配置如表2 所示。

表2 安全防護(hù)與監(jiān)測裝置的配置

4 結(jié)論

本文對用于鋰離子電池系統(tǒng)測試的環(huán)境試驗箱技術(shù)進(jìn)行了研究，通過對鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控原理進(jìn)行分析，根據(jù)不同的危險等級，在現(xiàn)有設(shè)備上模塊化的安裝相應(yīng)安全防護(hù)與監(jiān)測裝置，在減少測試風(fēng)險的同時，滿足不同產(chǎn)品的測試需求，大大縮短了設(shè)計的周期，節(jié)約測試成本，提高測試效率。通過對試驗箱的安全測試，表明增加了安全防護(hù)與監(jiān)測裝置的試驗箱在測試鋰離子電池系統(tǒng)過程中有良好的防護(hù)性能，可以在安全的條件下進(jìn)行鋰離子電池系統(tǒng)的測試，具有重要的實用價值，為鋰離子電池系統(tǒng)測試設(shè)備的研制提供參考。