電驅動道路車輛 動力鋰離子電池系統試驗中的實驗室安全和防護

王婷婷，王雅蕓，盧兆明

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233）

電驅動道路車輛動力鋰離子電池組和電池系統（如圖1）是基于符合要求的幾十或上百個單體電池芯通過級聯而成的。電池組/電池系統出現不安全狀態的原由還是在單體電池芯環節。但由于高度集成，而且處在封閉惡劣的環境之下，出現狀態的危險性和可能造成的后果將嚴重得多。

1 要素分析

電動道路車輛用的動力鋰離子電池通常是通過將多個電池芯通過串聯、并聯的方式以獲得較高的容量、電壓、電流和功率。電池芯相應的安全要素，在電池組和電池系統中也同樣存在。由于對電池芯的級聯，肯定會造成一定的內耗，因此電池組和電池系統對電池芯的內阻、放電倍率、循環壽命等一致性還有較高的要求。

圖2是電池芯級聯成組的模型?？梢韵胂髥误w電池芯的工作狀態對電池組/系統工作狀態和安全可能產生的影響。

電池控制系統（BCU）可對電池的電流、電壓以及溫度等工作狀態進行實時檢測，并按既定的設置進行應對處置。處理的方式一般為分流和成組退出工作。

圖1 電池組（左）和電池系統（中、右）產品外觀參考圖

圖2 單體電池芯對成組工作狀態和安全的影響（模型）

電池控制系統（BCU）分流處理一般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單體電池特性的平均水平。因此可推論，電池組的壽命應該是集成的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/系統的使用安全和試驗中的安全。

從圖2中可以看出，只有左側模型可以建立成組退出。右側模型當然也可以，但斷開功率相對較大，實現起來困難一些。現在整車往往選用同時裝用2～3組電池組/系統的方案，分別布置在前箱、尾箱和轎箱的底部。這樣在裝車實用中既可互作備份，也可集中輸出動力。在出現異常的處理上只要將相關的電池組/系統休眠就可以了，也是一種斷開處理。

在考慮試驗安全要素時，應該考慮到電池組/系統可能出現的連鎖反應；也應該考慮到由于外殼形成的隱蔽性；還應該考慮到由于外殼的破碎和碎片飛濺對防護的要求。

2 防護的基本內容

電池組/系統的實驗室防護內容與對單體電池芯試驗的防護基本類同。但在具體的力度和措施上有所不同。由于電池組/系統出現不安全狀態的后果和影響更大，所以需要增大主動防護，也就是強化軟件預警/控制防護措施。

3 軟件預警/控制防護

電池組/系統都應配有電池控制單元（BCU），理論上應具備溫度的檢測和控制功能。在試驗時應導入這些功能，并予以激活。如果能將其溫度的檢測和控制功能經解譯為試驗檢測可讀的參數，并直接用于監控和記錄那是最理想的。一般情況下，BCU內部采用的可以是直感反應溫控元件，無法解譯為試驗檢測所需的可讀的參數，那么就有幾種解決方案和效果。

1)電池組/系統應與電池芯試驗一樣采取對每個單體電池芯進行溫度巡檢，溫度傳感器及其的安置要求也基本相同。同樣通過電腦進行整理分析。不僅檢測各測點的溫度的實時狀態，進行等時間間隔不間斷的檢測和記錄。還可以進一步給出各測點的溫度變化率及其變化規律，判斷樣品的實際狀態。在此基礎上參照“閉孔溫度”和“破膜溫度”設置狀態警示或預警。預置值可以較單體電池芯試驗的設置（5K左右）保守一些。除了在單體電池芯體上布置溫度傳感器，還應在電池組/系統外殼的內部空間布置若干溫度采樣點，以了解內部的環境條件；同樣在電池組/系統外殼的內壁上也應布置若干有代表性的采樣點。這樣就可以有完整的試驗參數資料，可以實現對試驗過程完整的軟件預警/控制防護，還能對BCU進行功能效果的有效評估；

2)完全依賴BCU的溫度的檢測和控制功能，相信或依賴生廠商設計的有效性。試驗過程并不另行安排數據采集，可以極大地簡化試驗。此方案實際上是放棄了軟件預警/控制防護。如果BCU的設置或控制能力不能滿足試驗條件；如果BCU本身失效或出現故障，那么整個試驗將既無軟保護，也不會有數據留存；

3)介于上兩種方案之間，在電池組/系統內部有選擇地布置溫度測點，但不全部覆蓋。效果也是介于兩者之間。

推薦采用1)方案，即使因電池組/系統的產品集成有所妨礙，也要設法與供應商協商采用適當的方式實現。

測量系統未必要求高的精度，但響應要快；巡檢的時間間隔應均勻，由此才能得到可信的溫升速率參數。包括溫度傳感器在內的測量系統在試驗前應經過校準。

通過在線測量和監控采樣，分析采集的溫度-時間曲線，以了解受試樣品在試驗中內部狀態的基本情況。根據樣品的特性，進行參數設置和極限設定可以向試驗人員提供樣品狀態預警；為試驗控制和防護提供了選擇的余地。

試驗中對電池組/系統的端電壓、電流以及由此間接獲得的等效內阻等其他參數，可以較為準確地判定受試樣品的實際工作狀態；甚至通過采樣比較，分析出該樣品在整個電池組/系統的電池芯單體集合中相對所處的狀態地位。這些測量和運算在某些性能檢測項目中規定采用。如何用在試驗室安全防護上，還要根據試驗室的實際情況而定。

此外，實時采集的圖像信息，可對樣品發生狀態后及時采取有效防護措施提供直接的幫助。

4 硬件設施防護

電池組/系統的質量和體積要比單體電池芯樣品大得多。雖然與單體電池芯試驗的防護要素是相同的，但在措施上需要相對厚重一些。

4.1 在試驗狀態退出的處置和試驗銜接的轉移等環節中，試驗操作無法避免地會與樣品近距離接觸。硬防護用品包括護目鏡、面罩、頭盔；隔熱長手套（阻燃，易脫?。?、合適的觸及樣品和搬運樣品的工具（應隨手可及）；外套、護裙和適合的鞋、靴等（防燃燒、噴射物和高溫粘結，防重物跌落）等；還應針對性設置可視遮蔽屏。通過軟硬防護的結合，選擇適當的防護用品和方式，可以保證試驗操作人員更好地進行試驗，且免受傷害。在溫度高于50oC時，應規定禁止裸手觸及樣品。并且應安排適當的值班操作人員數量。

4.2 防護網的設置主要應對剛性碎片的散射，宜用較粗直徑的鋼絲網制成，兼而考慮防止半固體或柔性物質的擴散。

4.3 電池組/系統的氣候環境試驗，應選用工作空間較大的步入式人工氣候箱，便于采取防護措施和應急操作；試驗箱應有一定的防爆設計，如避免電火花、電觸點和活動部件的金屬摩擦；最好有廢氣排放通道。此外，還可采用適當的防護網。防護網的設置還應考慮到樣品緊急撤離的操作性。

4.4 電池組/系統的振動試驗的頻率范圍和功率譜密度的試驗量級較單體電池芯有數量級的降低；沖擊試驗的嚴酷度基本相同。振動試驗臺和沖擊試驗臺應防止異物進入試驗設備活動部分的縫隙，基本的防護可以是防護網，或柔性防護措施。但這些措施應針對設備設置。而對樣品設置防護會影響力學試驗的動態響應。同時，對人員應設置防護屏障。

4.5 與單體電池芯試驗相同，應采用適當的滅火措施。由于電池組/系統的樣品個體較大，發生狀態的能量也要大一些，設置的位置應合理得當避免遮擋。設置視頻探頭應注意觀察要素完整。

5 綜述

5.1 需要在實驗室試驗中著意進行安全性防范的，應該是著火和爆炸兩種情況。前幾種結果可能造成污染或次生傷害，未必形成破壞性的直接傷害，但也應盡可能地用圖文記錄在案。

5.2 循環壽命試驗是對電池組/系統樣品最嚴格的考驗。除前面提到容量較小的電池芯承受能力較差外，在實際加載試驗或實際使用中，由于對各種動態負載表現的內阻不同，電池芯的承受也不同。充電時，先充滿的電池芯就會提前進入過充狀態；放電時，容量小的先進入過放狀態；無負載時，自放電快的電池芯容量流失多一些；在同一編組中，還會出現相互充電的活動現象。有資料顯示，兩個電池芯的壓差達到0.1V時，上述活動已經比較明顯了。較早性能下降的電池芯，在后續的試驗或使用中將要更多地承受超負荷。電池芯間的差異在試驗或使用過程中促使了部分電池芯加速劣化的過程。而整個電池組/系統的壽命與那些單體電池芯息息相關。

5.3 各項試驗中產生的過載是引起實驗室安全問題的主要原因之一。樣品電池因各種過載原因引起發熱，進而融化隔膜，導致短路發熱致使電解液汽化爆炸。顯然，此間溫度和溫度上升的速率是可測得的要素。溫度要素測量在實驗的各個環節都將反復進行。只要試驗節點中安排合適的溫度采樣、測量、記錄并進行比較，就可以早期發現和評估樣品的劣化程度，據此進行防范。非正常工作（濫用）的溫度類試驗，則應采取適當的防范措施。

5.4 力學類試驗環境試驗，機械如沖擊和振動，是模擬裝車實際使用中電池樣品受到行駛環境條件影響的試驗。其試驗的嚴酷度等級并不高，且有方向性；小型電池組由于安裝位置和方向并不確定，采用的嚴酷度等級較高，與單體電池芯相同。即使因直接試驗所造成的安全影響，其反應也一般較為溫和或有滯后；但非正常工作（濫用）的力學類試驗，試驗反應可能會比較劇烈的，能夠直接對實驗室環境造成影響；當樣品承受了力學類試驗測試之后，對可能產生的滯后反應，也應持續安排溫度采樣、測量和巡視，以預見和防范不利狀態的出現。

5.5 非正常工作（濫用）試驗中的短路保護、過充電保護和過放電保護項目，試驗的主要目的是檢驗電池系統樣品自身的保護功能。如果確定保護失效，應及時終止試驗。否則會造成樣品的過載，乃至破壞電池芯的內部結構，導致不安全事件發生。在這一點上，試驗目的與單體電池芯的試驗不同。

5.6 因電池組/系統的外殼的遮蔽，可以用溫度變化的程度或規律對電池組/系統內的單體電池芯所處受試的狀態進行觀察、分析和評估。由于電池組/系統內的單體電池芯排列布置更為密集，應考慮到溫度的互相傳遞和影響。作為預防，還應通過溫度變化率考慮溫度變化的方向和慣性因素，以便對試驗安全的溫度要素有基本的把握。相對“閉孔溫度”和“融破溫度”設置預警和安排退出試驗程序。

5.7 如果到達“閉孔溫度”和“融破溫度”區間，電池組/系統樣品出現溫度急劇升高，此時電池組/系統的內部BUC控制，以及所有外部試驗控制和卸載（退出試驗）都已經無法予以制止。這是由電池芯的內部故障導致的。

5.8 在進行單體電池芯或電池組/系統的試驗時，與單體電池芯的試驗相仿，每個單項試驗之前、過程中和試驗之后，一般都安排有SOC狀態調整環節。SOC狀態調整是指在室溫下充電前以恒定電流對電池放電直到制造商規定的放電截止電壓；然后，電池組/系統應在室溫下按照制造商聲明的充電方法進行充電。這是一個規范的試驗過程，且隨試驗的進展將多次重復。記錄、分析在SOC狀態調整過程中采集的數據可對受試電池組/系統或落實到每個單體電池芯樣品的性能衰退有較為清晰的了解并有所準備。

5.9 應該注意采集電池組/系統樣品電池等效內阻等參數變化信息。電池劣化過程與其內阻特性有對應關系。

5.10 電池組/系統的組成結構較單體電池芯復雜。除了電池芯的包裹材料外，還有電池組/系統的外殼及結構附件、內部的導線、連接器、印制板、板裝元器件和獨立元件等等。如果這些部分材料的阻燃性差，或者未阻燃經處理，將擴大燃燒的后果形成災害。因此，有必要在試驗前通過阻燃試驗確認其阻燃特性，獲得足夠的阻燃特性的資料。

5.11 道路車輛動力鋰離子電池環境試驗和性能試驗，從受試樣品自身價值到試驗的實施成本，都是非常昂貴的；全套試驗的時間經歷很長；同時還要進行必不可少的安全防護措施，還有些額外的損失，如傳感器的損耗和設備損傷；以及技術上的冗余和備份。所以在試驗前，應精心規劃設計試驗，包括樣品經受試驗項目的路線、分組和數量；在試驗中謹慎實施操作，防患于未然，以獲取完整的試驗結果。

[1] 盧兆明.道路車輛 電氣及電子設備的環境試驗方法和要求[M].北京：中國標準出版社，2011.

[2] 郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新編著.鋰離子電池[M]長沙：中南大學出版社，2002.

[3] 盧兆明等.電驅動道路車輛動力鋰離子電池的試驗和要求（系列）[J]環境技術，2011.3-2013.1.

[4] ISO/DIS 12405,（all parts）Electrically propelled road vehicles —Test specif i cation for lithium-Ion traction battery systems[S].

[5] IEC 62660，（all parts）Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles[S].

[6] UL 1642，Safety for Lithium Batteries[S].

[7] UN 38.3，The Recommendations on the Transport of Dangerous Goods，Manual of Test and Criteria[S].