新能源汽车电池检测实验室建设研究与探讨

毛慧凤，于喜军

（1.长春工程学院理学院，长春 130000； 2.吉林省双辽市鸭场子弟学校，双辽 136400）

引言

据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过95年。替代能源和能源存储成为解决资源和环境问题的突破口，近些年以电池为能源存储载体的新能源汽车发展得到了越来越多重视，国内纷纷建设新能源电池研发生产基地和新能源电池检测实验室。如何在建设阶段规划电池实验室的安全？如何在传统实验能力基础上投资电池检测实验室？如何实现低成本、安全的使用新能源电池实验室？针对上述问题，本文从新能源实验室测试内容、建筑规划、设备布局、安全智能使用的角度探讨新能源实验的运营。

1 问题来源

新能源电池实验不同于家用电器和汽车电子产品实验，由于电池的危险性，电池测试过程中可能会产生有害气体、冒烟、明火、爆炸，这些问题可能导致环境空气污染、设备损坏、人员受伤，甚至对人身财产造成巨大损失。因此，无论电池试验室规模大小，都有必要在新能源电池试验室的场地建设，设备购置，以及日常的运营成本给予充分的重视。

作者经历了多次传统汽车和新能源实验室规划、建设和设备采购，深深体会到试验室的筹建费用和运营费用之高昂，所以一直潜心研究实验室场地建设、降低试验运营成本和管理成本的办法。

2 新能源汽车电池的测试内容和潜在风险

为了评估电池在存储、运输、误用和滥用等情况下，是否会引发过热、明火、爆炸、有害气体溢出、人员安全等情况，由此应运而生的电池安全检测标准有:国际标准（IEC）、欧盟标准（EN）、中国标准（GB QC）、美国标准（SAE UL）、日本标准(JIS)，针对新能源汽车应用较为广泛的标准是UN 38.3、QC 743、SAND 2005-3123、UL 2580、ISO 12405。电池标准针对的检测项目，大体可分为电性能适应性、机械适应性和环境适应性测试三大类的检测。

1）电性能适应性：包括电池工况容量、各种倍率的充放电性能、过充性能、过放性能、短路性能、绝缘性能、自放电特性、电性能寿命等。其中过充、过放、短路的实验过程风险较大，存在明火爆炸等剧烈现场。

2）机械适应性：机械振动、机械碰撞冲击、重物冲击、自由跌落、翻转、挤压和探针针刺等。其中探针针刺和挤压的实验过程风险较大，存在明火爆炸等剧烈现场。

3）环境适应性：老化寿命、温湿度循环、高低温循环、温度骤变、负压测试、盐雾、浸水试验、海水侵泡和明火焚烧等。其中明火焚烧实验过程风险较大，存在爆炸的情况。

由于新能源电池能量高度集中，且密集安装，因此即便是正常的使用测试（如各种充放电性能、高空模拟），也可能因误操作导致危险，下面列举新能源电池存在的潜在风险：

1）着火、燃烧、爆炸

磷酸铁锂电池所应用的非水有机体系的电解液具有低燃点的易燃性质，它在温度升高的密闭电池体系内极易和充放电过程中非常活跃的电极材料发生一连串催化的放热反应，从而引起热失控。同时电解液和电极材料之间的副反应伴有气体产生，当电池内压力达到设定的阈值，泄爆阀开启，并伴随气体泄放。如果电池内部集聚温度过高，与空气中氧气的接触的情况下引起有机电解液的燃烧，最终导致电池的爆炸。电池检测中的各种滥用实验的实质，是通过各种手段使电池发生外部短路或内部短路，引起正负材料和电解液的直接反应，电池温度急剧升高。电池的散热性和压力的释放能量决定了电池着火、燃烧或爆炸。对实验现场的着火、燃烧、爆炸的防护，重点是保证试验现场压力要有足够的释放空间，防止燃烧的扩展和压力的突然释放，可采取加固防爆壳体、快速压力泄放、通过多传感器融合技术进行预警检测，以实现不爆炸或弱能量反应。

2）有毒气体的排放

由于电解液含有有机溶剂，在安全检测过程中，电解液的高温气化导致有毒气体的排放，通常有毒气体是通过电池泄爆阀打开后溢出，其气味较刺激。当被测样品是大功率的新能源电池时，有毒气体的含量较多，且成分更为复杂，其排放问题更要注意，UL 2580规定了有毒气体释放量的检测要求[6]。有毒气体的排放的防护重点，是加装有害气体检测传感器监测有害气体含量，加装抽风装置或无害化处理装置将有毒气体抽离实验室，避免操作人员与有害气体的接触。

3）漏液的污染性

电池在检测过程中容易出现漏液，漏液会腐蚀设备和测试台的外表面。应加倍关注富液设计电池的这种危害。因此无论是在有意破坏的漏液，或是实验过程意外泄露，都应该关注人员防护、设备防护和测试环境防护。其防护重点是通过严格操作流程管理和规范，将漏液的腐蚀侵害降至最低。

3 新能源电池实验室规划和建设

在实验室建设初期规划实验室，既可以降低实验操作风险，同时也能系统的形成检测能力，通常具有完整测试能力的电池检测实验室 ，可规划成如下功能分区：

1）电性能检测区，此区域主要涉及的仪器是充放电机柜、内阻测试仪、绝缘强度测试仪、绝缘电阻测试仪、数据采集设备等，由于电池的实测容量与测试温度有关，因此应对此区域的温度、湿度进行控制。

2）机械性能测试区，此区域主要涉及的仪器包括充放电机柜、振动试验台、冲击碰撞试验台、翻转试验台、三综合试验台，由于设备质量重、体积大、噪音大，且部分检测设备需要下挖，因此此区域多放置在一楼，做好隔音和隔震措施。

3）环境测试区，此区域主要完成温度、湿度、老化、热分析等实验，涉及的仪器包括充放电机柜、高低温箱、负压箱、温湿度实验箱、热分析仪、数据采集设备等，此区域需要24 h 连续长时间工作，因此容易出现麻痹大意导致安全事故。

4）辅助功能区，可根据实际需要进行配置，包括样品室（放置测试前后的电池样品）、库房（放置闲置线缆、工具等）、办公室、会议室、休息区等。样品室存放电池样品，需要频繁检查电池状态。

5）电池安全测试区，此区域开展的测试均带有危险性，包括样品不成熟导致的风险以及测试本身的风险，包括的测试项目：跌落、针刺、挤压、燃烧、过充、过放、短路、浸水、海水侵泡、高温充放电等项目，涉及的设备包括充放电机柜、跌落试验台、针刺试验机、挤压试验机、燃烧试验机、短路试验机、浸泡设备、温度箱等。由于此区域着火爆炸概率较高，因此需要建设行之有效的尾气排放和处理措施，以避免对环境的影响。

科学合理的分区能够提高测试的稳定性和安全性，在分区的基础上，功能分区需要注意：

人机分离，远距离实时监控。在上面的1）-4）分区相对安全，但是仍然需要人机分离，远距离监控。尽量为操作人员提供温湿度事宜、空气新鲜、远离危险、隔窗观察、远程操控的环境，如图1和图2所示。

图1 工作室和电池实验室分区效果图

图2 工作室视角观察模组实验室

实验室内设备需具备远程控制功能，在购置阶段可以要求供应商添加此功能，对于购买时间比较长的老旧设备可通过升级或二次开发方式实现集中控制，同时也需要危险紧急处置能力，比如远程自动灭火装置、远程监控、远程断电、危险自动识别等措施，使操作人员在处理危险时，远距离控制，避免人身和健康伤害。在2）实验区噪音较大，需要考虑隔音；在3）实验区设备位置集中且发热量较大，需要考虑设备散热；在4）库房和样品室要做物理分区。

在5）分区危险性较大，存在大概率的起火爆炸风险，因此除了要求具备上述要求外，还需要配置：正压防爆房、强排风系统、防爆高速摄像、有害气体处理、有害气体检测、压力检测、人员防护（3M防毒面具、护目镜、防护服装、防护手套）、拆解台、电池回收罐等，要能做到——爆炸前预知、爆炸过程稳定、全程数据记录、爆炸后现场可控、污染物可回收，基本思路如下：

爆炸前预警：由于电池起火爆炸前会有很大的变化，可以传感器充分检测指标达到爆炸前预警的目的。这些变化包括——温度升高、电流突然增大、泄爆阀打开、有害气体溢出等，其中温度和电流是预警的重要指标，对相同规格的电池具有相似的指标，通过概率分布可形成较好的爆炸预测。

爆炸过程控制：电池连锁爆炸是爆炸过程控制的重点，通过切断电流回路、降低爆炸现场温度、阻断燃烧路径、撤离着火源头等方式，其中以切断电流回路和干冰灭火方式最为有效。既能起到控制火情，同时也保留了测试样品。

污染物可回收：污染物包括固态污染物和气体污染，通过电池回收罐收集固态污染物回收时，要避免二次危险。有害气体的回收成本非常高昂，可根据实际情况酌情处理。

表1 检测设备智能改造前后的对比表

4 检测设备的升级改造

早期购置的实验设备没有远程控制、排风、耐爆炸的功能，需要寻找其他办法对设备进行必要的改造升级，升级内容包括结构加固升级和电气功能升级。其中电气功能升级根据实验室设备的复杂程度对应不同的改造方案：如果实验设备的功能比较简单，比如温度箱大部分是通过PLC和显示仪表实现控制，针对这种方式可采取PLC程序破解，或者重新开发PLC控制程序来完善远程控制功能，破解前要对原有功能做备份，以免造成破坏性损失，建议由专业人员改造；如果实验设备功能非常复杂，比如充放电机柜为厂家开发的电路，则采用辅助的检测采集模块和控制输出开关方式实现采集和控制，此方案不影响设备的质保和售后，具有很好的普遍性。表1是对检测设备智能改造前后的对比表，可以看出改造后，不仅减少了操作人员数量，而且极大降低了危险发生次数和危险处置时间。此方案具有极大的使用应和推广空间。

5 结语

事实证明，在新能源电池实验室建设初期的规划必将为企业节省大量整改资金，同时对人员和设备的安全提供了扎实的保障。安全无小事，在安全的前提下，才能保证检测精度和稳定性。

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