CN111076774A - 一种机载动力电池动压变温实验舱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载动力电池动压变温实验舱，包括：内部实验舱，用于提供供机载锂电池燃烧的空间，其上方设有气液灭火口；外部温控舱，套设在实验舱上，压力控制系统，设置在内部实验舱上，以对内部实验舱的内部压力进行控制；温度控制系统，设置于外部温控舱上。本发明的机载动力电池动压变温实验舱，通过外部温控舱的设置，便可实现改变内部实验舱所处环境的效果，能够更好的提供锂电池在不同温度、压力和气氛下的实验研究。

Description

一种机载动力电池动压变温实验舱

技术领域

本发明涉及一种实验舱，更具体的说是涉及一种机载动力电池动压变温实验舱。

背景技术

当前，国内外仍然在广泛使用传统的机载哈龙(Halo)灭火剂存在易复燃和破坏臭氧层等缺点。国际民航组织(ICAO)正在积极推动各国淘汰哈龙灭火剂，采用其替代灭火剂。现有的几种主要哈龙替代灭火剂分别是2-BTP、七氟丙烷(HFC)、Novec1230、细水雾等灭火剂。

在国内，至今还没有专门设计研制针对以上几种新型灭火剂灭锂电池火的实验设备。大多数锂电池灭火研究的实验设备都只是简单地将灭火剂的管路及喷头安装入灭火柜中，进行灭火剂的释放。设备密封性较差，不能够实现环境压力和环境温度的调节，功能单一。更没有搭载精准的探测控制装置，且现有的实验平台各装置之间的整合兼容程度不高，不能实现实时精确地获取实验数据。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种机载动力电池动压变温实验舱，主要为满足锂电池在不同温度、压力和气氛下的热失效及灭火实验研究。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种机载动力电池动压变温实验舱，包括：

内部实验舱，用于提供供机载锂电池燃烧的空间，其上方设有气液灭火口，以连接外部灭火剂产生设备，向内部实验舱喷射灭火剂；

外部温控舱，套设在实验舱上，以将实验舱包裹在内，以控制实验舱的外部温度；

压力控制系统，设置在内部实验舱上，以对内部实验舱的内部压力进行控制；温度控制系统，设置于外部温控舱上，以控制外部温控舱内部的温度，进而调整内部实验舱所处的温度环境。

作为本发明的进一步改进，所述内部实验舱包括大舱和小舱，所述大舱和小舱均为正圆球体，该大舱的舱门位于舱体前端，左向旋开，小舱的舱门位于舱体上部，右向旋开，其中，大舱的舱门和小舱的舱门均通过铰链与舱体连接，并且在舱门关闭后采用整圈螺栓并紧，所述大舱和小舱的舱体前端均装有一个圆形观察窗。

作为本发明的进一步改进，所述压力控制系统包括抽气系统和进气系统，所述抽气系统和进气系统共用一套通气管路与内部实验舱连接，并通过两个电磁阀进行服用切换。

作为本发明的进一步改进，所述进气系统包括氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶，所述氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶相互之间汇成一路总管后与通气管路连接，其中，氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶分别通过质量流量控制器与总管连接，以通过质量流量控制器实现调配输入到内部实验舱内的气体成分比例。

作为本发明的进一步改进，所述温度控制系统包括加热器和制冷机组，所述外部温控舱内壁夹层有保温层。

作为本发明的进一步改进，所述大舱和小舱的舱门相对于螺栓的位置上一一对应的设有压紧框，所述压紧框包括固定框架和活动框架，所述固定框架和活动框架均呈L型，所述固定框架的一端固定在舱门上，所述活动框架的一端固定在舱体上，所述活动框架相对舱体的另一端固定齿条，所述固定框架中部的位置上可旋转设有齿轮，所述齿轮与固定齿条相互啮合，所述齿轮的一端上同轴固定有棘轮，所述固定框架靠近棘轮的位置上设有可旋转的棘杆，所述棘杆活动一端可嵌入到棘轮的棘齿内，以对棘轮进行定位，所述棘杆的中部固定有拨动杆，所述拨动杆从固定框架内穿出。

作为本发明的进一步改进，实验舱的具体使用步骤如下：

步骤一，启动实验舱电源，登陆实验舱的操作系统界面；

步骤二，布置锂电池实验装置:按照实验方案将锂电池模组、电加热装置和热电偶布置在内部实验舱内，紧固内部实验舱，使其密封；

步骤三，对外部温控舱内部进行变温；

步骤四，通过压力控制系统对内部实验舱进行降压；

步骤五，再通过压力控制系统对内部实验舱进行升压；

步骤六，待内部实验舱内部压力稳定后，接通电源，开始对内部实验舱内的锂电池进行加热实验；

步骤七，在实验完成以后，对内部实验舱进行泄压。

本发明的有益效果：

(1)可实现内部气体环境的调控，及环境中不同气体成分的比例调整，完成锂电池及其他类型样本不同实验工况的燃烧爆炸实验；

(2)可实现不同气体环境下无氧、低氧、氩气、哈龙灭火剂气体、七氟丙烷灭火剂气体锂电池失效实验，并对释放气体成份做到实时监测分析；

(3)可实现+40℃到-60℃范围内的温度控制，调温时间应控制在120min之内，温度精度(稳定度)优于±3℃。

(4)可实现温度、压力、烟密度、烟气成份等多种参数数据的实时采集。

附图说明

图1为本发明的机载动力电池动压变温实验舱的原理图；

图2为内部实验舱和外部温控舱的原理图；

图3为本发明的机载动力电池动压变温实验舱的结构示意图；

图4为压紧框的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

参照图1至4所示，本实施例的一种机载动力电池动压变温实验舱，包括：

内部实验舱1，用于提供供机载锂电池燃烧的空间，其上方设有气液灭火口11，以连接外部灭火剂产生设备，向内部实验舱1喷射灭火剂；

外部温控舱2，套设在实验舱1上，以将实验舱1包裹在内，以控制实验舱1的外部温度；

压力控制系统3，设置在内部实验舱1上，以对内部实验舱1的内部压力进行控制；

温度控制系统4，设置于外部温控舱2上，以控制外部温控舱2内部的温度，进而调整内部实验舱1所处的温度环境，通过内部实验舱1和外部温控舱2的组合作用，便可实现构成一个改变锂电池实验时的外部环境的效果，可满足锂电池在不同温度、压力和气氛下的热失效及灭火实验研究。

作为改进的一种具体实施方式，所述内部实验舱1包括大舱12和小舱13，所述大舱12和小舱13均为正圆球体，该大舱12的舱门位于舱体前端，左向旋开，小舱13的舱门位于舱体上部，右向旋开，其中，大舱12的舱门和小舱13的舱门均通过铰链与舱体连接，并且在舱门关闭后采用整圈螺栓并紧，所述大舱12和小舱13的舱体前端均装有一个圆形观察窗，大舱12内部直径600mm，有效容积约100L；小舱13内部直径350mm，有效容积约20L，舱体整体采用304不锈钢金属材质焊接而成，整体耐压强度按正压2MPa设计，大舱体采用壁厚6mm的球形封头，小舱体采用壁厚4mm的球形封头，焊接不锈钢法兰，与舱门密封连接，球形封头具有耐压强度高，受力均匀等特点。大舱12舱门位于舱体前端，左向旋开，舱门洞直径约400mm，按方便实验物品、检测仪器布置为宜，舱门法兰处采用大尺寸O型圈进行密封，结构工艺成熟，安装使用方便。小舱13舱门位于舱体上部，右向旋开，舱门洞直径约350mm。舱门与舱体通过铰链连接，舱门关闭后采用整圈螺栓并紧，以承受2MPa的正压不泄露。舱体前端装有一个圆形观察窗，采用透明防爆高强度玻璃，可用于实时观察及监控内部整个实验过程，观察窗尺寸按大舱DN50和小舱DN20设计。舱体上设计各种实验接入口，检测预留口。

作为改进的一种具体实施方式，所述压力控制系统3包括抽气系统31和进气系统32，所述抽气系统31和进气系统32共用一套通气管路与内部实验舱1连接，并通过两个电磁阀进行服用切换，所述进气系统32包括氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶，所述氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶相互之间汇成一路总管后与通气管路连接，其中，氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶分别通过质量流量控制器与总管连接，以通过质量流量控制器实现调配输入到内部实验舱1内的气体成分比例，进气控制存在四类气源，包括氧气、氮气、氩气、空气，四路进气需要单独控制可调节，以一定比例通入舱内，通过进气管与出气管的配合可实现对舱体内部环境气体成分的改变及各种气体成分比例的精确调配控制，以满足不同实验所需的气体环境，同时调节并维持舱内气压，气体的进气方式和控制方式以及控制精度是设计的重点，进气系统考虑采用气瓶压入的方式，氧气、氮气、氩气分别按照所需比例采用气瓶正压强制进气，分别用质量流量控制器调节控制流量，空气采用压缩空气强制通入，同时采用质量流量控制器调节控制流量。四路进气单独控制后汇成一路总管，从舱体底部通入。进气流量匹配舱体容积进行选型，因大舱12容积100L，小舱13容积20L，权衡充气时间和控制精度，选择20LPM的流量计较为合理，大舱体从真空充气至200kPa需时约10min。考虑舱内气体环境可能是上述任意一种单质气体或气体混合物，所以氧气、氮气、氩气、空气的进气流量控制器均应选择20LPM，进气压力≥3个大气压，其中抽气系统31具体设置为抽气管道从舱体后部引出，与进气管道共用舱体接口，通过电动三通阀门进行管道切换，抽气管道选择电磁阀作为控制通断。电磁阀通断迅速，对于调节舱内压力有利。在抽负压时，可以在达到目标压力时迅速断开抽气泵和舱体，使压力稳定在目标压力附近。同时由于真空泵为油泵，需在泵吸气口安装一真空放气阀以在断电瞬间隔绝真空泵与舱室，防止泵返油入舱内。抽气管道上布置安全泄压阀，压力计，气体采集口抽气系统采用旋片式真空泵，旋片式真空泵是真空技术中最基本的真空获得设备之一，体积小、重量轻、噪音低，是油封式机械真空泵，其工作压强范围为常压到100Pa。考虑实验过程中可能会产生多种气体混合物和烟尘颗粒等物质，在泵的前端增加烟气过滤装置，以减少对泵的损害。泵在静态抽空，阀门全开下，初期压降速率较快，后期逐渐缓慢，根据泵的抽速公式进行计算。

泵抽速计算：

S---泵的计算抽速m³/min

V---腔室有效容积m³

T---从初始压力到最终压力抽空时间min

P1---腔室初始压力Pa

P2---腔室最终压力Pa

大舱体积按0.12m3计算，设计5min内将舱内压力抽至100pa。计算得到抽速为9.95m3/h。

作为改进的一种具体实施方式，所述温度控制系统4包括加热器41和制冷机组42，所述外部温控舱2内壁夹层有保温层，制冷机组42通过所需制冷温度和变温速率要求，选用风冷式低温复叠制冷机组，压缩机选用比泽尔压缩机，蒸发温度-70℃，冷凝温度50℃，制冷量>3kw。采用配套的蒸发器和风机，安装在温控舱内。循环冷风温控舱内部循环，透过实验舱壁传热到实验舱内，完成制冷，制冷量计算如下：

外舱容积2.6m³，从室温20℃降温至-60℃，时间2h。

(1)舱内气体热容+进气气量热容

舱内气体热容

Q1＝Cm△t＝1005×2.6×1.25×80＝0.26x106 J

舱内进气，按20L/min计算

q1＝1005×20/60000×1.25×80＝33.5w

(2)舱内物体的热容变化内部实验舱按200kg

材质按不锈钢估算

Q2＝Cm△t＝500×200×80＝8x106 J

(3)壁面传热

按舱内温度达到-60℃时进行估算，此时壁面传热量达到最大。

箱体表面积约为15m2；

K＝1/(1/Aw+δ/λ+1/An)W/(m²·℃)

K＝1/(1/15+0.1/0.08+1/15)

K＝1/1.38

K＝0.72W/(m²·℃)

围护板传热：q2＝K×S×△t＝0.72×15×80＝864W其中，K---箱体保温层传热系数W/(m²·℃)

S---箱体表面积，单位：m2

An，Aw---内、外表面热交换系数，15W/(m²·℃)

Δ---管壁厚度，m

Λ---管壁导热系数，W/(m·℃)

△t---保温层内外表面温差按室温+20℃，舱内最低温度-60℃，单位：℃

总上所述，总的制冷量为：q＝(Q1+Q2)/2*3600+q1+q2＝2.1kw；

而舱体需要升温到40℃，采用电阻丝加热装置实现，同时制冷机组只能通过启停的方式对舱内温度进行调节，很难维持在一个稳定的温度值，为了满足温度控制精度，也需要采用加热系统与制冷相匹配，使温度能够稳定在设定值。加热功率根据实际选择制冷机组相对应制冷功率来计算确定。

作为改进的一种具体实施方式，所述大舱12和小舱13的舱门相对于螺栓的位置上一一对应的设有压紧框5，所述压紧框5包括固定框架51和活动框架52，所述固定框架51和活动框架52均呈L型，所述固定框架51的一端固定在舱门上，所述活动框架52的一端固定在舱体上，所述活动框架52相对舱体的另一端固定齿条521，所述固定框架51中部的位置上可旋转设有齿轮511，所述齿轮511与固定齿条521相互啮合，所述齿轮511的一端上同轴固定有棘轮512，所述固定框架51靠近棘轮512的位置上设有可旋转的棘杆513，所述棘杆513活动一端可嵌入到棘轮512的棘齿内，以对棘轮512进行定位，所述棘杆513的中部固定有拨动杆514，所述拨动杆514从固定框架51内穿出，通过压紧框5的设置，便可实现在螺栓紧固舱门和舱体的过程中，先通过压紧框5将舱门和舱体率先压紧，然后再通过旋转螺栓的方式实现对于舱门与舱体紧固，如此相比于现有技术中采用直接旋转螺栓拉紧的方式，可大大的减少因为螺栓旋转的过程中，使得螺栓螺纹与舱门连接片之间的螺纹产生较强摩擦而容易崩坏的问题。

本实施例中的实验舱的具体使用步骤如下：

步骤一，启动实验舱电源，登陆实验舱的操作系统界面；

步骤二，布置锂电池实验装置:按照实验方案将锂电池模组、电加热装置和热电偶布置在内部实验舱1内，紧固内部实验舱1，使其密封；

步骤三，对外部温控舱2内部进行变温；

步骤四，通过压力控制系统3对内部实验舱1进行降压；

步骤五，再通过压力控制系统3对内部实验舱1进行升压；

步骤六，待内部实验舱1内部压力稳定后，接通电源，开始对内部实验舱1内的锂电池进行加热实验；

步骤七，在实验完成以后，对内部实验舱1进行泄压，通过上述步骤便可有效的实现利用本实施例的实验舱进行燃烧实验了，其中为保留球舱内气体介质，加快变温速度，缩短变温时间，因此先进行变温，后变压的方式。

综上所述，本实施例的实验舱，具备以下有益效果：

(1)承压能力强，容器可承受一定程度范围的正压力和负压力，可实现多节锂电池燃爆、释放气体爆炸极限测定等多种复杂类习性实验的测试。最大承受正压力为2MPa，最大承受负压力约为绝对真空环境。

(2)变压范围大，可实现0～200kPa绝对压力变压过程，压力精度(稳定度)优于0.1kPa。

(3)可变环境温度，可模拟+40℃到-60℃范围内的温度，调温时间应控制在120min之内，温度精度(稳定度)优于±3℃。

(4)可变环境气氛，通过进气管与出气管的配合可实现对容器内部环境气体成分的改变及各种气体成分比例的精确调配控制，满足不同实验所需的气体环境。管道进气考虑设计为4个，实现了O2、N2、Ar及空气这四种气体单独或混合的组合。

(5)可测量气体成分，置换空气环境可控制O2、N2、Ar、空气四种气体成分，控制精度优于1％；锂电池产生CO、CO2、CmHn、H2等气体成分，测量精度优于1％。(参考资料：锂电池排放气体成分30.1％CO2；27.6％H2；22.9％CO；6.37％CH4；4.48％C3H6；2.21％C2H4；1.57％C4H10；1.17％C2H6；0.56％C4H8；0.268％C3H8)

(6)具备灭火功能，喷淋灭火口预留1个；气体灭火管道预留1个；并均能实现流量可控。

(7)预留多路线路，预留温度传感器接口(10个)、压力传感器接口(10个)等传感器及设备位置，可完成不同实验参数的实时测量；并设置了一个加热盘线缆接入口；壳体结构预留传感器及电源线接入口4个。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种机载动力电池动压变温实验舱，其特征在于：包括：

内部实验舱（1），用于提供供机载锂电池燃烧的空间，其上方设有气液灭火口（11），以连接外部灭火剂产生设备，向内部实验舱（1）喷射灭火剂；

外部温控舱（2），套设在实验舱（1）上，以将实验舱（1）包裹在内，以控制实验舱（1）的外部温度；

压力控制系统（3），设置在内部实验舱（1）上，以对内部实验舱（1）的内部压力进行控制；

温度控制系统（4），设置于外部温控舱（2）上，以控制外部温控舱（2）内部的温度，进而调整内部实验舱（1）所处的温度环境。

2.根据权利要求1所述的机载动力电池动压变温实验舱，其特征在于：所述内部实验舱（1）包括大舱（12）和小舱（13），所述大舱（12）和小舱（13）均为正圆球体，该大舱（12）的舱门位于舱体前端，左向旋开，小舱（13）的舱门位于舱体上部，右向旋开，其中，大舱（12）的舱门和小舱（13）的舱门均通过铰链与舱体连接，并且在舱门关闭后采用整圈螺栓并紧，所述大舱（12）和小舱（13）的舱体前端均装有一个圆形观察窗。

3.根据权利要求1或2所述的机载动力电池动压变温实验舱，其特征在于：所述压力控制系统（3）包括抽气系统（31）和进气系统（32），所述抽气系统（31）和进气系统（32）共用一套通气管路与内部实验舱（1）连接，并通过两个电磁阀进行服用切换。

4.根据权利要求3所述的机载动力电池动压变温实验舱，其特征在于：所述进气系统（32）包括氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶，所述氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶相互之间汇成一路总管后与通气管路连接，其中，氧气瓶、氮气瓶、氩气瓶和压缩空气瓶分别通过质量流量控制器与总管连接，以通过质量流量控制器实现调配输入到内部实验舱（1）内的气体成分比例。

5.根据权利要求1或2所述的机载动力电池动压变温实验舱，其特征在于：所述温度控制系统（4）包括加热器（41）和制冷机组（42），所述外部温控舱（2）内壁夹层有保温层。

6.根据权利要求2所述的机载动力电池动压变温实验舱，其特征在于：所述大舱（12）和小舱（13）的舱门相对于螺栓的位置上一一对应的设有压紧框（5），所述压紧框（5）包括固定框架（51）和活动框架（52），所述固定框架（51）和活动框架（52）均呈L型，所述固定框架（51）的一端固定在舱门上，所述活动框架（52）的一端固定在舱体上，所述活动框架（52）相对舱体的另一端固定齿条（521），所述固定框架（51）中部的位置上可旋转设有齿轮（511），所述齿轮（511）与固定齿条（521）相互啮合，所述齿轮（511）的一端上同轴固定有棘轮（512），所述固定框架（51）靠近棘轮（512）的位置上设有可旋转的棘杆（513），所述棘杆（513）活动一端可嵌入到棘轮（512）的棘齿内，以对棘轮（512）进行定位，所述棘杆（513）的中部固定有拨动杆（514），所述拨动杆（514）从固定框架（51）内穿出。

7.根据权利要求1或2所述的记载动力电池动压变温实验舱，其特征在于：实验舱的具体使用步骤如下：

步骤一，启动实验舱电源，登陆实验舱的操作系统界面；

步骤二，布置锂电池实验装置: 按照实验方案将锂电池模组、电加热装置和热电偶布置在内部实验舱（1）内，紧固内部实验舱（1），使其密封；

步骤三，对外部温控舱（2）内部进行变温；

步骤四，通过压力控制系统（3）对内部实验舱（1）进行降压；

步骤五，再通过压力控制系统（3）对内部实验舱（1）进行升压；

步骤六，待内部实验舱（1）内部压力稳定后，接通电源，开始对内部实验舱（1）内的锂电池进行加热实验；

步骤七，在实验完成以后，对内部实验舱（1）进行泄压。

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