郭 奎，趙厚寬

（92942部隊，北京 100161）

0 引言

根據(jù)綜合船體設(shè)計要求，某些特定區(qū)域如船舷兩側(cè)橫向液貨補給區(qū)域等被劃為防爆區(qū)域，要求對該區(qū)域內(nèi)或通過該區(qū)域的設(shè)備具有防爆資質(zhì)。某型船dy補給艙位于1甲板，由防爆電梯運送至01甲板，然后運送到飛行甲板。根據(jù)dy補給輸轉(zhuǎn)要求設(shè)計了防爆型搬運車，該型搬運車采用分體對稱設(shè)計，即前后兩個分體搬運車，分體搬運車可前進也可后退，該前后分體搬運車結(jié)構(gòu)相同，可交換使用，分體搬運車之間是貨物支架。工作時從兩端將貨物支架托起后行走，能夠360°任意角度行走。該型搬運車為防爆型，只能采用電池動力源，因此根據(jù)設(shè)計要求采用了磷酸鐵鋰電池組提供動力，電池組按照防爆要求安裝在防爆殼內(nèi)，并由電池管理系統(tǒng)對電池組充、放電、溫度等參數(shù)進行管理和控制[1]。

1 技術(shù)路線

防爆搬運車設(shè)計要求提供9.6 kWH的動力，能夠正常工作4 h，因此設(shè)計時采用了兩組48 V、電池容量100 AH的磷酸鐵鋰電池組，每組由16塊3.2 V電池單體串聯(lián)組成，防爆技術(shù)標準要求電池組只能是串聯(lián)，不能并聯(lián)。

根據(jù)防爆鋰離子動力蓄電池電源裝置和防爆搬運車的使用特點，對防爆鋰離子動力蓄電池電源裝置采用隔爆技術(shù)處理；并結(jié)合其他技術(shù)，對鋰電池爆炸機理分析研究，在設(shè)計及生產(chǎn)過程中進行優(yōu)化；再結(jié)合鋰電池爆炸機理，對電池管理系統(tǒng)進行功能優(yōu)化，并對鋰電池及電源裝置進行多項試驗驗證。

2 分析研究

影響鋰電池爆炸的因素很多，比如，從設(shè)計選材方面，鋰電池殼體材料、正極材料、隔膜材料、電池結(jié)構(gòu)、安全閥設(shè)計；從生產(chǎn)制造方面，漿料均勻度控制、涂布質(zhì)量控制、疊片對齊度控制、水分控制、粉塵控制、封口質(zhì)量控制、化成工藝等工藝控制；從最終使用方面，使用過程中的過充、過放、外部短路、擠壓、針刺等等，這些方面的不當考慮都會增加鋰電池爆炸的可能性[2]。

但歸根結(jié)底電池內(nèi)部的高溫、高壓都與產(chǎn)熱因素有直接的關(guān)系。電池內(nèi)部的產(chǎn)熱因素眾多，如果鋰電池內(nèi)部的熱生成速率大于熱散失速率，則體系內(nèi)的反應(yīng)溫度就會不斷上升。其結(jié)果可能造成兩種極端情況：（1）反應(yīng)物質(zhì)的溫度達到其著火溫度而發(fā)生火災(zāi)；（2）由于鋰電池是一個封閉體系，隨體系內(nèi)部溫度升高，反應(yīng)速度加快，反應(yīng)物蒸氣壓急劇上升。同時活性物質(zhì)的分解、活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)都會產(chǎn)生一定量的氣體，其結(jié)果，在缺少安全閥保護或安全閥失效的情況下，電池內(nèi)壓便會急劇上升而引起電池爆炸[3]。

常見的爆炸類型有以下幾種：熱失控引起的爆炸、過充引起的爆炸、短路引起的爆炸、針刺及擠壓引起的爆炸。

3 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池的狀態(tài)進行管理和保護，電池管理系統(tǒng)的好壞直接影響電池的性能及安全性，并影響著整車系統(tǒng)。同時由于本項目使用在危險場所，對電池管理系統(tǒng)也提出了更高的要求，制定了《電池管理系統(tǒng)安全技術(shù)要求》。

電池管理系統(tǒng)能夠?qū)λ袉误w電池的電壓和表面溫度，電池組的電壓、電流、電池組容量等參數(shù)進行監(jiān)測和顯示，并且對電池管理系統(tǒng)的參數(shù)測量精度提出了更高的要求，保證電池管理系統(tǒng)對電池參數(shù)的監(jiān)控和保護更精準、更可靠。同時電池管理系統(tǒng)還有針對單體電池的過充電壓保護、過放電壓保護、過充電流保護、過放電流保護，保證在充電時單體電池的電壓和電流不會高于允許值，在放電時放電電流不會高于允許值，放電時最小終止電壓不會低于允許值。即使在保護失效時或采集線發(fā)生開路時，電池管理系統(tǒng)也能夠報警，保證電池在規(guī)定的條件下運行，不會引起危險。電池管理系統(tǒng)還對每個單體電池進行溫度監(jiān)測，并且單體電池溫度測量采集裝置放置在電池極耳處，保證單體電池運行溫度不會超過允許值。還具備輸出短路保護，當發(fā)生外部電路短路時對電池進行保護。明確在電池組報警故排除后的自動或手動恢復(fù)方式。還具備均衡充電控制功能，在充電結(jié)束后保證各單體電池電壓偏差不大于50 mV.

為防止電池在發(fā)生短路時其他保護失效，在電池管理系統(tǒng)中增加了熔斷器，并且對熔斷器的參數(shù)性能和安裝都進行了嚴格的要求，確保熔斷器的熔斷電流和熔斷時間應(yīng)小電池組的最大放電電流和允許持續(xù)時間，保證電池外表面溫度不超過電池制造商規(guī)定的電池連續(xù)運行溫度。

4 防爆裝置

4.1 隔爆外殼內(nèi)電池的選擇及連接

本項目中電池只能采用串聯(lián)的方式，僅可以使用電解液是無水有機鹽的鋰電池，并且不能使用有通氣孔或開啟式的電池，密封閥控單體電池只能用于放電的目的。電池的泄壓裝置必須能夠可靠地開啟。

4.2 隔爆外殼設(shè)計

隔爆外殼是電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常成為點燃源后的最后一道防線，隔爆外殼性能的好壞直接影響著電源裝置的防爆性能。因此在設(shè)計時，進行更為全面的考慮和防護，同時提高隔爆外殼的安全系數(shù)，使隔爆外殼能經(jīng)受更為嚴酷的條件。

在結(jié)構(gòu)上將隔爆外殼的電池腔、電池管理系統(tǒng)腔、接線腔三個隔爆腔體分開設(shè)置，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，電池管理系統(tǒng)左右兩側(cè)各有一個電池箱。方便使用的同時，可以減少點燃源存在，減少使用和維護過程因安裝、拆卸引起的風(fēng)險，提高電源長期使用的安全系數(shù)。

圖1 隔爆外殼設(shè)計圖

在設(shè)計選材上，提高安全系數(shù)，選用屈服強度更高的優(yōu)質(zhì)材料，隔爆面加寬，箱體和法蘭加厚，增強隔爆外殼承壓和不傳爆能力。顯示窗口也采用能夠承受較大沖擊，耐受熱劇變的透明件。

電源裝置內(nèi)的電池、電池管理系統(tǒng)及其電氣連接及固定，均有防松動和防晃動的措施，腔體內(nèi)電氣的連接選用安全可靠的接線端子，增加絕緣措施，增大電氣間隙和爬電距離，避免出現(xiàn)危險高溫、電弧、火花。

其他零部件都要求由性能優(yōu)良、耐鹽霧腐蝕的材料制成，以適應(yīng)海上惡劣的工作環(huán)境。電纜引入裝置選用密封性能更好，防護等級更高的填料函，即使在使用中操作不當，也能保證可靠性能。

（1）電池箱

電池箱由Q345C焊接而成，分為電池腔和接線腔，兩個腔間的電源線通過防爆穿墻端子相連，信號線通過澆封端子套相連，與其他箱體的連接電纜通過防爆電纜填料函引出。電池分3層排列，每一層為獨立的模組，通過專用模板對各個方向進行固定，確保電池在箱體內(nèi)無相對位移。布置圖詳見圖2.

（2）電池管理系統(tǒng)箱

電池管理系統(tǒng)箱由Q345C焊接而成，電池管理系統(tǒng)固定在箱內(nèi)，箱體兩側(cè)各安裝8個防爆電纜填料函，用于電池管理系統(tǒng)與其他箱體的電氣連接。布置圖詳見圖3.

圖2 電源箱體布置圖

圖3 電池管理系統(tǒng)箱體布置圖

（3）顯示屏箱

顯示屏箱由Q345C焊接而成，設(shè)觀察窗，觀察窗由鋼化玻璃制成，設(shè)3個按鈕，可對電源裝置進行操作，側(cè)面安裝防爆電纜填料函用于顯示屏與其他箱體的連接。

4.3 防爆性能試驗

為驗證防爆裝置的防爆性能，將對防爆裝置進行更為嚴酷的試驗。

對透明件進行熱劇變試驗和沖擊試驗，在進行電源腔、電源管理腔、接線腔耐壓試驗時提高試驗系數(shù)，保證電源裝置強度。

分別對三個隔爆腔進行內(nèi)部點燃不傳爆試驗，模擬爆炸性氣體分別進入三個隔爆腔內(nèi)，并在隔爆外殼內(nèi)被點燃后，確保隔爆腔內(nèi)的火焰、高溫不能傳到隔爆腔外，引起外部可燃性氣體爆炸。

在測量隔爆箱最高表面溫度時，對電池組施加最大放電電流直至放電完畢，進行電池外表面、接線端子、連接電纜溫度測定，保證電源裝置外表面不能成為引燃源。

為保證在使用時使用不當（如電纜受到外力）影響防爆性能，對電纜引入裝置進行夾緊試驗、密封性能及機械強度試驗，對密封裝置進行耐熱耐寒試驗。

依據(jù)上述原則和要求，對鋰離子電池組進行了安裝和試驗，安裝如圖4所示。

圖4 鋰離子電池組的安裝實物圖

對單體鋰電池進行了如下試驗：20℃放電性能（額定容量）、-20℃放電性能、20℃高倍率放電性能、荷電保持及恢復(fù)能力、高溫儲存、循環(huán)及內(nèi)阻試驗、充電試驗、火焰試驗等；對電池組進行了如下試驗：對電池箱進行沖擊、振動、跌落、溫度沖擊、短路、過充、過放試驗、翻轉(zhuǎn)、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環(huán)、外部火燒、鹽霧、過溫保護、短路保護、過充電保護、過放電保護試驗等；以沖擊試驗為例，滿電狀態(tài)的蓄電池組，沖擊加速度為392 m/s2，脈沖持續(xù)時間為6 ms，X，Y，Z三個方向，每軸正反沖擊2次，共12次，其振動沖擊試驗如下圖5所示，主要沖擊曲線如圖6所示。

圖5 振動沖擊試驗圖

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖6 沖擊試驗試驗曲線圖

由此可見，試驗結(jié)果不起火、不爆炸，符合防爆區(qū)域要求。

5 結(jié)論

對電池管理系統(tǒng)按照《隔爆型鋰離子動力蓄電池電源裝置企業(yè)標準》要求進行了試驗；最后由國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心按照相關(guān)標準要求，對電池箱、電池管理系統(tǒng)箱、顯示屏箱進行結(jié)構(gòu)檢查、外殼耐壓試驗、內(nèi)部點燃不傳爆試驗、絕緣套管扭轉(zhuǎn)試驗、抗沖擊試驗、溫度試驗、熱劇變試驗、耐熱耐寒試驗、外殼防護等級試驗等防爆性能試驗檢驗，試驗結(jié)果符合防爆區(qū)域要求。