文/常薇芬 韋 莉 盧兆明

《檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室安全》系列推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)入公示征求意見(jiàn)階段，分為總則、電氣、機(jī)械、非電離輻射及化學(xué)因素5個(gè)部分。此系列標(biāo)準(zhǔn)是在GB/T 27025－2008《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全的管理規(guī)范。它要求在制訂實(shí)驗(yàn)室操作規(guī)范（實(shí)施細(xì)則）時(shí)，必須對(duì)受試樣品的結(jié)構(gòu)、工作原理、失效模式、潛在的危險(xiǎn)形式和烈度等有相當(dāng)?shù)牧私夂瓦m當(dāng)?shù)墓烙?jì)，并提出必要可行的防護(hù)措施。我們以電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池環(huán)境試驗(yàn)和性能試驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)安全要素對(duì)樣品的工作原理、結(jié)構(gòu)、失效原因和潛在危險(xiǎn)因素展開(kāi)分析，提出實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)的管理要點(diǎn)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(shí)，正極中的鋰離子Li+通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過(guò)程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過(guò)隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來(lái)回遷移而命名。電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池組或電池系統(tǒng)是通過(guò)上百個(gè)電池芯單體（cell）級(jí)聯(lián)成組，集成系統(tǒng)后裝車(chē)使用的。

圖1 鋰離子動(dòng)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(gè)可以裝車(chē)使用的能量?jī)?chǔ)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(shí)，被稱(chēng)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(jiàn)圖2）。

圖2 模擬實(shí)車(chē)動(dòng)力鋰電池芯彈體撞擊試驗(yàn)樣品

3.危險(xiǎn)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(wú)論誘發(fā)因素是什么，在裝車(chē)使用或在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過(guò)程中可能的危險(xiǎn)狀態(tài)都在電池芯環(huán)節(jié)引發(fā)。IEC 62660電氣公路用車(chē)的驅(qū)動(dòng)用輔助鋰電池系列標(biāo)準(zhǔn)中給出了“無(wú)結(jié)果、變形、溢出、泄漏、冒煙、破裂、著火和爆炸”8種電池芯實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)，而著火、爆炸應(yīng)加以防護(hù)。

①危險(xiǎn)源分析

a)電池芯危險(xiǎn)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(shí)驗(yàn)室正常采用5 mΩ～100 mΩ級(jí)的短路試驗(yàn)電阻進(jìn)行限定時(shí)長(zhǎng)的外部短路試驗(yàn)，有些試驗(yàn)則無(wú)限延長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)直至反應(yīng)結(jié)束，其在實(shí)驗(yàn)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(huì)因厚度僅有30 μm的聚合物隔膜破裂導(dǎo)致短路。在實(shí)驗(yàn)室條件下，通常會(huì)在各種過(guò)載試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)或壽命循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)部短路狀況。

每種類(lèi)型的隔膜都有各自的“融破溫度”，過(guò)熱同樣會(huì)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(guò)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(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)生局部的溫升，而且這種微小的短路會(huì)在使用或試驗(yàn)加載過(guò)程中逐漸擴(kuò)大，進(jìn)而形成內(nèi)部短路。

·過(guò)負(fù)載

過(guò)電流主要發(fā)生在加速和爬坡過(guò)程中的過(guò)流試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室常用1℃～20℃或更大的電流過(guò)流載荷模擬電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

過(guò)電壓：剎車(chē)制動(dòng)與逆變反充，以及在不完善或不匹配的條件下充電，可能會(huì)使電池長(zhǎng)時(shí)間地處于過(guò)電壓的條件之下。在實(shí)驗(yàn)室模擬過(guò)流載荷和過(guò)壓載荷等過(guò)載試驗(yàn)中都將使動(dòng)力鋰電池芯升溫，從而導(dǎo)致樣品損傷。

過(guò)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(huì)發(fā)生不同程度的過(guò)充，溫升可達(dá)40 K～50 K。過(guò)充時(shí)，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(guò)放電：在恒流放電時(shí)，電壓會(huì)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(diǎn)電阻，電壓繼續(xù)下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，到達(dá)新的電化學(xué)平衡。當(dāng)進(jìn)入放電平臺(tái)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(shí)，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(shí)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(xiàng)安全要素都伴隨著溫度升高的過(guò)程。因此，用于電驅(qū)動(dòng)道路車(chē)輛的動(dòng)力鋰離子電池隔膜都應(yīng)具有“自動(dòng)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(shí)，隔膜的物理特性會(huì)使微孔關(guān)閉，阻塞電流的通過(guò)，即為“閉孔溫度”。但熱慣性還是會(huì)使電池內(nèi)部的溫度繼續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致隔膜熔融破裂，稱(chēng)之為“融破溫度”。表1羅列了幾種隔膜的相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)就會(huì)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(guò)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(duì)實(shí)車(chē)裝用是個(gè)隱患，在實(shí)驗(yàn)室超強(qiáng)的試驗(yàn)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(yàn)的影響

壽命循環(huán)試驗(yàn)對(duì)電池芯是相當(dāng)嚴(yán)酷的，不僅能評(píng)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(duì)早期性能下降較大的電池芯樣品，后續(xù)試驗(yàn)載荷就意味著超載。

·機(jī)械直接損傷

在機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)和非正常工作（濫用）試驗(yàn)過(guò)程中可以對(duì)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(yàn)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(yàn)無(wú)疑劣化了加載試驗(yàn)的條件。由于在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，安全問(wèn)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(chē)實(shí)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(duì)使用或試驗(yàn)安全是必不可少的。在試驗(yàn)中，應(yīng)該啟用這些功能；尤其對(duì)電池組，外掛的電池控制單元試驗(yàn)時(shí)一定要到位。控制單元和電路的數(shù)據(jù)采集功能和控制狀況也應(yīng)盡量為實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)提供參考。電池控制系統(tǒng)可對(duì)電池的電流、電壓以及溫度等工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并按既定的設(shè)置進(jìn)行應(yīng)對(duì)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(kāi)電池的工作回路，而是給每只單體電池芯都增加一個(gè)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(shí)，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(yàn)安全。在考慮試驗(yàn)安全要素時(shí)，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(shí)驗(yàn)室防護(hù)的硬件設(shè)施

1.對(duì)人員的防護(hù)

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過(guò)程中，首先應(yīng)防護(hù)的是試驗(yàn)操作人員，他們同是軟防護(hù)的實(shí)施者和受保護(hù)人。在試驗(yàn)狀態(tài)退出的處置和試驗(yàn)銜接的轉(zhuǎn)移等環(huán)節(jié)中，無(wú)法避免地會(huì)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(duì)性設(shè)置可視遮蔽屏等。

2.對(duì)設(shè)備的防護(hù)

對(duì)較為貴重的氣候環(huán)境試驗(yàn)箱和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，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(yàn)，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(yàn)是將9.1 kg的重物自610 mm處自由落下，試驗(yàn)過(guò)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(yàn)，常溫試驗(yàn)和試驗(yàn)箱內(nèi)試驗(yàn)的防護(hù)。UL推薦了對(duì)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(yàn)箱是一個(gè)獨(dú)立的氣候空間，伴有循環(huán)的流動(dòng)空氣。遇有樣品氣體泄漏或粘稠物噴射，會(huì)增大攪動(dòng)和彌散。選用工作空間較大的試驗(yàn)箱，可便于采取防護(hù)措施和應(yīng)急操作。試驗(yàn)箱本身應(yīng)有一定的防爆設(shè)計(jì)。

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(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和沖擊試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)防止異物進(jìn)入試驗(yàn)設(shè)備活動(dòng)部分的縫隙，采用防護(hù)網(wǎng)（因?yàn)閷?duì)樣品設(shè)置防護(hù)網(wǎng)則會(huì)影響試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)）。

采用適當(dāng)?shù)臏缁鸫胧８鶕?jù)不同的場(chǎng)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(shí)不應(yīng)再考慮滅火劑是否會(huì)影響設(shè)備的保全。

3.對(duì)受試樣品的保護(hù)

即使是受損的樣品也具有保全的價(jià)值。電池芯單體樣品緊密排列，受試時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)和處置危險(xiǎn)狀態(tài)，防止危險(xiǎn)狀態(tài)的連鎖反應(yīng)，同時(shí)若發(fā)生狀況，應(yīng)盡可能地保全試樣，以便分析。

4.對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(hào)及記錄的數(shù)據(jù)仍有效。無(wú)論樣品是否通過(guò)試驗(yàn)，這些數(shù)據(jù)和信息極具分析價(jià)值?，F(xiàn)場(chǎng)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(duì)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)視和記錄是可實(shí)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(yàn)環(huán)境的保護(hù)

在封閉的試驗(yàn)環(huán)境中（如在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)）出現(xiàn)可以判據(jù)的狀態(tài)，應(yīng)中止試驗(yàn)。在取證（如對(duì)煙霧和著火圖像的攝取）后，應(yīng)有效滅火，并通過(guò)箱體的專(zhuān)用排氣通道排出廢氣。若沒(méi)有專(zhuān)用排氣通道的試驗(yàn)箱，煙霧氣體就必然會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。此時(shí)，人員首先應(yīng)有防煙氣的呼吸防護(hù)用品，場(chǎng)地內(nèi)應(yīng)有相應(yīng)的獨(dú)立換氣排放系統(tǒng)等。同樣，各種氣體的排放必須符合實(shí)驗(yàn)室排放相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

6.廢棄物的處置

取證后的試驗(yàn)廢棄物，應(yīng)按樣品供應(yīng)商的提示和實(shí)驗(yàn)室的有關(guān)規(guī)范進(jìn)行無(wú)害化處理，或提交專(zhuān)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(guò)在線測(cè)量和監(jiān)控采樣，分析采集的溫度—時(shí)間曲線，以了解受試樣品在試驗(yàn)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(yàn)人員提供樣品狀態(tài)預(yù)警。為試驗(yàn)控制和防護(hù)爭(zhēng)取執(zhí)行應(yīng)變措施的時(shí)間。實(shí)時(shí)采集的圖像信息，可對(duì)樣品發(fā)生狀態(tài)后及時(shí)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(diǎn)。試驗(yàn)中主要對(duì)樣品中單體電池芯進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，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(yàn)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)在試驗(yàn)前應(yīng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)。

3.其他參數(shù)

有關(guān)試驗(yàn)過(guò)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(shí)際工作狀態(tài)，甚至通過(guò)采樣比較，分析出該樣品在整個(gè)電池組/系統(tǒng)的電池芯單體集合中相對(duì)所處的狀態(tài)地位。在某些性能檢測(cè)項(xiàng)目中，有規(guī)定采用這些測(cè)量和運(yùn)算，但由于數(shù)據(jù)采集量和處理速度問(wèn)題，且占用的儀器數(shù)量眾多，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作量也較為繁重，是否用于在試驗(yàn)室安全防護(hù)上，還要根據(jù)試驗(yàn)室的實(shí)際情況而定。

四、防護(hù)管理

無(wú)論用軟件技術(shù)還是硬件設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)，其協(xié)調(diào)、融會(huì)互補(bǔ)和有效實(shí)施還是要靠管理機(jī)制。在GB/T 27025－2008基礎(chǔ)上建立的實(shí)驗(yàn)室管理是要素型管理。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)實(shí)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(shí)施的細(xì)則來(lái)規(guī)范。硬件基礎(chǔ)應(yīng)安排或騰出足夠的場(chǎng)地以便施展，還應(yīng)設(shè)計(jì)或安排排放和通風(fēng)設(shè)施；用文件規(guī)范試驗(yàn)狀態(tài)的處置順序和取舍原則；用實(shí)施細(xì)則規(guī)定操作要素和步驟，以及針對(duì)狀態(tài)經(jīng)過(guò)的記錄、描述和報(bào)告的具體要求；組織人員的培訓(xùn)和操演，以及保全保險(xiǎn)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)。