王婷婷， 韦 莉， 卢兆明

（上海市质量监督检验技术研究院， 上海 200031）

由全国认证认可标准化技术委员会（SAC／TC261）准备的《检测实验室安全》 系列推荐性国家标准已在公示征求意见阶段， 分为总则和电气、 机械、 非电离辐射及化学因素等5个部分。 从实验室管理上给出了具体的规范和明确的要求。 在此指导下， 实验工作应从过程设计和受试样品的结构原理、 承受能力以及可能影响安全的要素进行分析， 并提出必要可行的防护措施。

1 车辆动力电池基本介绍

电驱动道路车辆动力电池的研发和应用经历了从铅酸电池、 镍氢电池到锂电池的发展过程， 同时锂电池又从金属锂到锂化合物发展到当前的锂离子电池。 电动汽车用锂离子动力电池主要包括磷酸铁锂电池、 钴酸锂电池和锰酸锂电池等， 其具有能量密度相对较高等特点， 其中磷酸铁锂电池因其安全性相对较好， 被广泛应用于国内纯电动汽车中。

从结构来看， 锂离子动力电池主要由电池芯、电池组或电池系统构成。 由于锂离子电池中的锂离子活跃在金属表面， 在锂电池的研发、 使用和测试中可能存在安全性和稳定性的问题， 需要防范和排除。 从应用角度看， 锂离子动力电池有两种应用类型： 在纯电池驱动的电动汽车（BEVs） 上属于能量型应用； 在燃油电动汽车 （FCEVs） 和混合电动汽车 （HEVs） 上属于功率型应用。 应用类别不同，使用的电池芯的类别也不同； 电池组或电池系统所配置设计的电池管理单元或系统也不尽相同； 试验方法和严酷等级应用也存在明显的差异。

2 锂离子电池结构

2.1 电池组和电池系统的结构

电池组（Battery peck） 是一个可以装车使用的能量储存装置， 包括电池芯电路或电池芯组、 配属电子单元、 过流断路器 （包括附属连接）、 冷却接触面、 B级电压、 A级辅助电压和通信系统等。 当电池控制单元（BCU） 内置时， 称为电池系统（Battery system）。 电池组的B级电压回路包括连接器。 根据标准要求， 当电池组的B级电压≥60 V时， 供应商应在提供试验样品或产品时提供一份关于断路功能的说明。 此外， 所有元件应布置在能抵御撞击的特制容器内。 图1为外置电池控制单元的电池系统的典型结构， 图2为其产品外观图。

装车使用的汽车动力锂离子电池组或电池系统是通过上百个电池芯单体 （cell） 级联成组， 并集成系统后装车。 尽管锂离子动力电池有较高的能量密度， 然而连续行驶150 km以上的纯电动乘用车， 就当前技术水平， 装车电池箱的质量也将达到200 kg以上。

2.2 电池芯的结构

图3为锂离子动力电池芯的结构原理。 以磷酸铁锂LiFePO4电池为例， 当磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移； 在放电过程中， 负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。 锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

LiFePO4电池的标称电压是3.2 V、 终止充电电压是3.6 V、 终止放电压是2.0 V。 由于生产商采用的正负极材料、 电解质材料的品质及工艺的差异， 在具体性能上会有些差异。 即使是同一种标准封装的电池产品， 其电池的电压、 容量和性能也可能会有些许差别。

3 安全等级描述

不管样品是电池芯、 电池组还是电池系统， 无论诱发因素是什么， 在装车使用或在实验室试验过程中， 着火、 爆炸都将在电池芯环节引发。 IEC62660给出了电驱动道路车辆动力锂离子电池芯的试验结果的规范化描述， 并作为试验结论的典型用语。

1） 无结果 外观无变化。

2） 变形 外观有变化或变形， 包括膨胀。 电池内部压力是由于电池内部反应逸出气体导致气压增大所致。 变形可以通过外观尺寸检出。 过大的气压将撑破壳体和发生爆裂， 基于安全考虑， 锂离子电池都设计有单向的防爆卸压阀门。

3） 溢出 有电解液从通气口、 排气孔或防爆卸压阀门溢出， 且有雾状物。

4） 泄漏 有电解液从通气口外， 如外壳、 密封件和（或） 端子等结构结合部溢出。

5） 冒烟 从通风口冒烟， 一般为气化的电解液。

6） 破裂 由内在或外部原因， 电池芯容器受到机械损坏， 造成内在物暴露或溢出， 但无材料喷出， 包括冒烟。

7） 着火 电池芯发出火焰， 或有经燃烧的痕迹。

8） 爆炸 电池芯容器出现破裂， 主要部件被猛烈打开。

4 产生危险的部件和原因

4.1 电池芯

锂离子电池的电池芯是在使用和试验中产生着火和爆炸的主要部件， 其危险产生的原因主要可归纳为以下几点。

4.1.1 短路

1） 外部短路 指电池极间的短路， 主要是外结构上的故障或损坏造成短路， 一般为机械或物理原因所导致。 实验室一般采用mΩ级 （IEC62660：5 mΩ； UL1642和UN38.3： 100 mΩ） 的短路试验电阻进行定时的外部短路试验。 有些试验甚至未予时间限定， 其在实验室的反应剧烈程度是可以想象的。

2） 内部短路 除电池体内的电极端 （片） 间的物理短路外， 锂离子电池还会因聚合物隔膜 （见图3） 破裂导致短路。 在实验室条件下， 通常会在各种过载试验或在环境试验、 寿命循环试验过程中产生内部短路状况。

动力锂离子电池使用的主流隔膜厚度一般都在30 μm以上。 虽比一般用途锂离子电池16～20 μm的隔膜要厚许多， 但毕竟非常的薄。 图4是二种工艺制成的锂离子电池隔膜的显微图片， 从微观角度看， 隔膜表面呈网状结构， 这类隔膜结构相对较脆弱。

隔膜如此脆弱， 受到机械外力和热变形造成的挤压力等机械力破损作用后， 将直接导致内部短路。 此外， 每种隔膜都有各自的 “破膜温度” （表1）， 过热同样会导致隔膜破损， 造成内部短路。 另外， 隔膜原材料的瑕疵， 或在生产过程中造成微小的隔膜损伤。 这些原因都可以在微小的短路条件下， 使动力锂离子电池产生局部的温度升高。 而且这种微小的短路会在使用或试验加载过程中逐渐扩大， 进而形成有影响的内部短路。

4.1.2 过负载

1） 过电流 在实验室常用1C （1／1小时率） ～20C （1／20小时率） 或更大的电流过流载荷模拟电驱动车辆在加速和爬坡过程中的过流试验。

2） 过电压 刹车制动与逆变反充， 以及在不完善或不匹配的条件下充电， 可能会使电池长时间处于过电压的条件之下。

在实验室模拟过流载荷、 过压载荷等过载试验中， 都将使动力锂电池芯温度升高， 从而导致样品损伤， 甚至引发实验室安全问题。

3） 过充电 电池充电属吸热反应， 放电为放热反应， 两者都包含内阻热耗。 充电初期， 极化电阻最小， 吸热反应处于主导地位， 电池温升可能出现负值； 充电后期， 阻抗增大， 释热多于吸热， 温升增加。 过充时， 随不可逆反应的出现， 逸出气体， 内压、 温升升高， 直到变形、 爆裂。

通常情况下， 动力锂离子电池在恒流充电阶段末期一般都会发生不同程度的过充， 温升可达40～50 K。 壳体形变容易感测， 部分逸出气体还可以复合。 但过充电导致过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中， 无法再释放， 从而导致电池容量损失或寿命缩短。 应该注意的是， 温度升高和气体膨胀等副反应具有惯性， 可以在充电中， 也可以在充电结束后的短时间里使电池内部物质燃烧。 这种滞后发生的危险， 如不注意， 同样可能给实验室带来次生危险。

4） 过放电 在恒流放电时， 电压会出现一陡然跌落的现象， 这主要是由欧姆电阻造成的压降所引起的（此电阻包括连接单体电极的导线电阻和触点电阻）； 电压继续下降， 经过一段时间以后， 到达新的电化学平衡； 当进入放电平台期后， 电压变化不明显， 放热反应加上电阻释热致使电池温升增大。 电池组／系统的放电电压曲线近似单体放电曲线， 持续放电， 电压曲线进入马尾下降阶段。 此时， 极化阻抗增大， 输出效率降低， 损耗发热增大， 接近终止电压时停止放电。

电池芯放电进入马尾曲线以后， 如果仍持续以较大电流放电， 电压将迅速降低， 并很快反向， 这时电池芯被反方向充电， 也就是被动放电。 这种被动放电会造成电池的活性物质结构受到破坏， 温度升高和气体膨胀等副反应随即发生。 而后， 电池材料活性逐步接近丧失， 等效为一个无源电阻， 电压为负值， 数值上等于反充电流在等效电阻上产生的压降。 停止放电后， 原电池电动势消失， 电压不能恢复， 一次反充电足以使电池报废。 过放电试验的副反应， 同样有滞后发生的危险， 不可小视。

4.1.3 温升

电池温升定义为电池内部温度与环境温度的差值。 上述几项安全要素都伴随着温度升高的过程。因此， 用于电驱动道路车辆的动力锂离子电池隔膜都应具有“自动关断保护” 的物理性能， 以提高电驱动车辆使用的安全性能。

自动关断保护性能是锂离子电池限制温度升高， 并防止发生事故和灾害的第一道屏障。 由各种原因使电池内部温度升高到一定程度时， 隔膜的物理特性会使微孔关闭， 阻塞电流的通过， 即为 “闭孔温度”。 但热惯性还是会使电池内部的温度继续上升， 当达到一定温度时， 就会导致隔膜熔融破裂， 称之为“融破温度”。 表1列出了几种隔膜的相关参数。 试验参照应根据受试样品的技术文件提供的具体参数进行。 这些参数对试验过程的安全防护设置是极为有用的。

4.1.4 内部故障

显现的内部故障在电池芯生产下线时就会被剔除。 进入成品阶段的电池芯， 即使含有内部故障也是隐性的， 属于工艺瑕疵范围。 如前面提到过的隔膜的不均匀或疏漏； 充容材料中含有金属残余物；电解液灌装适量及封装应力等。 隐性的内部故障对实车装用是个隐患； 在实验室超强的试验条件下，内部隐含故障因素可以被逐步显化， 同样成为需要防范的要素。

4.1.5 寿命循环试验的影响

电池芯寿命循环试验条件是相当严酷的， 不仅能评估电池芯的耐使用能力， 还可以检出隐有工艺瑕疵样品。 对早期性能下降较大的电池芯样品， 后续试验载荷就意味着超载， 因而成为实验室着实需要重视的安全要素。

4.1.6 机械直接损伤

在机械环境试验和非正常工作 （滥用） 试验过程中可以对电池芯直接造成损伤， 或使电池芯内部结构损伤后造成性能下降。 在机械冲击 （碰撞） 试验中直接燃烧或爆炸的情况也是有记录的。 振动试验后的电池芯内部结构受损， 同样存在滞后发生着火或爆炸危险的可能。

4.1.7 温度／湿度环境

温度环境试验和湿度环境试验无疑劣化了加载试验的条件。 由于在试验箱内进行试验， 安全问题和次生灾害也就成为需要防范的重要要素。

4.2 电池组和电池系统

电池组／系统作为直接装车实用的大型部件，如图1所示， 除电池芯集合外还包括电池控制单元（BCU）、 电池芯电路、 熔断器、 配线和连接器、 温度传感器、 电池芯制冷装置等结构要素。 控制单元和电路可以适当调整和有效控制大部分不利状态的出现， 对使用或试验的安全是必不可少的。 在试验中， 应该启用这些功能， 尤其对电池组， 外挂的电池控制单元 （BCU） 试验时一定要到位。 控制单元和电路的数据采集功能和控制状况也应尽量为实验室的试验提供参考。

电动道路车辆用的动力锂离子电池通常是通过将多个电池芯通过串联、 并联的方式以获得较高的电压、 电流和功率。 电池芯相应的安全要素， 在电池组和电池系统中也同样存在。 由于对电池芯的级联， 可能会造成一定的内耗， 因此电池组和电池系统对电池芯的内阻、 放电倍率、 循环寿命等一致性还有较高的要求。 图5是电池芯级联成组的模型。可以想象单体电池芯的工作状态对电池组／系统工作状态和安全可能产生的影响。

电池控制单元 （BCU） 可对电池的电流、 电压以及温度等工作状态进行实时检测， 并按既定的设置进行应对处置。 处理的方式一般为分流和成组退出工作。

分流并不断开电池的工作回路， 而是给每只单体电池芯都增加一个旁路装置， 尽量使组合特性趋于电池组内单体电池特性的平均水平。 因此可推论， 电池组的寿命应该是各单体电池芯中寿命的最小者。 同时， 单体电池芯的安全性能直接影响电池组／系统的使用安全和试验中的安全。

图1～图3是电池组／系统和单体电池芯的外形结构。 在考虑试验安全要素时， 应该考虑到可能出现的连锁反应， 也应该考虑到由于外壳形成的隐蔽性，以及由于外壳的破碎和碎片飞溅对防护的要求。

5 试验防范措施和要点

1） 在实验室试验中需着意进行安全性防范的，应该是着火和爆炸两种情况。 前几种结果可能造成污染或次生伤害， 未必形成破坏性的直接伤害， 但也应尽可能地用图文记录在案。

2） 各项试验中产生的过载是引起实验室安全问题的主要原因之一。 样品电池因各种过载原因引起发热， 进而融化隔膜， 导致短路发热致使电解液汽化爆炸。 显然， 期间温度和温度上升的速率是可测得的要素。 温度要素测量在试验的各个环节都将反复进行。 只要在试验节点中安排合适的温度采样、 测量、 记录并进行比较， 就可以早期发现和评估样品的劣化程度， 据此进行防范。 非正常工作（滥用） 的温度类试验， 则应采取适当的防范措施。

3） 力学类试验环境试验。 机械冲击和振动是模拟装车实际使用中电池样品受到行驶环境条件的影响， 其试验的严酷度等级并不高。 即使因直接试验所造成的安全影响， 其反应也一般较为温和或有滞后。 但非正常工作 （滥用） 的力学类试验， 试验反应可能会比较剧烈， 能够直接对实验室环境造成影响。 当样品承受了力学类试验测试之后， 对可能产生的滞后反应， 也应持续安排温度采样、 测量和巡视， 以预见和防范不利状态的出现。

4） 温度反应比较剧烈的试验还有非正常工作（滥用） 的短路类试验。

5） 当电池样品出现温度急剧升高时， 应注意到此时电池组／系统的所有外部控制都已失效。

6） 在电池组中， 单体之间的差异总是存在的。以容量为例， 将组中单体电池芯容量分布视为正态， 但各种试验状态下单体电池芯的电压分布就会很复杂。 容量最小的单体电压跌落得也就最早、 最快， 若这时其它电池电压降低不是很明显， 容量较小的单体电池芯的电压跌落情况就可能被掩盖， 但实际上此单体电池已经被过度放电。 再者， 在电池组中通过同样电流， 容量大者总是处于小电流浅充浅放， 其容量衰减缓慢， 寿命相对较长； 而容量小者总是处于大电流过充过放， 容量衰减趋于加快，寿命加剧缩短。 随试验的延续， 两者之间性能参数差异越来越大， 呈正反馈特性。 较小容量的单体电池芯将提前失效， 电池组寿命也因此缩短。

因此， 电池组的循环寿命小于其单体电池芯的一般寿命。 同样， 电池组／系统的容量也不是单体电池芯的简单倍数关系， 电压和电流的情况也大致如此。 更需要关注的是， 在成组条件下加载相同倍率的试验载负荷， 总体发热量会大许多， 部分单体电池芯的温度变化也更为剧烈。

7） 可用温度变化的规律或程度对单体电池芯所处受试的状态进行观察、 分析和评估。 作为预防， 还应考虑温度变化的惯性因素、 “闭孔温度” 和“融破温度” （表1）， 以对试验安全要素有基本的了解。

8） 在进行单体电池芯或电池组／系统的试验时， 每个单项试验之前、 过程中和试验之后， 一般都应安排SOC状态调整环节。 SOC状态调整是指在室温下充电前以恒定电流对电池放电直到制造商规定的放电截止电压； 然后， 电池芯应在室温下按照制造商声明的充电方法进行充电。 这是一个规范的试验过程， 且随试验的进展将多次重复。 记录、 分析在SOC状态调整过程中采集的数据， 可以对受试单体电池芯或电池组／系统样品的性能衰退有较为清晰的了解并有所准备。

9） 注意采集样品电池的内阻参数变化信息，电池劣化过程与其内阻特性有对应关系。

［1］ 卢兆明. 道路车辆电气及电子设备的环境试验和要求［M］.北京： 中国标准出版社， 2011.

［2］ 郭炳焜， 徐徽， 王先友， 等. 锂离子电池［M］. 长沙： 中南大学出版社， 2002.

［3］ ISO／DIS 12405 （all parts）， Electrically propelled road vehicles—Test specification for lithium-Ion traction battery systems［S］.

［4］ IEC 62660 （all parts）， Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles［S］.

［5］ UL 1642， Safety for Lithium Batteries［S］.

［6］ UN 38.3， The Recommendations on the Transport of Dangerous Goods， Manual of Test and Criteria［S］.

［7］ 全国认证认可标准化技术委员会 （SAC／TC261）. GB／T27XXX 检测实验室安全 （所有部分征求意见稿）［S］.