鋰電池環境試驗設備原理概述

王志鵬 ，馬軍，林文表，傅釗，鄭昆*

（ 1.廣州五所環境儀器有限公司，廣州 511370； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

引言

目前鋰電池在手機、筆記本、電動自行車、電動汽車等各行業得到廣泛的應用，其使用的環境愈加復雜和苛刻，隨著應用范圍的逐漸擴充和電池性能要求的不斷提高，鋰電池的能量密度和容量越來越大，鋰電池在不同環境下安全事故的幾率也隨之增大[1,2]。鋰電池使用過程中的安全性問題日益得到重視，需要對其在不同環境下安全性進行評估和測試，因此研制一臺具有防護功能的鋰電池環境試驗設備具有重要意義。

1 鋰電池安全性測試分析

作為高能量載體的鋰電池，其安全性問題主要集中在燃燒或爆炸。當鋰電池在外部高溫、過充、內部制造缺陷等狀態下使用時，會引起電池短路，內部溫度會不斷升高，進而可引起電池內部將發生化學反應，產生大量的熱量與氣體，電池自身熱管理失控，當積累到一定程度就會引起電池的著火、爆炸。鋰電池燃燒爆炸機理見圖1 所示[3-6]。

圖1 鋰電池燃燒爆炸機理

2 設備設計方案

2.1 相關標準要求

鋰電池常用的國家標準有GB 38031-2020 《電動汽車用動力蓄電池安全要求》、GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》，標準中檢測項目對環境的要求如表1、表2 所示。

表1 GB 38031-2020 檢測項目的主要環境條件[7]

表2 GB/T 36972-2018 檢測項目的主要環境條件

2.2 鋰電池環境試驗設備主要技術指標及性能

1）具備泄壓、消防、結構加強等安全防護；

2）標稱內容積：1 m3；

3）溫度范圍：（-70 ～+150）℃；

4）溫度波動度：≤0.5 ℃；

5）溫度偏差：≤1.5 ℃；

6）溫度均勻度：≤2.0 ℃；

7）溫度最大變化速率：≥5 ℃/min（標準負載下，入風區控制點測量）；

8）濕度范圍：（20 ～98）%RH（如圖2，無有源濕、熱負載）；

圖2 溫濕度可控制范圍圖

9）相對濕度偏差：±3.0 %RH（濕度＞75 %RH 時），±5.0 %RH（濕度≤75 %RH 時）；

10）標準負載：50 kg 鋁錠，無發熱。

2.3 消防裝置設計

消防裝置主要針對鋰電池在試驗過程中出現燃燒或爆炸時產生的火焰進行滅火及燃燒爆炸后產生的煙霧、氣體進行排風等，主要包括滅火組件、排風組件、測量組件等，消防裝置設計框圖如圖3 所示。

圖3 消防裝置設計框圖

測量組件由1.煙霧傳感器，2.溫度傳感器組成，煙霧傳感器安裝在試驗箱頂部，溫度傳感器粘貼在鋰電池外殼表面。測量組件的主要作用是實時監測鋰電池在試驗過程箱內有無煙霧產生及鋰電池表面溫度有無異常升高，當煙霧傳感器檢測到箱內有氣體產生或溫度傳感器檢測到鋰電池表面溫度在短時間內急劇升高，則判定鋰電池已發生燃燒，進而啟動滅火組件。

滅火組件由3.可調噴嘴，4.單向電磁閥，5.CO2滅火器組成。可調噴嘴安裝在試驗箱側頂部，其噴嘴朝向可手動調節朝向鋰電池的特定表面，單向電磁閥主要防止試驗箱內氣體進入滅火器；當測量組件檢測到鋰電池燃燒時，CO2滅火劑經噴嘴噴向鋰電池，進而對鋰電池進行滅火，滅火裝置啟動一定時間后停止，進而啟動排風組件。

排風組件由6.單向電磁閥，7.空氣凈化器，8.離心風機組成。滅火組件啟動一定時間后排風組件啟動，將試驗箱內的氣體排出室外。為防止鋰電池燃燒后的氣體對空氣造成污染，增加空氣凈化器將箱內氣體凈化后再排向室外。

2.4 泄壓裝置設計

泄壓裝置主要針對鋰電池在試驗過程中出現燃燒或爆炸時使試驗箱內產生的壓力進行泄壓，以免對箱體產生破壞。泄壓裝置主要由1.防凝露頂板，2.泄壓口，3.網罩，4 防濺棒組成，其中泄壓口由5.鋁箔，6.隔熱材料，7.泄壓板，8.發熱絲等組成，泄壓裝置設計框圖如圖4、圖5 所示。當箱內壓力急劇升高時，泄壓口2 打開，使試驗箱內部與外界大氣相通，進而箱內壓力迅速降低。當泄壓動作發生時，防濺棒7 可擋住泄壓板、隔熱材料等，同時安裝在外箱頂部的網罩3 可罩住泄壓口，防止泄壓板7、保溫材料飛濺到室內。

圖4 泄壓裝置設計框圖

圖5 泄壓口局部放大圖

泄壓口設計時需考慮泄壓位置、泄壓面積、泄壓壓力、不動作時密封性及防凝露等方面考慮。本鋰電池環境試驗設備的泄壓口在箱體頂部中間位置，泄壓面積結合內箱容積、泄壓口開啟壓力、爆炸壓力上升速率而定，泄壓壓力通過使用表面貼有鋁箔的不銹鋼矩形網格薄板（泄壓板7）來實現，如圖6 所示。當達到設定泄壓口開啟壓力時，網格板上的鋁箔沿接縫拉伸破壞，泄放箱內氣體壓力，達到對箱體保護的作用。

圖6 網格泄壓板示意圖

泄壓口通過法蘭與箱體連接，為防止在低溫、濕熱試驗過程中凝露的產生，可通過以下措施防止凝露：

1）泄壓板和外箱體之間的夾層填充保溫棉，保溫棉使用鋁箔紙包裹好，放入泄壓腔中。外箱頂部的開口，使用鋁箔5 封住，鋁箔和外箱的接縫使用錫箔膠粘帶密封好。

2）內箱頂部安裝防凝露頂板1，對應泄壓口位置開孔讓位。泄壓口及接縫處產生的凝露，滴到防凝露板上，再排到箱內排水通道內，防止凝露滴在樣品表面。

3）需要時，在泄壓板上布硅橡膠發熱絲8，根據試驗結果調節發熱絲的輸出量，將泄壓板的表面溫度提高到露點溫度之上，可防止凝露。

3.5 結構加固設計

結構加固主要是降低鋰電池在試驗過程中爆炸壓力對箱體結構的影響，可通過內箱結構加固、箱門觀察窗加固、箱門鎖鏈加固等方面加強防護。鋰電池環境試驗箱的內箱外部采用加強筋做成框架結構，以形成一個整體，增加箱體強度，內箱框架結構如圖7 所示。箱門上觀察窗玻璃采用耐高溫防爆玻璃，同時在觀察窗安裝內防護網、外防護網，內防護網防止電池爆炸碎片沖擊玻璃造成觀察窗破裂，外防護網防止玻璃受沖擊破裂后產生的碎片飛出傷人。箱門把手采用三聯密閉聯動把手，同時增加安全鎖鏈可限制大門打開角度，提供緩沖，可避免人員受到傷害。

圖7 內箱框架結構

7 結束語

本文對某新研制的鋰電池環境試驗設備進行了介紹，可滿足鋰電池如GB 38031-2020、GB/T 36972-2018 等標準的環境適用性部分的要求，對于提高鋰電池環境適用性具有重要意義，同時設備的消防裝置、泄壓裝置及結構加固裝置等模塊結構緊湊簡單，亦為其他易燃易爆環境試驗設備的研制提供參考。