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動力電池安全性能檢測實驗室場地建設規劃條件

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前言:

近年來,隨著新能源政策的利好和社會資本的涌入,新能源行業特別是動力電池制造企業如雨后春筍般不斷生長。怎么建設和規劃好一個全新的新能源鋰電池檢測實驗室是許多新能源制造關聯企業的痛點。新能源鋰電池實驗室不同于其他家用電器、燈具照明或汽車電子產品實驗,由于鋰電池在試驗過程存在的不確定性和危險性,鋰電池可能會產生有毒有害廢氣、冒煙、明火、甚至出現爆炸、溶液飛濺等情況,這些問題可能導致環境空氣污染、設備損壞、實驗人員受傷,甚至對人身財產造成巨大損失。因此,無論鋰電池試驗室規模大小,都有必要在新能源電池實驗室的場地建設,設備購置,以及日常的運營成本給予充分的重視和了解。DELTA德爾塔儀器專注于新能源電池實驗室的規劃、建設和相關檢測設備的研發、設計和制造,我們深深體會到試驗室的籌建費用和運營費用之高昂,我們也一直在為用戶思考研究電池實驗室場地建設、整體布局設計、降低試驗運營成本和管理成本的辦法。


一、DELTA德爾塔儀器——(規劃)鋰電池實驗室設計依據及設備部署: 

1、依據標準規范:滿足GB/T 32146.2-2015《檢驗檢測實驗室設計與建設技術要求 第2部分:電氣實驗室》標準規范要求設計。

實驗室主要用于鋰電池強制性安全檢查試驗,提供穩定可靠的環境條件。為了評估電池在存儲、運輸、誤用和濫用等情況下,是否會引發過熱、明火、爆炸、有害氣體溢出、人員安全等情況,由此應運而生的電池安全檢測標準有:國際標準(IEC 62660、IEC62133)、歐盟標準(EN62133、EN60086)、中國標準(GB31241-2014)、美國標準(SAE UL)、日本標準(JIS),針對新能源鋰電池應用較為廣泛的標準是UN 38.3、GB/T31467.3-2015、GB/T 31485-2015、SAND 2005-3123、UL1642、UL2054、UL2580、JIS C 8711、JIS C8714、JIS C 87115、ISO 16750、ISO 12405、SAE J2464。電池標準針對的檢測項目,大體可分為電性能適應性、機械適應性和環境適應性測試三大類的檢測。

1)電性能適應性:包括電池工況容量、各種倍率的充放電性能、過充性能、過放性能、短路性能、絕緣性能、自放電特性、電性能壽命等。其中過充、過放、短路的實驗過程風險較大,可能會存在明火爆炸等劇烈現場。

2)機械適應性:加速度沖擊、機械振動、模擬碰撞沖擊、重物沖擊、自由跌落、電池包翻轉、洗滌試驗、擠壓和鋼針穿刺等。其中鋼針針刺和擠壓的實驗過程風險較大,可能會存在明火爆炸等劇烈現場。

3)環境適應性:熱濫用(熱沖擊)、溫濕度循環、高低溫循環、冷熱沖擊、溫度驟變、真空負壓測試、鹽霧試驗、浸水試驗、海水浸泡和明火焚燒等。其中明火焚燒實驗過程風險較大,可能會存在爆炸的情況。


2、DELTA德爾塔儀器——(規劃)鋰電池實驗室設備布局:

在實驗室建設初期規劃實驗室,既可以降低實驗操作風險,同時也能系統的形成檢測能力,通常具有完整測試能力的電池檢測實驗室,可規劃成如下功能分區:

1)電性能檢測區,此區域主要涉及的儀器是充放電機柜、內阻測試儀、絕緣強度測試儀、絕緣電阻測試儀、數據采集設備等,由于電池的實測容量與測試溫度有關,因此應對此區域的溫度、濕度進行控制。

2)機械性能測試區,此區域主要涉及的儀器包括充放電機柜、振動試驗臺、沖擊碰撞試驗臺、翻轉試驗臺、三綜合實驗臺,由于設備質量重、體積大、噪音大,且部分檢測設備需要下挖,因此此區域多放置在一樓,做好隔音和隔震措施。

3)環境測試區,此區域主要完成溫度、濕度、老化、熱分析等實驗,涉及的儀器包括充放電機柜、高低溫箱、負壓箱、溫濕度實驗箱、熱分析儀、數據采集設備等,此區域需要24h連續長時間工作,因此容易出現麻痹大意導致安全事故。

4)輔助功能區,可根據實際需要進行配置,包括樣品室(放置測試前后的電池樣品)、庫房(放置閑置線纜、工具等)、辦公室、會議室、休息區等。樣品室存放電池樣品,需要頻繁檢查電池狀態。

5)電池安全測試區,此區域開展的測試均帶有危險性,包括樣品不成熟導致的風險以及測試本身的風險,包括的測試項目:跌落、針刺、擠壓、燃燒、過充、過放、短路、浸水、海水浸泡、高溫充放電等項目,涉及的設備包括充放電機柜、跌落試驗臺、針刺試驗機、擠壓試驗機、燃燒試驗機、短路試驗機、浸泡設備、高溫箱等。由于此區域著火爆炸概率較高,因此需要建設行之有效的尾氣排放和處理措施,以避免對環境的影響。


注意:GB/T 31467.3-2015(電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分 安全性要求與測試方法)以及GB/T 31485-2015(電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法)標準部分試驗項目適用。


二、DELTA德爾塔儀器 ——(規劃)鋰電池實驗室測試程序:

1. 電池材料檢測

電池材料的測試主要為材料的組成、結構、性能測試,所有測試過程都不涉及任何化學處理步驟,均屬于儀器分析,測試的全過程不產生對環境有害的物質。最終產生的廢棄樣品及未測試的多余樣品均交還送檢單位。

工藝流程簡述:稱取電池材料—電池材料制樣—上機分析—結果輸出。

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2、電池單體常規測試、電性能、安全性能和失效性能、可靠性檢測

電池單體常規測試包括外觀、極性、尺寸和質量,涉及到目檢、電壓表檢測、量具和衡器檢測手段,四種測試項目都不涉及任何化學處理步驟,均不產生任何環境有害物質。電池單體電性能測試包括放電容量、倍率、循環壽命,涉及到的設備有電池充放電性能測試儀和電池模塊充放電性能測試儀,以上兩種設備基于電化學原理進行檢測,都不涉及任何化學處理步驟,測試過程中不產生任何環境有害物質。


電池單體安全性能測試包括過充、過放、短路、跌落、高低溫、針刺、擠壓多項,涉及到針刺機、擠壓機、跌落臺、高低溫箱和過充過放專用設備,所有的測試項目都在專用測試設備內執行,同時操作人員按照國標要求配備有嚴格的防護措施,測試過程都不涉及任何化學處理步驟。測試結束后產生的失效電池交由送檢單位回收處理,對環境不產生影響。電池單體可靠性測試主要包括循環壽命 、不同倍率放電特性、不同溫度放電特性、充電特性、自放電特性、不同溫度自放電特性、存貯特性、過放電特性、不同溫度內阻特性、高溫測試、溫度循環測試、跌落測試、振動測試、容量分布測試等,以上測試涉及到的設備主要為電性能測試儀和部分安全性測試設備,電化學性能測試設備基于電化學原理對電池進行電性能檢測, 測試過程都不涉及任何化學處理步驟, 不產生化學反應,不產生對環境有害的物質。


電池單體失效分析和電池模型分析在上述可靠性檢測、安全性檢測、常規檢測及化學組成檢測等基礎上開展,檢測過程都不涉及任何化學處理步驟,不產生化學反應。對環境不造成污染。


工藝流程簡述:電池單體試樣遴選—電池試樣連接檢測設備—設備自動檢測—數據輸出。

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3. 電池模塊常規測試、電性能、安全性能和失效性能、可靠性檢測

電池模塊常規測試包括外觀、極性、尺寸和質量,涉及到目檢、電壓表檢測、量具和衡器檢測手段,四種測試項目都不涉及任何化學處理步驟,均不產生任何環境有害物質。電池模塊電性能測試包括放電容量、倍率、循環壽命,涉及到的設備有電池充放電性能測試儀和電池模塊充放電性能測試儀,以上兩種設備基于電化學原理進行檢測,都不涉及任何化學處理步驟,測試過程中不產生任何環境有害物質。


電池模塊安全性能測試包括過充、過放、短路、跌落、高低溫、針刺、擠壓多項,涉及到針刺機、擠壓機、跌落臺、高低溫箱和過充過放專用設備,所有的測試項目都在專用測試設備內執行,同時操作人員按照國標要求配備有嚴格的防護措施,測試過程都不涉及任何化學處理步驟。測試結束后產生的失效電池模塊交由送檢單位回收處理,對環境不產生影響。電池模塊可靠性測試主要包括循環壽命 、不同倍率放電特性、不同溫度放電特性、充電特性、自放電特性、不同溫度自放電特性、存貯特性、過放電特性、不同溫度內阻特性、高溫測試、溫度循環測試、跌落測試 、振動測試、容量分布測試等,以上測試涉及到的設備主要為電性能測試儀和部分安全性測試設備,電化學性能測試設備基于電化學原理對電池進行電性能檢測, 測試過程都不涉及任何化學處理步驟, 不產生化學反應,不產生對環境有害的物質。


電池模塊失效分析和電池模型分析在上述可靠性檢測、安全性檢測、常規檢測及化學組成檢測等基礎上開展,檢測過程都不涉及任何化學處理步驟,不產生化學反應。對環境不造成污染。


工藝流程簡述:電池模塊試樣遴選—電池模塊試樣連接檢測設備—設備自動檢測—數據輸出。

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4. 電池系統常規性能、電性能、安全性能和失效性能檢測、可靠性檢測

電池系統常規測試包括外觀、極性、尺寸和質量,涉及到目檢、電壓表檢測、量具和衡器檢測手段,四種測試項目都不涉及任何化學處理步驟,均不產生任何環境有害物質。電池系統電性能測試包括放電容量、倍率、循環壽命,涉及到的設備有電池充放電性能測試儀和電池模塊充放電性能測試儀,以上兩種設備基于電化學原理進行檢測,都不涉及任何化學處理步驟,測試過程中不產生任何環境有害物質。


電池系統安全性能測試包括過充、過放、短路、跌落、高低溫、針刺、擠壓多項,涉及到針刺機、擠壓機、跌落臺、高低溫箱和過充過放專用設備,所有的測試項目都在專用測試設備內執行,同時操作人員按照國標要求配備有嚴格的防護措施,測試過程都不涉及任何化學處理步驟。測試結束后產生的失效電池系統交由送檢單位回收處理,對環境不產生影響。電池系統可靠性測試主要包括循環壽命、不同倍率放電特性、不同溫度放電特性、充電特性、自放電特性、不同溫度自放電特性、存貯特性、過放電特性、不同溫度內阻特性、高溫測試、溫度循環測試、跌落測試、振動測試、容量分布測試等,以上測試涉及到的設備主要為電性能測試儀和部分安全性測試設備,電化學性能測試設備基于電化學原理對電池進行電性能檢測, 測試過程都不涉及任何化學處理步驟, 不產生化學反應,不產生對環境有害的物質。


電池系統失效分析和電池模型分析在上述可靠性檢測、安全性檢測、常規檢測及化學組成檢測等基礎上開展,檢測過程都不涉及任何化學處理步驟,不產生化學反應。對環境不造成污染。


工藝流程簡述:電池系統試樣遴選—電池系統試樣連接檢測設備—設備自動檢測—數據輸出。

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5、DELTA德爾塔儀器——(溫馨提示) 由于新能源鋰電池能量高度集中,且密集安裝,因此即便是正常的試驗測試(如各種充放電性能、高空模擬),也可能因誤操作導致危險,下面列舉新能源鋰電池存在的潛在風險:

1)著火、燃燒、爆炸

磷酸鐵鋰電池在電解液中添加過充添加劑非水有機體系的電解液具有低燃點的易燃性質,它在溫度升高的密閉電池體系內極易和充放電過程中非?;钴S的電極材料發生一連串催化放熱反應,從而引起熱失控。同時電解液和電極材料之間的副反應伴有氣體產生,當電池內壓力達到設定的閥值,泄爆閥開啟,并伴隨氣體泄放。如果電池內部集聚溫度過高,與空氣種的氧氣的接觸的情況下引起有機電解液的燃燒,最終導致電池的爆炸。


電池檢測中的各種濫用實驗的實質,是通過各種手段使電池發生外部短路或內部短路,引起正負材料和電解液的直接反應,電池溫度急劇升高。電池的散熱性和壓力的釋放能量決定了電池著火、燃燒或爆炸。對實驗現場的著火、燃燒、爆炸的防護,重點是保證試驗現場壓力要有足夠的釋放空間,防止燃燒擴展和壓力的突然釋放,可采取加固防爆殼體、快速壓力泄放、通過多傳感器融合技術進行預警檢測,以實現不爆炸貨弱能量的反應。


2)有毒氣體的排放

由于電解液含有有機溶劑,在安全檢測過程中,電解液的高溫氣化導致有毒氣體的排放,通常有毒氣體是通過電池泄爆閥打開后溢出,其氣味刺激。當被測樣品是大功率的新能源電池時,有毒氣體的含量較多,且成分更為復雜,其排放問題更要注意,UL 2580規定了有毒氣體釋放量的檢測要求。有毒氣體的排放的防護重點,是加裝有害氣體檢測傳感器監測有害氣體含量,加裝抽風裝置或無害化處理裝置將有毒氣體抽離實驗室,避免操作人員與有害氣體的接觸。


3)漏液的污染性

電池在檢測過程中容易出現漏液,漏液會腐蝕設備和測試臺的外表面。應加倍關注富液設計電池的這種危害。因此無論是在有意破壞的漏液,或是實驗過程意外泄露,都應該關注人員防護、設備防護和測試環境防護。其防護重點是通過嚴格操作流程管理和規范,將漏液的腐蝕侵害降至最低。


三、DELTA德爾塔儀器——(規劃)鋰電池實驗室——通風系統特點:

1、因鋰電池在做破壞性測試時可能會產生大量的煙霧或者燃燒廢氣,需要考慮到通風環保設施要求;系統所作用的通風設備較復雜,流量較大。通風設備在工作期間可根據實際須要控制使用數量,風機負載隨通風設備增減而變化。


2、系統控制采用各實驗室布點控制,即利用同系統的各通風設備的電動調風閥或在附近設置信號開關,利用電動調風閥或信號開關輸送信號遠距離控制風機啟停。采用電動調風閥對通風設備進行流量調節。


3、采用在風機入口處加裝消聲器的方式對通風系統進行噪聲處理,對于電機功率小于4KW,A式傳動的風機采用橡膠減振,對于電機功率大于4KW,C式傳動的風機采用阻尼彈簧減振器減振。


4、因應節能要求及實際需要,對全面排風系統P1及局部排風系統P3、P4、P5、P6系統功率≥4KW的通風系統采用變風量變頻控制系統控制。節約電能同時也可大大延長風機使用壽命。


5、因應現代環保要求,根據廢氣類別對P4、P5、P6系統的排氣采用酸霧凈化塔、活性炭干附等進行環保治理。


6、實驗室的通風換氣次數取每小時10~20次。


7、支管內風速取6~12m/s,干管內風速取8~14 m/s。


8、通風設備設計風量:單臺1800*800*2350mm排毒柜設計排風量:1400~2100CMH; 單臺1500*800*2350mm排毒柜設計排風量:1100~1700CMH; 單臺500*500mm原子吸收罩設計排風量:800~1300CMH;單臺萬向排煙罩設計排風量;180~300CMH。


四、DELTA德爾塔儀器——(規劃)鋰電池實驗室——內部裝飾

1、天花:

(1)實驗室、辦公室天花采用輕鋼龍骨吊600*600mm的鋁合金扣板天花。

(2)結合通風和機電要求,實驗室天花選用鋁合金扣板天花可以大幅度降低通風和機電施工難度和強度,也利于日后的正常維護和檢修。

(3)實驗室天花采用鋁合金扣板天花美觀,大方,無污染,還可以搭配其他一體化裝修完成整個裝修工程。

(4)實驗室天花采用鋁合金扣板天花可以有效的防霉、防潮。

(5)潔凈室采用彩鋼板天花板。


2、地面:

(1)實驗室地面按照甲方要求保留原有拋光磚地面600*600mm。

(2)拋光磚技術成熟,整潔,美觀,灰縫小,易于清潔。

(3)在裝修過程中,拋光磚的鋪設最適合于辦公場所。

(4)拋光磚可承受多人辦公場所的磨損,維護后不變色不需打蠟拋光等繁復操作。

(5)洗滌室利用原有地面,節約成本。

(6)優質防滑地磚可以有效杜絕液積留在地板上對實驗室工作人員造成的不便。


3、墻體

(1)新砌墻身采用輕質磚砌180mm厚磚墻,雙面批蕩面貼500*500拋光磚。

(2)采用其他墻體全部貼500*500拋光磚

(3 走廊用12mm厚鋼化玻璃做玻璃隔墻,踢腳線材質選用拋光磚。

(4)采用玻璃間隔的設計使得開放式實驗成為一種可能。

(5)采用玻璃間隔的設計令人視野開闊,整體實驗室潔凈、明亮。


4、門窗

(1)實驗室統一采用12mm厚鋼化玻璃地彈簧門,增加實驗室通透性。按照規劃設計要求,分為900*2100mm、1200*2100mm、1500*2100 mm三種規格,根據具體情況,潔凈室的門為800*2100 mm。

(2)實驗室主通道入口用1500*2100mm鋼化玻璃雙開門,外加電腦磁卡感應門鎖(配10張卡)。


四、 DELTA德爾塔儀器——(建議)鋰電池實驗室注意事項:

實驗室設計之初就應該全面性的考慮到被測試鋰電池出現爆炸、燃燒、漏液等問題。


1.爆炸前預警:由于電池起火爆炸前會有很大的變化,可以傳感器充分檢測指標達到爆炸前預警的目的。這些變化包括——溫度升高、電流突然增大、泄爆閥打開、有害氣體溢出等,其中溫度和電流是預警的重要指標,對相同規格的電池具有相似的指標,通過概率分布可形成較好的爆炸預測。


2.爆炸過程控制:電池連鎖爆炸是爆炸過程控制的重點,通過切斷電流回路、降低爆炸現場溫度、阻斷燃燒路徑、撤離著火源頭等方式,其中以切斷電流回路和干冰滅火方式最為有效。既能起到控制火情,同時也保留了測試樣品。


3.污染物可回收:污染物包括固態污染物和氣體污染,通過電池回收罐收集固態污染物回收時,要避免二次危險。有害氣體的回收成本非常高昂,可根據實際情況酌情處理。


4.試驗室防爆系統:房間內安裝2個傳感探頭。測試單元放置在室外可隨時的監測試驗室內的氣體是否超標。報警系統分2級控制當第1級報警時啟動聲音報警,此時不切斷電路。當濃度繼續升高時達到2級報警時報警器自動打開風閥啟動抽排風系統并切斷實驗室電源。防爆室內部采用1.2mm厚的鋼板焊接而成,墻體可采用鋁塑板或其他材料支撐,整改防爆室具有耐火、防止爆炸物飛出等功能。防爆門采用往里面推開的開門方式,必須具有防止沖擊波導致開門的問題,門上配置有防爆玻璃觀察窗,并且窗上焊接有鐵柱防止玻璃破裂。防爆室上空設置有鐵制的通風管道,其作用有二;1、當有燃燒、煙霧時,開啟風機抽風,2、主要用于泄放爆炸時的壓力。因此通風管道需要做寬,建議尺寸不小于500mm×600mm×870000mm。


5.每個防爆室配置有防爆燈,視頻監控探頭。視頻監控探頭對準被測物位置。每個防爆室的底部設置有設備的連線門洞:100mm×200mm;在高1000mm處也設置有直徑500mm的連線門洞,門洞的里面一側設置有鋼鐵擋板。防爆室作為樣品儲存室使用,并配置有小一匹分體式空調作為恒溫,外墻配置有直徑120mm的排氣扇。里面配置有消防煙感探頭。


6.充放電區:設置有試驗臺,臺面分有儀器操作位置和樣品區,樣品區四周及底面采用1.2mm不銹鋼板焊接;前面設置有開門;上方開孔,用于泄放用。也可以在上方加裝排氣管道。樣品區的側面開有直徑50mm的孔用于連接線。樣品區可放置定做的防爆箱。


7.消防要求:在人員操作區和樣品區設置有消防煙感探頭。


8.視頻監控要求:共用七個視頻監控探頭,五個用于防爆室,兩個用于沖放電區,在防爆室外配置有視頻監控顯示器,可在測試過程中查看到里面情況,并具有連接內網功能,可便于在辦公室查看具體情況??照{恒溫功能:在人員操作區采用原來配置有的5匹空調,另外在A防爆室加裝小一匹空調用于儲存室。


9.實驗室噪音:實驗室噪聲源主要為測試設備、風機等設備運行時產生的噪聲,其噪聲值約為 50~75dB(A)之間。


10.電氣控制柜及電氣連線,有永久性的標志,并與圖紙相符,同時符合國家有關的標準。設備供電采用三相五線制供電??煽康乇Wo人身安全。測試系統應增加電源切換開關,能夠給各臺位提供不同頻率的電源(同時包括每臺的一路市電供電。試驗室有高溫保護裝置,具有過流、漏電保護、有保險絲。


五、DELTA德爾塔儀器——(規劃)鋰電池實驗室水電要求: 

1.配備電源:3Φ5W 380V,50/60Hz;總功率約130KVA;

2.獨立地線:接地電阻≤4Ω;

3.給水:配管連接直徑Φ20 水壓≥0.15MPa,水質潔凈無雜質; 

4.排水:配管連接直徑Φ100。


六、DELTA德爾塔儀器——(設計)鋰電池實驗室測量系統精度:

1.所以控制值的準確度應在以下范圍內

2.電壓:±1.0%;

3.電流:±1.0%;

4.溫度: ±2℃;

5.時間:±1.0%;

6.尺寸:±1.0%;

7.容量:±1.0%。


七、鋰電池防爆實驗室典型設計應用:

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(鋰電池實驗室效果圖)


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(測試系統綜合交鑰匙工程)


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(電池整體實驗室正面)


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(電池整體實驗室背面)