CN105810076A

CN105810076A - 一种锂离子电池热失控实验装置

Info

Publication number: CN105810076A
Application number: CN201610334657.0A
Authority: CN
Inventors: 荣路清; 付阳阳; 陆松; 张和平
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2016-07-27

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池热失控实验装置，与现有技术相比解决了锂离子电池热失控易产生爆炸位移的缺陷。本发明的固定台包括底座，底座上垂直安装有两个支架，两个支架上安装有滑动平台，滑动平台上设有内槽，固定夹安装在内槽上且固定夹与内槽构成滑动配合，紧固螺钉贯穿安装在固定夹的侧部。本发明限定了电池在热失控爆炸情况下的位移，能够研究不同环境温度、不同荷电状态、不同间距锂离子电池发生热失控的临界条件、喷射火的燃烧行为特征以及锂离子电池间的火蔓延规律，进而提出防控措施，提高锂离子电池安全性。

Description

一种锂离子电池热失控实验装置

技术领域

本发明涉及火灾实验设备技术领域，具体来说是一种锂离子电池热失控实验装置。

背景技术

由于锂离子电池具有能量密度高、开路电压高、重量轻和环境污染小等优点，目前其已经在消费电子仪器设备（笔记本电脑、手机和充电宝等）、交通工具（电动车、电动汽车、混合动力汽车等）和航空航天（波音787和军机）中得到了广泛应用。然而目前由于锂离子电池在仓库储存中自身的内部缺陷或受到热扰动、撞击、挤压会导致内部短路，进而发生热失控引发火灾或爆炸。而目前锂离子电池仓库没有针对性的消防规范和监管条例，这样势必会大大提高事故发生的可能性。无论是周围可燃物引起的燃烧，还是锂离子电池自身发生的热自燃和燃爆，对锂离子仓库来说,一旦锂离子电池发生火灾，锂离子仓库配备的灭火设备不能控制锂离子电池的复燃，不但会造成巨大的经济损失，甚至对人员的生命安全构成威胁。因此，研究不同环境温度和间距下锂离子电池发生热失控的临界条件、燃烧行为特征以及不同灭火剂对锂离子电池火灾的灭火效果对提高锂离子电池储存的安全性具有重要意义。

目前国内外对锂离子电池热失控进行测试的平台很少，并且存在的平台大多是将单个电池通过铁丝缠绕或者螺丝固定的方式将其水平固定在铁丝网上，对其进行加热，如发明专利名称为《一种自带自动报警及灭火系统的锂离子电池消防试验柜》的技术内容。但由于电池爆炸时会产生大约3MPa的压力，这个压力不但会使电池飞溅出去，而且会使其表面测量设备脱落，竖直测量设备发生偏移，给参数的精确测量造成很大影响。如何能够控制电池高温爆炸时产生的位移已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中锂离子电池热失控易产生爆炸位移的缺陷，提供一种锂离子电池热失控实验装置来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池热失控实验装置，包括腔体，腔体的前部设有拉门，拉门上设有观察窗，腔体的顶部安装有灭火系统和排烟系统，腔体内放置有电子天平，电子天平上放置有固定台，所述的固定台包括底座，固定台的底座上放置有防火板，防火板上放置有热源，

所述的底座上垂直安装有两个支架，两个支架上安装有滑动平台，滑动平台上设有内槽，固定夹安装在内槽上且固定夹与内槽构成滑动配合，紧固螺钉贯穿安装在固定夹的侧部。

所述固定夹的底部安装有螺纹杆，固定夹放置在内槽上，螺纹杆穿过内槽，螺纹杆上位于内槽下方安装有螺母。

所述的固定夹和紧固螺钉的数量均为若干个。

所述的灭火系统包括灭火剂罐，腔体的顶部设有灭火器管路入口，腔体内安装有喷头，灭火器管路一端安装在灭火剂罐上，灭火器管路另一端穿过灭火器管路入口安装在喷头上。

所述的排烟系统包括排烟管道，腔体的顶部设有排气孔，排烟管道的一端与排气孔相通，排烟管道的另一端安装有防爆风机。

还包括驱动气体罐，驱动气体罐通过灭火剂管路与灭火剂罐相接，位于灭火剂罐与灭火器管路入口之间的灭火器管路上安装有流量控制阀和压力表，位于灭火剂罐与驱动气体罐之间的灭火器管路上安装有电磁驱动阀。

有益效果

本发明的一种锂离子电池热失控实验装置，与现有技术相比限定了电池在热失控爆炸情况下的位移，能够研究不同环境温度、不同荷电状态、不同间距锂离子电池发生热失控的临界条件、喷射火的燃烧行为特征以及锂离子电池间的火蔓延规律，进而提出防控措施，提高锂离子电池安全性。具有结构简单、使用便携和安全可靠的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中固定台的结构示意图；

图3为本发明中腔体的内部结构示意图；

其中，1-腔体、2-电池固定台、4-灭火系统、5-排烟系统、6-数据采集系统、7-18650锂离子电池、11-拉门、12-观察窗、13-支撑腿、14-万向轮、15-采样孔、16-排气孔、17-顶盖、18-灭火剂管路入口、21-底座、22-支架、23-滑动平台、24-导轨内槽、25-六角螺母、26-电池固定夹、27-紧固螺钉、31-热源、32-螺纹杆、33-防火板、41-喷头、42-灭火剂管路、43-压力表、44-流量控制阀、45-灭火剂罐、46-电磁驱动阀、47-驱动气体罐、51-排烟管道、52-防爆风机、61-热电偶、62-热线风速仪、63-气体分析仪、64-辐射仪、65-压力传感器、66-电子天平、67-摄像机。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种锂离子电池热失控实验装置，包括腔体1，腔体1为长方体结构，内腔尺寸为0.5m×0.4m×1.2m，采用厚度为6mm的不锈钢搭建，中间用50mm厚的陶瓷纤维板作隔热层，陶瓷纤维板能承受1260℃的高温，腔体1底部设有用于支撑腔体1的四个支撑腿13和万向轮14，能够方便腔体1任意位置的移动。腔体1的前部安装有拉门11，拉门11通过铰链安装在腔体1上，腔体1与拉门11之间安装有耐热硅橡胶密封圈以保证两者的密封性。为便于观察实验现象，门上设置观察窗12，观察窗12由耐1000℃高温的防火玻璃制成。

腔体1的顶部安装有灭火系统4和排烟系统5，灭火系统4用于用于测试不同灭火剂对锂离子电池火灾的灭火效果，排烟系统5用于实验后的排烟。灭火系统4包括喷头41、灭火剂管路42、灭火剂罐45、流量控制阀44、压力表43、驱动气体罐47和电磁驱动阀46。灭火剂可以为液体或气体，具体可以选细水雾、哈龙1211和1301，Novec1230，FM200和CO2等灭火剂。腔体1的顶部设有灭火器管路入口18，腔体1内安装有喷头41，喷头41可以安装于腔体1内顶部中心位置和腔体1表面的其他位置。灭火器管路42一端安装在灭火剂罐45上，灭火器管路42另一端穿过灭火器管路入口18安装在喷头41上。喷头41通过灭火器管路42和灭火剂管路入口18与腔体1外的灭火剂罐45连接。灭火剂管路42通过法兰与腔体1固定，并用耐高温密封胶密封。灭火器管路42上位于灭火器管路入口18和灭火剂罐45之间安装有流量控制阀44和压力表43，通过调节流量控制阀44来调节灭火剂喷射流量，压力表43则实时显示压力变化。驱动气体罐47通过灭火剂管路42与灭火剂罐45相接，位于灭火剂罐45与驱动气体罐47之间的灭火器管路42上安装有电磁驱动阀46。喷头41根据灭火剂罐45内所使用的灭火剂进行更换。实验时，电池开始燃烧后，立即启动灭火的电磁驱动阀46和流量控制阀44，驱动气体罐47压缩灭火剂罐45中的灭火剂，通过灭火器管路42和喷头41向腔体1内喷洒灭火剂。

排烟系统5包括排烟管道51，腔体1的顶部设有排气孔16，在排气孔16旁还可以安装顶盖17。排烟管道51的一端与排气孔16相通，排烟管道51的另一端安装有防爆风机52。实验时顶盖17盖上，其周边压上密封条，实验后打开顶盖17，通过排烟管道51使排气孔16与防爆风机52连通，排出实验产生的气体。

如图3所示，数据采集系统6按现有技术的布置结构，包括热电偶61、热线风速仪62、气体分析仪63、辐射仪64、压力传感器65、电子天平66、摄像机67，其中热电偶61包括三根热电偶树、电池7上表面中心位置和极耳位置分别布置的一支热电偶以及热源31表面布置的一支热电偶，其中一根热电偶树（包含9支热电偶）布置在电池7的正上方，热电偶树距离电池7表面的距离从上而下依次为5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm和70cm，用于测量电池7热失控喷射火的火焰温度，另外两根热电偶树（包含5支热电偶）分别布置在电池7的左侧10cm和20cm处，热电偶树距离电池7表面的距离从上而下依次为0cm、10cm、20cm、30cm、50cm、70cm，用于测量电池7喷射火的周围温度场分布。电池7上表面中心位置和极耳位置布置的两支热电偶分别测量其表面温度，热源31表面布置的1支热电偶用于测量热源31表面的温度，热电偶均选用直径为1mm的K型铠装热电偶，温度范围0-1000℃；热线风速仪62探头布置在电池7的正上方10cm处，用于测量电池7火羽流上升速度；气体分析仪63的四个探头布置在电池7正上方的腔体1的顶棚上，分别测量O₂、CO、CO₂和HF浓度。辐射仪64的三支探头均布置在距离电池7右侧10cm的布置，但竖直方向间距为10cm，测试不同距离的辐射强度。压力传感器65的两支探头均距离锂离子电池7右侧5cm处布置，但竖直方向间距为10cm，测试电池7热失控或爆炸产生的压力变化。电子天平66用于测量实验过程中电池7的质量变化，布置在固定台2的正下方，通过防火板33与热源31隔离，防止高温对电子天平66的损坏。摄像机67固定在腔体1的外侧，通过观察窗12记录整个实验现象。采集设备均含有传感器和数据采集及处理器，除气体分析仪和摄像机的数据采集集中到电脑处理外，其他的数据采集和处理传感器均连接到安捷伦34970A数据采集仪上进行集中处理。采集设备的传感器均布置与腔体1内，通过线路和采样孔15与腔体1外的数据采集仪及处理器连接，为保证腔体1侧壁开的采样孔15的气密性，通过航空接头和耐高温密封胶进行密封。

腔体1内放置有电子天平66，电子天平66上放置有固定台2，固定台2的底座21上放置有防火板33，根据需要，也可以在电子天平66与固定台2之间放置防火板33。防火板33上放置有热源31，热源31为整个点火系统的核心。为了防止明火火焰对电池喷射火的火焰的干扰，热源31不考虑明火的引燃，热源31采用铸铁电加热板，辐射板，电炉以及镍铬丝等加热设备，热源31表面温度能达到500℃，控制器在腔体1外，通过耐高温电线穿过采样孔15来连接热源31和控制器。其中铸铁电加热板、辐射板、电炉等热源31可放在固定台2的正下方，通过防火板33与电子天平66隔离，也可放置在固定台2的侧面，通过支架将其固定，若采用镍铬丝则可以直接缠绕在电池7的表面。实验时可使用无线插座对控制器进行远程控制，控制器调节热源31输出功率，进而调节温度，研究不同环境温度下锂离子电池热失控诱发的临界条件以及喷射火燃烧行为。

如图2所示，固定台2包括底座21，固定台2采用厚度为2mm的不锈钢制作。底座21上垂直安装有两个支架22，两个支架22上安装有滑动平台23，滑动平台23通过两个支架22支撑安装在底座21上。滑动平台23上设有内槽24，固定夹26安装在内槽24上且固定夹26与内槽24构成滑动配合，固定夹26的内径比实验用锂离子电池7的外径大2mm，固定夹26能够在内槽24上进行滑动，以满足不同距离实验的需要。固定夹26与内槽24的安装方式可以采用现有技术中的多种方式，如在固定夹26的底部安装螺纹杆32。固定夹26放置在内槽24上，螺纹杆32穿过内槽24，螺纹杆32上位于内槽24下方安装有螺母25。当需要移动固定夹26时，将螺母25下旋，固定夹26在内槽24上移动，再将螺母25上旋，将固定夹26固定在内槽24上。在此，固定夹26可以使用多个。紧固螺钉27贯穿安装在固定夹26的侧部，紧固螺钉27用于固定电池7，通过旋紧紧固螺钉27将电池7顶在固定夹26上，再松动紧固螺钉27将电池7从固定夹26上取下。同理，紧固螺钉27的数量也可以为多个，与固定夹26数量相同。

使用锂离子电池热失控实验时，按如下步骤操作：

（1）检查整个装置的各个部件和线路连接状态，确保装置都能正常工作，对采集设备进行校准和标定；

（2）将锂离子电池在常温下充电至实验设置的荷电状态后固定在固定台中，调整锂离子电池的间距，关闭门和顶盖；

（3）调节控制器使热源输出功率达到实验要求的温度，同时启动数据采集系统，分别采集温度、羽流速度、气体浓度、压力、质量损失和图像信息；

（4）锂离子电池一旦燃烧，立即切断热源，等待火焰熄灭后，关闭数据采集系统，打开顶盖启动排烟系统，整理设备和实验数据。

当对锂离子电池火灾的灭火效果时，按如下步骤操作：

（4）锂离子电池一旦燃烧，立即切断热源，同时启动灭火系统，等待火焰熄灭后或设定时间后，关闭数据采集系统，打开顶盖启动排烟系统，整理设备和实验数据。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种锂离子电池热失控实验装置，包括腔体（1），腔体（1）的前部设有拉门（11），拉门（11）上设有观察窗（12），腔体（1）的顶部安装有灭火系统（4）和排烟系统（5），腔体（1）内放置有电子天平（66），电子天平（66）上放置有固定台（2），所述的固定台（2）包括底座（21），固定台（2）的底座（21）上放置有防火板（33），防火板（33）上放置有热源（31），

其特征在于：所述的底座（21）上垂直安装有两个支架（22），两个支架（22）上安装有滑动平台（23），滑动平台（23）上设有内槽（24），固定夹（26）安装在内槽（24）上且固定夹（26）与内槽（24）构成滑动配合，紧固螺钉（27）贯穿安装在固定夹（26）的侧部。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控实验装置，其特征在于：所述固定夹（26）的底部安装有螺纹杆（32），固定夹（26）放置在内槽（24）上，螺纹杆（32）穿过内槽（24），螺纹杆（32）上位于内槽（24）下方安装有螺母（25）。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控实验装置，其特征在于：所述的固定夹（26）和紧固螺钉（27）的数量均为若干个。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控实验装置，其特征在于：所述的灭火系统（4）包括灭火剂罐（45），腔体（1）的顶部设有灭火器管路入口（18），腔体（1）内安装有喷头（41），灭火器管路（42）一端安装在灭火剂罐（45）上，灭火器管路（42）另一端穿过灭火器管路入口（18）安装在喷头（41）上。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控实验装置，其特征在于：所述的排烟系统（5）包括排烟管道（51），腔体（1）的顶部设有排气孔（16），排烟管道（51）的一端与排气孔（16）相通，排烟管道（51）的另一端安装有防爆风机（52）。

6.根据权利要求4所述的一种锂离子电池热失控实验装置，其特征在于：还包括驱动气体罐（47），驱动气体罐（47）通过灭火剂管路（42）与灭火剂罐（45）相接，位于灭火剂罐（45）与灭火器管路入口（18）之间的灭火器管路（42）上安装有流量控制阀（44）和压力表（43），位于灭火剂罐（45）与驱动气体罐（47）之间的灭火器管路（42）上安装有电磁驱动阀（46）。