王婷婷，王雅蕓，盧兆明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200233）

電驅(qū)動道路車輛動力鋰離子電池組和電池系統(tǒng)（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(lián)而成的。電池組/電池系統(tǒng)出現(xiàn)不安全狀態(tài)的原由還是在單體電池芯環(huán)節(jié)。但由于高度集成，而且處在封閉惡劣的環(huán)境之下，出現(xiàn)狀態(tài)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(lián)、并聯(lián)的方式以獲得較高的容量、電壓、電流和功率。電池芯相應(yīng)的安全要素，在電池組和電池系統(tǒng)中也同樣存在。由于對電池芯的級聯(lián)，肯定會造成一定的內(nèi)耗，因此電池組和電池系統(tǒng)對電池芯的內(nèi)阻、放電倍率、循環(huán)壽命等一致性還有較高的要求。

圖2是電池芯級聯(lián)成組的模型?？梢韵胂髥误w電池芯的工作狀態(tài)對電池組/系統(tǒng)工作狀態(tài)和安全可能產(chǎn)生的影響。

電池控制系統(tǒng)（BCU）可對電池的電流、電壓以及溫度等工作狀態(tài)進行實時檢測，并按既定的設(shè)置進行應(yīng)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(tǒng)（中、右）產(chǎn)品外觀參考圖

圖2 單體電池芯對成組工作狀態(tài)和安全的影響（模型）

電池控制系統(tǒng)（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(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(tǒng)的使用安全和試驗中的安全。

從圖2中可以看出，只有左側(cè)模型可以建立成組退出。右側(cè)模型當然也可以，但斷開功率相對較大，實現(xiàn)起來困難一些。現(xiàn)在整車往往選用同時裝用2～3組電池組/系統(tǒng)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(xiàn)異常的處理上只要將相關(guān)的電池組/系統(tǒng)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(yīng)該考慮到電池組/系統(tǒng)可能出現(xiàn)的連鎖反應(yīng)；也應(yīng)該考慮到由于外殼形成的隱蔽性；還應(yīng)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(nèi)容

電池組/系統(tǒng)的實驗室防護內(nèi)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(tǒng)出現(xiàn)不安全狀態(tài)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(yù)警/控制防護措施。

3 軟件預(yù)警/控制防護

電池組/系統(tǒng)都應(yīng)配有電池控制單元（BCU），理論上應(yīng)具備溫度的檢測和控制功能。在試驗時應(yīng)導(dǎo)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(jīng)解譯為試驗檢測可讀的參數(shù)，并直接用于監(jiān)控和記錄那是最理想的。一般情況下，BCU內(nèi)部采用的可以是直感反應(yīng)溫控元件，無法解譯為試驗檢測所需的可讀的參數(shù)，那么就有幾種解決方案和效果。

1)電池組/系統(tǒng)應(yīng)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(tài)，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(guī)律，判斷樣品的實際狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上參照“閉孔溫度”和“破膜溫度”設(shè)置狀態(tài)警示或預(yù)警。預(yù)置值可以較單體電池芯試驗的設(shè)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(yīng)在電池組/系統(tǒng)外殼的內(nèi)部空間布置若干溫度采樣點，以了解內(nèi)部的環(huán)境條件；同樣在電池組/系統(tǒng)外殼的內(nèi)壁上也應(yīng)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(shù)資料，可以實現(xiàn)對試驗過程完整的軟件預(yù)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(shè)計的有效性。試驗過程并不另行安排數(shù)據(jù)采集，可以極大地簡化試驗。此方案實際上是放棄了軟件預(yù)警/控制防護。如果BCU的設(shè)置或控制能力不能滿足試驗條件；如果BCU本身失效或出現(xiàn)故障，那么整個試驗將既無軟保護，也不會有數(shù)據(jù)留存；

3)介于上兩種方案之間，在電池組/系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的產(chǎn)品集成有所妨礙，也要設(shè)法與供應(yīng)商協(xié)商采用適當?shù)姆绞綄崿F(xiàn)。

測量系統(tǒng)未必要求高的精度，但響應(yīng)要快；巡檢的時間間隔應(yīng)均勻，由此才能得到可信的溫升速率參數(shù)。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。

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中內(nèi)部狀態(tài)的基本情況。根據(jù)樣品的特性，進行參數(shù)設(shè)置和極限設(shè)定可以向試驗人員提供樣品狀態(tài)預(yù)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(tǒng)的端電壓、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。這些測量和運算在某些性能檢測項目中規(guī)定采用。如何用在試驗室安全防護上，還要根據(jù)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(fā)生狀態(tài)后及時采取有效防護措施提供直接的幫助。

4 硬件設(shè)施防護

電池組/系統(tǒng)的質(zhì)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(tài)退出的處置和試驗銜接的轉(zhuǎn)移等環(huán)節(jié)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?。⒑线m的觸及樣品和搬運樣品的工具（應(yīng)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(jié)，防重物跌落）等；還應(yīng)針對性設(shè)置可視遮蔽屏。通過軟硬防護的結(jié)合，選擇適當?shù)姆雷o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(yīng)規(guī)定禁止裸手觸及樣品。并且應(yīng)安排適當?shù)闹蛋嗖僮魅藛T數(shù)量。

4.2 防護網(wǎng)的設(shè)置主要應(yīng)對剛性碎片的散射，宜用較粗直徑的鋼絲網(wǎng)制成，兼而考慮防止半固體或柔性物質(zhì)的擴散。

4.3 電池組/系統(tǒng)的氣候環(huán)境試驗，應(yīng)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(yīng)急操作；試驗箱應(yīng)有一定的防爆設(shè)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?shù)姆雷o網(wǎng)。防護網(wǎng)的設(shè)置還應(yīng)考慮到樣品緊急撤離的操作性。

4.4 電池組/系統(tǒng)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(shù)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(yīng)防止異物進入試驗設(shè)備活動部分的縫隙，基本的防護可以是防護網(wǎng)，或柔性防護措施。但這些措施應(yīng)針對設(shè)備設(shè)置。而對樣品設(shè)置防護會影響力學(xué)試驗的動態(tài)響應(yīng)。同時，對人員應(yīng)設(shè)置防護屏障。

4.5 與單體電池芯試驗相同，應(yīng)采用適當?shù)臏缁鸫胧Ｓ捎陔姵亟M/系統(tǒng)的樣品個體較大，發(fā)生狀態(tài)的能量也要大一些，設(shè)置的位置應(yīng)合理得當避免遮擋。設(shè)置視頻探頭應(yīng)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(yīng)該是著火和爆炸兩種情況。前幾種結(jié)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(yīng)盡可能地用圖文記錄在案。

5.2 循環(huán)壽命試驗是對電池組/系統(tǒng)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?qū)嶋H使用中，由于對各種動態(tài)負載表現(xiàn)的內(nèi)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(tài)；放電時，容量小的先進入過放狀態(tài)；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(xiàn)相互充電的活動現(xiàn)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(jīng)比較明顯了。較早性能下降的電池芯，在后續(xù)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(tǒng)的壽命與那些單體電池芯息息相關(guān)。

5.3 各項試驗中產(chǎn)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(fā)熱，進而融化隔膜，導(dǎo)致短路發(fā)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(huán)節(jié)都將反復(fù)進行。只要試驗節(jié)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(fā)現(xiàn)和評估樣品的劣化程度，據(jù)此進行防范。非正常工作（濫用）的溫度類試驗，則應(yīng)采取適當?shù)姆婪洞胧?/p>

5.4 力學(xué)類試驗環(huán)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(huán)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(yīng)也一般較為溫和或有滯后；但非正常工作（濫用）的力學(xué)類試驗，試驗反應(yīng)可能會比較劇烈的，能夠直接對實驗室環(huán)境造成影響；當樣品承受了力學(xué)類試驗測試之后，對可能產(chǎn)生的滯后反應(yīng)，也應(yīng)持續(xù)安排溫度采樣、測量和巡視，以預(yù)見和防范不利狀態(tài)的出現(xiàn)。

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(tǒng)樣品自身的保護功能。如果確定保護失效，應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不安全事件發(fā)生。在這一點上，試驗?zāi)康呐c單體電池芯的試驗不同。

5.6 因電池組/系統(tǒng)的外殼的遮蔽，可以用溫度變化的程度或規(guī)律對電池組/系統(tǒng)內(nèi)的單體電池芯所處受試的狀態(tài)進行觀察、分析和評估。由于電池組/系統(tǒng)內(nèi)的單體電池芯排列布置更為密集，應(yīng)考慮到溫度的互相傳遞和影響。作為預(yù)防，還應(yīng)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(shè)置預(yù)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(qū)間，電池組/系統(tǒng)樣品出現(xiàn)溫度急劇升高，此時電池組/系統(tǒng)的內(nèi)部BUC控制，以及所有外部試驗控制和卸載（退出試驗）都已經(jīng)無法予以制止。這是由電池芯的內(nèi)部故障導(dǎo)致的。

5.8 在進行單體電池芯或電池組/系統(tǒng)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(tài)調(diào)整環(huán)節(jié)。SOC狀態(tài)調(diào)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(guī)定的放電截止電壓；然后，電池組/系統(tǒng)應(yīng)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(guī)范的試驗過程，且隨試驗的進展將多次重復(fù)。記錄、分析在SOC狀態(tài)調(diào)整過程中采集的數(shù)據(jù)可對受試電池組/系統(tǒng)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(yīng)該注意采集電池組/系統(tǒng)樣品電池等效內(nèi)阻等參數(shù)變化信息。電池劣化過程與其內(nèi)阻特性有對應(yīng)關(guān)系。

5.10 電池組/系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較單體電池芯復(fù)雜。除了電池芯的包裹材料外，還有電池組/系統(tǒng)的外殼及結(jié)構(gòu)附件、內(nèi)部的導(dǎo)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(jīng)處理，將擴大燃燒的后果形成災(zāi)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(huán)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(jīng)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(shè)備損傷；以及技術(shù)上的冗余和備份。所以在試驗前，應(yīng)精心規(guī)劃設(shè)計試驗，包括樣品經(jīng)受試驗項目的路線、分組和數(shù)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(jié)果。

[1] 盧兆明.道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)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(xué)出版社，2002.

[3] 盧兆明等.電驅(qū)動道路車輛動力鋰離子電池的試驗和要求（系列）[J]環(huán)境技術(shù)，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].