CN111494842A - 一种锂离子电池火灾特性测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池火灾特性测试装置，包括实验箱，固定装置，加热装置，灭火装置和测控装置，固定装置设置在实验箱内，用于限定锂电池发生燃爆炸时的飞溅；实验箱内安装有加热装置，用于产生均匀稳定的辐射热流；实验箱与灭火装置相连，灭火装置是火探管灭火装置；加热装置和灭火装置均与测控装置相连。本发明采用的固定装置实现了数据实时测量，提供了测量精度，加热装置能够实际模拟环境温度变化，提高了实验准确性，灭火装置提高了灭火可靠性。本发明不仅可开展不同环境温度、荷电状态、间距锂电池热失控过程和锂电池间的火蔓延规律研究，还能评估灭火剂的灭火有效性，实验结果对锂电池火灾防控技术的研制意义重大。

Description

一种锂离子电池火灾特性测试装置
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火灾特性测试装置。
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，对锂离子电池仓库来说,一旦锂离子电池发生火灾，锂离子电池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、间距和荷电状态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。
目前锂离子电池火灾特性测试装置大多是通过铁丝缠绕或者螺丝方式固定锂电池，如发明专利《一种自带自动报警及灭火装置的锂离子电池消防试验柜》将锂电池用铁丝缠绕的方式固定在网格上，锂电池爆炸时会产生大约3MPa的压力，这个压力不但会使锂电池飞溅出去，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，因此如何控制锂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；此外，目前热滥用条件下，大多采用电加热丝、加热棒、加热板等加热方式，热源稳定性差，不均匀，而且基本上都是直接接触加热，与符合实际仓库锂电池火灾场景(辐射引燃)差距较大；对于锂电池灭火装置现有研究基本上均采用单一的启动方式，无法保证灭火的及时性和有效性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷，提供一种锂离子电池火灾特性测试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：
一种锂离子电池火灾特性测试装置，包括实验箱，实验箱外顶部安装有灭火装置、排烟装置，实验箱的前部设有拉门，拉门上设有观察窗，实验箱的底部设有支撑杆和万向轮，实验箱内顶部安装有加热装置，加热装置和灭火装置均与测控装置相连。实验箱内底部放置有电子天平，电子天平上放置有防火板，防火板上放置有固定装置。
所述的固定装置包括底座，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，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。
所述的灭火装置包括灭火瓶，瓶头阀，火探管，灭火管路和喷头，实验箱的顶部设有灭火管路入口，实验箱内安装有喷头，火探管通过实验箱侧部入口进入实验箱，灭火瓶放置在实验箱外，灭火瓶上安装有瓶头阀，灭火瓶通过瓶头阀与灭火管路和火探管相连，灭火管路另一端穿过灭火管路入口安装在喷头上，瓶头阀与测控装置的信号处理器输出端相连。
所述的灭火装置设置有双重启动方式，火探管集温度探测和喷放设备为一体，当火探管探测到温度超过预设阈值时，火探管软化并爆破，灭火瓶内的灭火剂由火探管爆破孔喷出灭火；灭火瓶内的灭火剂在其内高压气体的驱动下由火探管爆破孔喷出灭火；当CO探测器探测到的气体浓度值超过预设阈值时，信号处理器启动瓶头阀，灭火剂通过喷头喷出灭火。
所述的加热装置，包括辐射源固定板、平板红外辐射源和连接杆，平板红外辐射源安装在辐射源固定板下方，通过连接杆固定在实验箱的顶部。平板红外辐射源与测控装置的信号处理器输入端相连。
所述的测控装置包括温度传感器、压力传感器、气体分析仪、电子天平、CO探测器和信号处理器，CO探测器与信号处理器输入端相连。
所述的排烟系统包括排烟管道，实验箱的顶部设有排气孔，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。
有益效果
本发明的一种锂离子电池火灾特性测试装置，与现有技术相比通过固定装置限定锂电池燃爆情况下的位移，实现了数据实时测量，提供了测量精度；通过加热装置提供稳定均匀的热源，能够模拟实际锂电池火灾场景，提高了实验准确性；通过灭火装置双重启动方式，不但实现了及时有效的灭火，提高了灭火可靠性，而且还能根据启动方式来区分锂电池热失控表观初期征兆，为锂电池火灾探测器的选型提供依据。此外，装置具有结构简单、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为本发明中固定装置的结构示意图；
图3为本发明中实验箱的内部结构示意图；
其中，1-实验箱、2-固定装置、3-加热装置、4-灭火装置、5-排烟装置、6-测控装置、7-电池、11-拉门、12-观察窗、13-支撑杆、14-万向轮、15-火探管入口、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、28-螺纹杆、31-辐射源固定板、32-平板红外辐射源、33-连接杆、34-防火板、41-喷头、42-灭火管路、43-灭火瓶、44-瓶头阀、45-火探管、51-排烟管道、52-防爆风机、61-热电偶、62-压力传感器、63-气体分析仪、64-电子天平、65-CO探测器、66-信号处理器。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所述的一种锂离子电池火灾特性测试装置，包括实验箱1，实验箱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，实验箱1底部设有用于支撑实验箱1的四个支撑杆13和万向轮14，能够方便实验箱1任意位置的移动。实验箱1的前部安装有拉门11，拉门11通过铰链安装在实验箱1上，实验箱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。
实验箱1的顶部安装有灭火装置4和排烟系统5，灭火装置4用于测试不同灭火剂对锂离子电池火灾的灭火效果，排烟装置5用于实验后的排烟。灭火装置4包括灭火瓶43，瓶头阀44，火探管45，灭火管路42和喷头41。灭火剂可以为七氟丙烷或CO2等灭火剂。实验箱1的顶部设有灭火管路入口18，实验箱1内安装有喷头41，火探管45通过实验箱1侧部入口15进入实验箱1，灭火瓶43放置在实验箱1外，灭火瓶43上安装有瓶头阀44，灭火瓶43通过瓶头阀44与灭火管路42和火探管45相连，灭火管路42另一端穿过灭火管路入口18安装在喷头41上，参见图3，瓶头阀44与测控装置6的信号处理器66输出端相连。灭火装置4包括双重启动方式，实验时，火探管45利用铁丝固定在锂电池表面，锂电池发生热失控，其初期征兆主要是表面温度的升高和气体的释放，火探管45集温度探测和喷放设备为一体，当火探管45探测到温度超过预设阈值时，火探管45软化并爆破，灭火瓶43内的灭火剂在其内高压气体的驱动下由火探管45爆破孔喷出灭火；CO探测器65安装在实验箱1的内顶部，当CO探测器65探测到的气体浓度值超过预设阈值时，信号处理器66启动瓶头阀44，灭火剂通过喷头41喷出灭火。
排烟装置5包括排烟管道51，实验箱1的顶部设有排气孔16，排气孔16主要用于实验时排烟和锂电池燃爆时压力的泄放,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，排出实验产生的有毒气体和烟气。
如图2-3所示，固定装置2包括底座21，固定装置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28。固定夹26放置在内槽24上，螺纹杆28穿过内槽24，螺纹杆28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。
如图3所示，测控装置6按现有技术的布置结构，包括热电偶61、压力传感器62、气体分析仪63、电子天平64、CO探测器65和信号处理器66，其中热电偶61包括一根第一热电偶树、电池7上表面中心位置和极耳位置分别布置的第一热电偶、第二热电偶以及平板红外辐射源32表面布置的一支第三热电偶，其中一根第一热电偶树(包括5支热电偶)布置在电池7的正上方，第一热电偶树距离电池7表面的距离从上而下依次为1cm、6cm、11cm、16cm、26m，用于测量电池7热失控喷射火的火焰温度，电池7上表面中心位置和极耳位置布置的两支热电偶，即第一热电偶、第二热电偶分别测量电池7的表面温度，平板红外辐射源32表面布置的1支第三热电偶用于测量平板红外辐射源32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℃；压力传感器62探头布置在电池7正上方1cm处，测试电池7热失控或爆炸产生的压力变化；气体分析仪63布置在电池7正上方1cm处，用于测试氧气、二氧化碳、一氧化碳和二氧化硫等气体浓度变化；电子天平64用于测量实验过程中电池7的质量变化，布置在固定装置2的正下方，通过防火板34与固定装置2隔离，防止高温对电子天平64的损坏。
如图3所示，加热装置3，包括辐射源固定板31、平板红外辐射源32和连接杆33，平板红外辐射源32安装在辐射源固定板31下方，通过连接杆33固定在实验箱1的顶部。控制器在实验箱1外，通过耐高温电线连接平板红外辐射源32和控制器。实验时可使用无线插座对控制器进行远程控制，控制器调节平板红外辐射源32输出功率，进而调节温度，平板红外辐射源32表面温度能达到500℃。
使用锂离子电池火灾特性测试装置进行火灾实验时，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装置中，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，同时启动测控装置，分别采集温度、气体浓度、压力和质量损失；
(4)锂离子电池一旦燃烧，立即切断辐射板控制器，等待火焰熄灭后，关闭测控装置，打开顶盖启动排烟装置，整理设备和实验数据。
当测试灭火剂对锂离子电池火灾的灭火效果时，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装置中，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，同时启动测控装置，分别采集温度、气体浓度、压力和量损失；
(4)锂离子电池一旦热失控，立即切断热源，观察灭火装置启动情况，等待火焰熄灭后，关闭测控装置，打开顶盖启动排烟装置，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 (6)

1.一种锂离子电池火灾特性测试装置，其特征在于：
包括实验箱(1)，实验箱(1)外顶部安装有灭火装置(4)、排烟装置(5)，实验箱(1)的前部设有拉门(11)，拉门(11)上设有观察窗(12)，实验箱(1)的底部设有支撑杆(13)和万向轮(14)，实验箱(1)内顶部安装有加热装置(3)，加热装置(3)和灭火装置(4)均与测控装置(6)相连；实验箱(1)内底部放置有电子天平(64)，电子天平(64)上放置有防火板(34)，防火板(34)上放置有固定装置(2)；所述的固定装置(2)包括底座(21)，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，固定夹(26)的底部安装有螺纹杆(28)，固定夹(26)放置在内槽(24)上，螺纹杆(28)穿过内槽(24)，螺纹杆(28)上位于内槽(24)下方安装有螺母(25)。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池火灾特性测试装置，其特征在于：
所述的灭火装置(4)包括灭火瓶(43)，瓶头阀(44)，火探管(45)，灭火管路(42)和喷头(41)，实验箱(1)的顶部设有灭火管路入口(18)，实验箱(1)内安装有喷头(41)，火探管(45)通过实验箱(1)侧部入口(15)进入实验箱(1)，灭火瓶(43)放置在实验箱(1)外，灭火瓶(43)上安装有瓶头阀(44)，灭火瓶(43)通过瓶头阀(44)与灭火管路(42)和火探管(46)相连，灭火管路(42)另一端穿过灭火管路入口(18)安装在喷头(41)上，瓶头阀(44)与测控装置(6)的信号处理器(66)输出端相连。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池火灾特性测试装置，其特征在于：
所述的灭火装置(4)设置有双重启动方式，火探管(45)集温度探测和喷放设备为一体，当火探管(45)探测到温度超过预设阈值时，火探管(45)软化并爆破，灭火瓶(43)内的灭火剂由火探管(45)爆破孔喷出灭火；当CO探测器(63)探测到的气体浓度值超过预设阈值时，信号处理器(66)启动瓶头阀(44)，灭火剂通过喷头(41)喷出灭火。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池火灾特性测试装置，其特征在于：
所述的加热装置(3)，包括辐射源固定板(31)、平板红外辐射源(32)和连接杆(33)，平板红外辐射源(32)安装在辐射源固定板(31)下方，通过连接杆(33)固定在实验箱(1)的顶部；平板红外辐射源(32)与测控装置(6)的信号处理器(66)输入端相连。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池火灾特性测试装置，其特征在于：
所述的测控装置(6)包括热电偶(61)、压力传感器(62)、气体分析仪(63)、电子天平(64),CO探测器(65)和信号处理器(66)，其中，CO探测器(65)与信号处理器(66)输入端相连。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池火灾特性测试装置，其特征在于：
所述的排烟系统(5)包括排烟管道(51)，实验箱(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)。
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