郭 奎，趙厚寬

（92942部隊(duì)，北京 100161）

0 引言

根據(jù)綜合船體設(shè)計(jì)要求，某些特定區(qū)域如船舷兩側(cè)橫向液貨補(bǔ)給區(qū)域等被劃為防爆區(qū)域，要求對(duì)該區(qū)域內(nèi)或通過(guò)該區(qū)域的設(shè)備具有防爆資質(zhì)。某型船dy補(bǔ)給艙位于1甲板，由防爆電梯運(yùn)送至01甲板，然后運(yùn)送到飛行甲板。根據(jù)dy補(bǔ)給輸轉(zhuǎn)要求設(shè)計(jì)了防爆型搬運(yùn)車(chē)，該型搬運(yùn)車(chē)采用分體對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，即前后兩個(gè)分體搬運(yùn)車(chē)，分體搬運(yùn)車(chē)可前進(jìn)也可后退，該前后分體搬運(yùn)車(chē)結(jié)構(gòu)相同，可交換使用，分體搬運(yùn)車(chē)之間是貨物支架。工作時(shí)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(yùn)車(chē)為防爆型，只能采用電池動(dòng)力源，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用了磷酸鐵鋰電池組提供動(dòng)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(duì)電池組充、放電、溫度等參數(shù)進(jìn)行管理和控制[1]。

1 技術(shù)路線

防爆搬運(yùn)車(chē)設(shè)計(jì)要求提供9.6 kWH的動(dòng)力，能夠正常工作4 h，因此設(shè)計(jì)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)力蓄電池電源裝置和防爆搬運(yùn)車(chē)的使用特點(diǎn)，對(duì)防爆鋰離子動(dòng)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(duì)鋰電池爆炸機(jī)理分析研究，在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化；再結(jié)合鋰電池爆炸機(jī)理，對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行功能優(yōu)化，并對(duì)鋰電池及電源裝置進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 分析研究

影響鋰電池爆炸的因素很多，比如，從設(shè)計(jì)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(jì)；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(duì)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(guò)程中的過(guò)充、過(guò)放、外部短路、擠壓、針刺等等，這些方面的不當(dāng)考慮都會(huì)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(huì)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(dá)到其著火溫度而發(fā)生火災(zāi)；（2）由于鋰電池是一個(gè)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(shí)活性物質(zhì)的分解、活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生一定量的氣體，其結(jié)果，在缺少安全閥保護(hù)或安全閥失效的情況下，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起電池爆炸[3]。

常見(jiàn)的爆炸類(lèi)型有以下幾種：熱失控引起的爆炸、過(guò)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(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行管理和保護(hù)，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(chē)系統(tǒng)。同時(shí)由于本項(xiàng)目使用在危險(xiǎn)場(chǎng)所，對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)和顯示，并且對(duì)電池管理系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量精度提出了更高的要求，保證電池管理系統(tǒng)對(duì)電池參數(shù)的監(jiān)控和保護(hù)更精準(zhǔn)、更可靠。同時(shí)電池管理系統(tǒng)還有針對(duì)單體電池的過(guò)充電壓保護(hù)、過(guò)放電壓保護(hù)、過(guò)充電流保護(hù)、過(guò)放電流保護(hù)，保證在充電時(shí)單體電池的電壓和電流不會(huì)高于允許值，在放電時(shí)放電電流不會(huì)高于允許值，放電時(shí)最小終止電壓不會(huì)低于允許值。即使在保護(hù)失效時(shí)或采集線發(fā)生開(kāi)路時(shí)，電池管理系統(tǒng)也能夠報(bào)警，保證電池在規(guī)定的條件下運(yùn)行，不會(huì)引起危險(xiǎn)。電池管理系統(tǒng)還對(duì)每個(gè)單體電池進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并且單體電池溫度測(cè)量采集裝置放置在電池極耳處，保證單體電池運(yùn)行溫度不會(huì)超過(guò)允許值。還具備輸出短路保護(hù)，當(dāng)發(fā)生外部電路短路時(shí)對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。明確在電池組報(bào)警故排除后的自動(dòng)或手動(dòng)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(shí)其他保護(hù)失效，在電池管理系統(tǒng)中增加了熔斷器，并且對(duì)熔斷器的參數(shù)性能和安裝都進(jìn)行了嚴(yán)格的要求，確保熔斷器的熔斷電流和熔斷時(shí)間應(yīng)小電池組的最大放電電流和允許持續(xù)時(shí)間，保證電池外表面溫度不超過(guò)電池制造商規(guī)定的電池連續(xù)運(yùn)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(xiàng)目中電池只能采用串聯(lián)的方式，僅可以使用電解液是無(wú)水有機(jī)鹽的鋰電池，并且不能使用有通氣孔或開(kāi)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(kāi)啟。

4.2 隔爆外殼設(shè)計(jì)

隔爆外殼是電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常成為點(diǎn)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(jì)時(shí)，進(jìn)行更為全面的考慮和防護(hù)，同時(shí)提高隔爆外殼的安全系數(shù)，使隔爆外殼能經(jīng)受更為嚴(yán)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(gè)隔爆腔體分開(kāi)設(shè)置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，電池管理系統(tǒng)左右兩側(cè)各有一個(gè)電池箱。方便使用的同時(shí)，可以減少點(diǎn)燃源存在，減少使用和維護(hù)過(guò)程因安裝、拆卸引起的風(fēng)險(xiǎn)，提高電源長(zhǎng)期使用的安全系數(shù)。

圖1 隔爆外殼設(shè)計(jì)圖

在設(shè)計(jì)選材上，提高安全系數(shù)，選用屈服強(qiáng)度更高的優(yōu)質(zhì)材料，隔爆面加寬，箱體和法蘭加厚，增強(qiáng)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(dòng)和防晃動(dòng)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(xiǎn)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(hù)等級(jí)更高的填料函，即使在使用中操作不當(dāng)，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(gè)腔間的電源線通過(guò)防爆穿墻端子相連，信號(hào)線通過(guò)澆封端子套相連，與其他箱體的連接電纜通過(guò)防爆電纜填料函引出。電池分3層排列，每一層為獨(dú)立的模組，通過(guò)專(zhuān)用模板對(duì)各個(gè)方向進(jìn)行固定，確保電池在箱體內(nèi)無(wú)相對(duì)位移。布置圖詳見(jiàn)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(gè)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(jiàn)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(gè)按鈕，可對(duì)電源裝置進(jìn)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(yàn)

為驗(yàn)證防爆裝置的防爆性能，將對(duì)防爆裝置進(jìn)行更為嚴(yán)酷的試驗(yàn)。

對(duì)透明件進(jìn)行熱劇變?cè)囼?yàn)和沖擊試驗(yàn)，在進(jìn)行電源腔、電源管理腔、接線腔耐壓試驗(yàn)時(shí)提高試驗(yàn)系數(shù)，保證電源裝置強(qiáng)度。

分別對(duì)三個(gè)隔爆腔進(jìn)行內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)，模擬爆炸性氣體分別進(jìn)入三個(gè)隔爆腔內(nèi)，并在隔爆外殼內(nèi)被點(diǎn)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(cè)量隔爆箱最高表面溫度時(shí)，對(duì)電池組施加最大放電電流直至放電完畢，進(jìn)行電池外表面、接線端子、連接電纜溫度測(cè)定，保證電源裝置外表面不能成為引燃源。

為保證在使用時(shí)使用不當(dāng)（如電纜受到外力）影響防爆性能，對(duì)電纜引入裝置進(jìn)行夾緊試驗(yàn)、密封性能及機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)密封裝置進(jìn)行耐熱耐寒試驗(yàn)。

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

圖4 鋰離子電池組的安裝實(shí)物圖

對(duì)單體鋰電池進(jìn)行了如下試驗(yàn)：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(chǔ)存、循環(huán)及內(nèi)阻試驗(yàn)、充電試驗(yàn)、火焰試驗(yàn)等；對(duì)電池組進(jìn)行了如下試驗(yàn)：對(duì)電池箱進(jìn)行沖擊、振動(dòng)、跌落、溫度沖擊、短路、過(guò)充、過(guò)放試驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環(huán)、外部火燒、鹽霧、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)試驗(yàn)等；以沖擊試驗(yàn)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(shí)間為6 ms，X，Y，Z三個(gè)方向，每軸正反沖擊2次，共12次，其振動(dòng)沖擊試驗(yàn)如下圖5所示，主要沖擊曲線如圖6所示。

圖5 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)圖

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖6 沖擊試驗(yàn)試驗(yàn)曲線圖

由此可見(jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果不起火、不爆炸，符合防爆區(qū)域要求。

5 結(jié)論

對(duì)電池管理系統(tǒng)按照《隔爆型鋰離子動(dòng)力蓄電池電源裝置企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行了試驗(yàn)；最后由國(guó)家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)電池箱、電池管理系統(tǒng)箱、顯示屏箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查、外殼耐壓試驗(yàn)、內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)、絕緣套管扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)、熱劇變?cè)囼?yàn)、耐熱耐寒試驗(yàn)、外殼防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)等防爆性能試驗(yàn)檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合防爆區(qū)域要求。