CN110208263A - 一种锂离子电池失火-灭火实验装置 - Google Patents

一种锂离子电池失火-灭火实验装置 Download PDF

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王兵
汪硕峰
潘帅
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    • G—PHYSICS
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    • G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables

Abstract

本发明提供一种锂离子电池失火‑灭火实验装置，包括实验箱，箱体内的辐射加热盘、穿刺机以及外部的充放电机可进行不同电池状态，不同环境温度以及不同条件的电池失控实验，实验箱前后安装有两块玻璃视窗、高速摄像机和纹影灯，可以拍摄电池失控及灭火过程中的火焰传播过程，实验箱内还分别设置有温度传感器、光电传感器和烟雾传感器，通过数据采集系统实时监控并记录各个传感器的数据，电池失控产生的气体通过气体采集器收集，剩余气体由耐高温风扇抽出，其中有毒有害物质可被收集在吸附器中，实验箱右侧的灭火剂罐中储存有灭火剂，通过输运软管连接至实验箱内的喷射系统中，该系统可以改变灭火剂输喷射高度、角度以及流量，进行灭火效果分析。

Description

一种锂离子电池失火-灭火实验装置
技术领域
本发明涉及锂离子电池的安全性能及防护的实验测试，具体是一种锂离子电池失火-灭火实验装置。
背景技术
锂离子电池由于具有能量密度大、输出电压高、循环寿命长、环境污染小、无记忆性等优点，已经在笔记本电脑、手机、照相机、摄像机等小型电子设备中得到广泛应用，同时在电动自行车、电动汽车以及航空、航天、潜艇等动力领域上展现出了广阔的应用前景。
但由于锂离子动力电池的比能量较高，所以同时也存在着较大的安全隐患。锂离子电池在滥用条件下(如加热、过充、过放、短路、振动、挤压等)，会出现着火、爆炸乃至人员受伤等事件。而由锂离子动力电池引起的火灾，一般具有持续时间长、温度高、灭火难度大等特点，而且容易造成周边电池失控的连锁反应，造成更严重的后果，而这也极大地限制了锂离子电池甚至是电动汽车的广泛推广及应用。目前国内外的相关研究主要集中在锂离子电池的热失控机理、过程、以及安全测试等方面，目的主要为从失控机理角度去探索提高锂电池安全性的方法。而关于锂离子电池从各种类型的失火以及针对相应失控情况的灭火方式、灭火机理、灭火剂的选择等方面的研究，尚缺少相关的实验装置及测试方法。
鉴于以上分析，针对锂离子电池灭火难且研究较少的现状，设计一种可以全面分析锂离子电池失火及灭火过程，并对灭火策略优化的实验装置。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明的目的在于设计并提供一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其同时具有分析锂离子电池失火及灭火过程的效果，使用安全可靠，适用于任何动力电池，特别适用于车用单体电池及模组上。
一种锂离子电池失火-灭火实验装置，包括实验箱(6)，实验箱(6)的前后设置有玻璃视窗(22)，实验箱(6)顶部安装有排气管(25)及耐高温风扇(27)，实验箱(6)内还设置有多种电池失控触发装置及传感器。
所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：前后设置的玻璃视窗(22)，高速摄像机(23)和纹影灯(24)可以对电池(30)失控过程中的火焰进行拍摄，获取即时的火焰图像，并观测火焰传播的速度。
所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：电池(30)置于格栅(8)上面，格栅(8)上还放置有移动滑块(28)和固定块(29)，以保证电池在热失控期间不会发生移动。
所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：可以进行多种滥用形式的电池失控测试，辐射加热盘(7)可以实现电池(30)的辐射加热失控测试，充放电机(4)可进行电池(30)的过充电及过放电性能测试，穿刺机(15)可以进行电池(30)的穿刺实验。
所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：可以采集多种数据，气体采集器(16)可以采集电池失控过程中产生的的、温度传感器(17)用于采集电池(30)及实验箱(6)的温度、光电传感器(18)可以采集电池(30)失控期间火焰的明亮程度、烟雾传感器(19)可以分析电池(30)失控期间的烟雾浓度，所有数据可通过数据传输线(20)，连接至数据采集系统(21)，进行观测与记录。
所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：电池失控产生的气体可以通过耐高温风扇(27)抽出，流经排气管(25)，其中有毒有害物质被收集在吸附器(26)中，残余无害气体排出室外。
所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：可以通过调节纵向移动垫片(32)，改变灭火剂喷射高度，调节横向移动垫片(34)，改变灭火剂喷射角度，通过压力控制阀(3)，改变灭火剂流量，实现更详细的灭火效果分析与优化。
有益效果
本发明的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，与现有技术相比限定了样品电池在热失控过程中的位移，能够对不同电池状态，不同环境温度以及不同滥用条件下的热失控行为进行分析，并可以观测火焰的发展规律，此外还可进行不同灭火剂布置方案的实验测试，具有安全可靠，实验形式多样，数据采集完整等特点。
附图说明
图1为本发明一种锂离子电池失火-灭火实验装置的结构示意图。
图2为本发明中调节灭火剂喷头的装置示意图。
图中：1-灭火剂罐、2-灭火剂输运软管、3-压力控制阀、4-充放电机、5-充放电线、6-实验箱、7-辐射加热盘、8-格栅、9-滚轮、10-液压储藏箱、11-液压挺柱、12-液压控制箱、13-顶盖、14-密封片、15-穿刺机、16-气体采集器、17-温度传感器、18-光电传感器、19-烟雾传感器、20-数据传输线、21-数据采集系统、22-玻璃视窗、23-高速摄像机、24-纹影灯、25-排气管、26-吸附器、27-耐高温风扇、28-移动滑块、29-固定块、30-电池、31-固定杆、32-纵向移动垫片、33-纵向移动杆、34-横向移动垫片、35-灭火剂输运硬管、36-灭火剂喷头
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：
如图1所示，该锂离子电池失火-灭火实验装置，包括实验箱(6)，实验箱(6)为长方体结构，内腔尺寸为0.6m×0.6m×0.5m，采用厚度为10mm的不锈钢板搭建而成，中间使用20mm的石棉层作为保温层，可耐受1000℃的高温，并削弱了气体对箱体的压力冲击，整个实验箱(6)底部还设有滚轮(9)，方便移动。在实验箱(6)后侧设有液压储藏箱(10)及液压挺柱(11)，通过液压控制箱(12)可以实现重量较大的顶盖(13)的升降，实验箱(6)与顶盖(13)之间通过密封片(14)实现密封。
在实验箱(6)底部设有格栅(8)，电池(30)置于格栅(8)上面，格栅(8)上还放置有移动滑块(28)和固定块(29)，实验中将移动滑块(28)夹紧电池(30)并固定，以保证电池在发生失控期间不会移动。格栅(8)下设有辐射加热盘(7)用于加热实验样品，加热盘(7)上方设有格栅(8)放置电池(8)以避免与加热盘(7)直接接触，可以实现电池的加热实验及不同环境温度的测试。在实验箱(6)的左侧设置有充放电机(4)，通过充放电线(5)连接至电池(30)，以进行过充电以及过放电的滥用实验。在实验箱(6)的右侧设置有穿刺机(15)，进行电池(30)的穿刺测试。
实验箱(6)的前后面安装有两块玻璃视窗(22)，并且实验箱(6)的前后分别设置有高速摄像机(23)和纹影灯(24)，用于拍摄电池失控及灭火过程中的火焰传播过程。实验箱(6)上分别设置有温度传感器(17)、光电传感器(18)和烟雾传感器(19)，监控箱体内的温度和电池的温度、火焰亮度以及烟雾浓度，并通过数据传输线(20)连接到数据采集系统(21)，以便实时监控并记录各个传感器的数据。在实验箱(6)右侧设置有气体采集器(16)，用于采集实验中电池失控产生的气体。电池失控产生的气体可以通过耐高温风扇(27)抽出，流经排气管路(25)，其中有毒有害物质被收集在吸附器(26)中，残余无害气体排出室外。实验箱(6)的顶部设有排气管(25)，电池失控产生气体时，耐高温风扇(27)启动，驱动气体的流动，流经排气管(25)，其中有毒有害物质被收集在吸附器(26)中，残余无害气体排出室外。
实验箱(6)右侧的灭火剂罐(1)中储存有灭火剂，通过灭火剂输运软管(2)连接至实验箱(6)内的灭火剂输运硬管(35)上，固定杆(31)安装在实验箱(6)底部，以便将灭火剂硬管(35)悬于电池(30)上方，调节纵向移动垫片(32)，可以改变灭火剂输运硬管(35)高度，调节横向移动垫片(34)，可改变灭火剂喷头(36)的角度，通过压力控制阀(3)可调节灭火剂输运流量，从而实现对灭火剂在不同喷射高度，角度以及流量的条件下对电池火灾影响的研究。
当进行锂离子电池的着火实验时，按照如下步骤操作：
(1)检查整个装置的各个部件密封情况以及各线路连接状态，测试数据采集系统，确保数据采集的准确性；
(2)移动格栅上的移动滑块，将电池固定并夹紧在格栅上，接入充放电机的电流线及电压线，将电池充电至实验所需要的荷电状态；
(3)根据实验要求，若进行过充电及过放电测试，则接入充放电机的电流线及电压线，若进行加热实验或穿刺实验，则仅需接入电压线，安装完毕后，使用液压装置下降缸盖，并通过螺栓将缸盖与实验箱锁紧，密封；
(4)根据实验需求，设置相应的控制程序，进行实验，实验中高速摄像机持续拍摄，其他数据传感器连续工作，在数据采集系统中观测并记录；
(5)实验结束后，关闭数据采集系统，启动排烟系统，待箱体温度及电池温度降为室温后，清理实验箱并整理实验数据。
当进行锂离子电池的灭火实验时，按照如下步骤操作：
(1)检查整个装置的各个部件密封情况以及各线路连接状态，测试数据采集系统，确保数据采集的准确性；
(2)移动格栅上的移动滑块，将电池固定并夹紧在格栅上，接入充放电机的电流线及电压线，将电池充电至实验所需要的荷电状态；
(3)根据实验要求，若采用过充电及过放电的方式触发电池热失控，则接入充放电机的电流线及电压线，若采用加热或穿刺触发电池热失控，则仅需接入电压线，随后根据实验要求调节灭火剂喷头的位置、角度及流量，所有设备安装完毕后，使用液压装置下降缸盖，并通过螺栓将缸盖与实验箱锁紧，密封；
(4)根据实验需求，设置相应的控制程序，进行实验，实验中高速摄像机持续拍摄，其他数据传感器连续工作，在数据采集系统中观测并记录，当电池发生起火现象时，开启灭火系统，当电池温度下降至80℃后，关闭灭火系统，并记录灭火剂喷射时间；
(5)实验结束后，关闭数据采集系统，启动排烟系统，待箱体温度及电池温度降为室温后，清理实验箱并整理实验数据。
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效物界定。

Claims (5)

1.一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：包括实验箱(6)，实验箱(6)的前后设置有玻璃视窗(22)，实验箱(6)顶部安装有排气管(25)及耐高温风扇(27)，
前后设置的玻璃视窗(22)，高速摄像机(23)和纹影灯(24)能对电池(30)失控过程中的火焰进行拍摄，获取即时的火焰图像，并观测火焰传播的速度；
电池失控产生的气体能通过耐高温风扇(27)抽出，流经排气管(25)，其中有毒有害物质被收集在吸附器(26)中，残余无害气体排出室外；
实验箱(6)右侧的灭火剂罐(1)中储存有灭火剂，通过灭火剂输运软管(2)连接至实验箱(6)内的灭火剂输运硬管(35)上，固定杆(31)安装在实验箱(6)底部，以便将灭火剂硬管(35)悬于电池(30)上方，通过调节纵向移动垫片(32)，改变灭火剂喷射高度，调节横向移动垫片(34)，改变灭火剂喷射角度，通过压力控制阀(3)，改变灭火剂流量，实现更详细的灭火效果分析与优化；
电池(30)置于格栅(8)上面，格栅(8)下设有辐射加热盘(7)用于加热实验样品，加热盘(7)上方设有格栅(8)放置电池，以避免与加热盘(7)直接接触，实现电池的加热实验及不同环境温度的测试。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：在实验箱(6)底部设有格栅(8)，电池(30)置于格栅(8)上面，格栅(8)上还放置有移动滑块(28)和固定块(29)，以保证电池在热失控期间不会发生移动。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：在实验箱(6)的一侧设置有充放电机(4)，通过充放电线(5)连接至电池(30)，以进行过充电以及过放电的实验。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：在实验箱(6)的一侧设置有穿刺机(15)，进行电池(30)的穿刺测试。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池失火-灭火实验装置，其特征在于：气体采集器(16)采集电池失控过程中产生的的、温度传感器(17)用于采集电池(30)及实验箱(6)的温度、光电传感器(18)采集电池(30)失控期间火焰的明亮程度、烟雾传感器(19)分析电池(30)失控期间的烟雾浓度，所有数据通过数据传输线(20)，连接至数据采集系统(21)，进行观测与记录。
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