霍克蓄电池测试与安全

如何满足现场完整性和适航性

在起飞前的外部飞行前检查中，飞行员注意到波音737货舱冒出浓重的白烟并宣布“Mayday”。应急人员赶到后发现托运行李箱中有28块电池，其中6至8块已被大火烧毁。报告称，一名乘客声称行李箱中没有电池，但电池发生短路引发了火灾。根据民航法，未申报危险品的乘客将面临最高7年的监禁。运输锂电池需遵守危险货物运输法.

锂离子电池是安全的，但鉴于其在工业和消费领域的数百万种应用，故障在所难免。电池单元内部的微观金属颗粒与其他部件接触是导致索尼召回事件的原因。电池制造商致力于最大限度减少此类颗粒的存在；然而，组装工艺使得彻底消除此类粉尘成为一项挑战。现代电池单元的隔膜厚度仅为21微米（21毫米的千分之一），比采用更厚隔膜和更低安时（Ah）的旧款设计更容易受到杂质的影响。虽然经典的18650电池单元（容量1350mAh）能够承受钉子穿透的测试，但如今能量密度更高的3400mAh电池在进行相同测试时就会变成“烟花”。18650是一种标准化的锂离子电池单元，于20世纪90年代初推出，直径18毫米，长度65毫米。

电池故障分为两种类型。一种是百万分之一概率的事件，涉及制造缺陷，通常会导致召回。第二种是罕见的随机事件，类似于被陨石击中。这类故障的原因很难查明，因为受损的电池单元无法复原。可能的原因包括在零度以下温度充电、高温、剧烈振动和/或反复重载。只需问问爱好者、悬浮滑板赛车手或无人机操作员，他们对这些压力因素都很熟悉。

大多数导致电池解体的故障始于一种未被察觉的轻微电气短路。电池运行正常，用户无法察觉即将发生的故障。这与结构故障不同，后者在倒塌前会显示出应力痕迹。结构异常已有充分记录，且故障阈值是已知的。在这方面，电池的行为更像是一个具有自主意识的黑匣子。NRTL、ANSI、UL、IEEE等组织正开始研究电池应用，并强制要求正确使用。重型卡车将配备耐用的发动机，而不是与同马力跑车相同的改装发动机。

电池故障也可能是由电极偏移或异常焊接点引起的，就像三星Note 7智能手机的情况一样。在低温下快速充电会促进枝晶形成，将锂离子电池在低于1.5V/单元的电压下存放超过一周也会导致枝晶形成。这些压力因素可能会导致自放电加剧，并通过形成热点削弱隔膜，从而引发短路。

在热失控期间，锂离子电池会排气，温度迅速升至500°C（932°F），此时电池会发生起火或爆炸。这被称为“排气带火”，而在电池行业更倾向于使用“快速分解”这一术语。排出的气体包括二氧化碳和一氧化碳，以及电解液蒸发形成的气体。

保护电路

由于电池能够释放高能量，因此需要一种安全机制，以防止发生短路时造成损坏。最基本的装置是保险丝，当电流过高时会断开。有些保险丝断开后会永久失效，使电池无法使用；而另一些则更具容错性，能够复位。%% 正温度系数（PTC）是一种可复位装置，当电流过大时会产生高电阻，随后会恢复到正常状态。 is a re-settable device that creates high resistance on excess current and reverts back to normal.

更深层次的安全防护措施是固态开关，当电流或电压读数超过设定阈值时，这些开关会断开电池连接。电流限制根据电池的安时（Ah）额定值设定；电压限制在锂离子电池充电时超过4.3V/节或放电时超过2.2V/节时启动。（其他设置可能适用。）如果温度升至90ºC和/或压力超过设定限值，某些电池会被禁用。所有开关器件都存在残余电阻，这会导致电池整体电阻略有增加，最大电流输出略有下降。

保护电路可使电池免受外部侵害，但一旦发生内部热失控，便无法阻止其进程。就像核反应堆堆芯熔毁一样，电池会消耗自身的能量，不过一些先进电池内置的熔化隔膜能在高温下阻止离子流动，从而延缓这一过程。2006年召回的电池、波音787的主配对电池以及在其他事故中出现问题的电池，虽然都通过了所有监管安全要求，但在正常使用且保护电路正常工作的情况下仍发生了故障。

进入危险区域的电池必须具备本质安全性。这适用于移动电话、双向无线电、笔记本电脑、相机、手电筒、气体检测仪、医疗仪器，包括使用一次性的9V、AA和3A大作电池供电的设备。根据IEC 60079标准，电池组或设备内部的电路会限制电流，以防止产生可能引燃炼油厂或化工厂气体，以及谷物升降机或纺织厂粉尘的电火花。北美地区的认证机构包括Factory Mutual、UL、CSA等；欧洲则遵循ATEX标准，大多数地区也接受IEC 60079标准。

构建锂离子电池组

构建锂离子电池组首先需要估算电压、电流和续航时间需求。部分消费电子产品追求纤薄外形，因此会选择方形或软包电池。如果空间允许，18650电池在比能量、安全性和耐用性方面能提供最低成本和最佳性能。

早期的锂离子电池被认为脆弱，不适合高负载使用。如今，锂基电池系统已能与坚固的镍系和铅系电池并驾齐驱。在构建锂离子电池组时，必须评估两种不同的类型。

能量电池旨在实现最大容量，以提供更长的续航时间。图1中的松下NCR18650B能量电池在0.5C放电时（红线）具有极高的容量，但在2C放电时（紫色线，即额定电流的两倍）则耐久性较差。能量电池并未提供至3V/单节电池的放电截止线所需的3200mAh，而仅提供了2300mAh（红圈所示）；比标称值低了28%。 is built for maximum capacity to provide long runtimes. The Panasonic NCR18650B Energy Cell in Figure 1 has a very high capacity when discharged at 0.5C (red line) but is less enduring at 2C (purple) at twice the rated current. Rather than delivering 3,200mAh to the 3V/cell end discharge line, the Energy Cell delivers only 2,300mAh (red circle); 28 percent less than specified.

松下UR18650RX动力电池图2中的电池容量适中，为1.95Ah，但具备出色的读档能力。在3.0V放电截止电压下，10A（5C）放电的容量损失极小。这非常适合需要大电流负载的应用，例如电动工具。尽管容量比储能电池低40%，但动力电池在低温下的性能更优。

成品电池必须进行电气和机械测试，以符合《试验与标准手册》的建议根据联合国38.3号关于危险品运输的规定。这些规则与美国联邦航空管理局（FAA）、美国运输部（DOT）和国际航空运输协会（IATA）的规定相协调。该认证适用于原电池和二次锂电池及电池，并必须满足以下要求：

T1 –高度模拟：模拟15,000米无增压货舱的低压环境。
T2 –热测试翻译为中文： ：通过将电池在-40°C和+75°C下存放6小时来模拟温度极端情况。
T3 –振动：测试模拟运输过程中的振动，频率范围为7Hz至200Hz，持续时间最长可达3小时。
T4 –冲击：测试模拟运输过程中的振动，其加速度（G力）与电池尺寸相关。
T5 –外部短路：带熔断，50°C下施加短路。外壳温度不得超过+170°C。
T6 –冲击：>20mm圆柱形电池进行冲击测试；所有<20mm电池类型进行挤压测试。
T7 –过充：以推荐电流的两倍充电24小时（仅限二次电池）
T8 –强制放电与T7相同，强制放电主电池和副电池。

进行测试的授权实验室需要24块电池组成的样本池，其中包括12块新电池和12块已循环50次的电池。电池必须通过测试，且在测试开始后的6小时内不得造成损害，也不得发生拆解、破裂或起火，但电池组在测试过程中可能会损坏。国际航空运输协会（IATA）希望确保相关电池适航且具备现场完整性；在测试前对电池组进行50次循环操作，使其更具现实意义。

1万至2万美元的高认证成本让小型制造商不愿在小批量产品中使用锂离子电池，而企业家可能会选择镍氢电池，因为这种电池无需进行同等水平的测试。现有锂离子电池的淘汰是另一个增加成本的问题。即使新电池是直接替换，也需要对电池组进行重新认证。监管机构表示，电池的批准不能转移到电池组上，因为安全确认针对的是成品，而非零部件。

电池过热时该怎么办

如果锂离子电池过热、发出嘶嘶声或鼓包，应立即将设备移离易燃物，并放置在不可燃表面上。如果条件允许，取出电池并将其移至户外烧毁。您也可以将设备移至户外，并至少放置6小时。

小型锂离子火灾可像处理其他可燃物火灾一样处理。为达到最佳效果，可使用泡沫灭火器、二氧化碳、ABC干粉、石墨粉、铜粉或小苏打（碳酸钠）。哈龙也可用作灭火剂。

美国联邦航空管理局（FAA）指示空乘人员使用水或苏打水扑灭客舱内的火灾。水基产品最容易获取，且由于锂离子电池含有的锂金属极少，不会与水发生反应，因此是合适的。水还能冷却周围区域，防止火势蔓延。研究实验室和工厂也使用水来扑灭小型锂离子火灾。

大型锂离子火灾，例如电动汽车火灾，可能需要让其自行燃尽，因为水对此无效。虽然可以使用含铜材料的水，但这可能无法获取，且对消防站而言成本高昂。遇到锂金属电池火灾时，只能使用D类灭火器。锂金属会与水发生反应，使火势加剧。只有D类灭火器可用于扑灭锂火灾。