前言

鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣存在多種可燃?xì)?/span>體，易導(dǎo)致燃燒或爆炸事故。為減輕電池產(chǎn)氣燃爆帶來的破壞效應(yīng)，電池包或系統(tǒng)上需配備泄放裝置，并保證其在規(guī)定壓力下打開。氣體燃燒速率是進(jìn)行燃爆泄放設(shè)計(jì)所需的重要參數(shù)，“UL 9540A-2019評(píng)價(jià)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中熱失控火焰?zhèn)鞑サ陌踩囼?yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定電池產(chǎn)氣氣體燃燒速率測(cè)試納入電芯級(jí)安全測(cè)試范疇。

本次實(shí)驗(yàn)通過人工配氣模擬某款儲(chǔ)能電芯熱失控所產(chǎn)生的可燃混合氣體，并使用仰儀科技FPV-400A氣體燃燒速率測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混合氣濃度為24.20Vol%時(shí)，氣體燃燒速率達(dá)到最大值56.04cm/s。

實(shí)驗(yàn)部分

1. 樣品準(zhǔn)備

   待測(cè)混合氣樣品：主要成分為CO?、CO、H?、CH?、C?H?和C?H?，依據(jù)某磷酸鐵鋰電芯熱失控產(chǎn)氣的氣相色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行配制。

2. 實(shí)驗(yàn)條件

   實(shí)驗(yàn)儀器：仰儀科技FPV-400A氣體燃燒速率測(cè)試儀

   反應(yīng)管內(nèi)徑：40mm

   膨脹罐壓力：500kPa

   攪拌轉(zhuǎn)速：300r/min

   點(diǎn)火時(shí)長：0.30s

   點(diǎn)火能量：15kV，30mA

   曝光時(shí)長：12.00ms

   

   圖1 FPV-400A氣體燃燒速率測(cè)試儀

3. 測(cè)試方法

本方案參照UL9540A-2019所引用的“ISO 817-2014 制冷劑——命名和安全分類”標(biāo)準(zhǔn)方法?；緶y(cè)試原理為：點(diǎn)燃待測(cè)可燃?xì)怏w與底部點(diǎn)火端開放的垂直細(xì)長管內(nèi)的空氣所形成的均質(zhì)混合物，引發(fā)火焰向上部封閉端進(jìn)行傳播（如圖2所示）。在火焰穩(wěn)定傳播階段，攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄火焰狀態(tài)，通過圖像處理算法提取火焰形態(tài)，計(jì)算火焰冠表面積和火焰燃燒速度。

圖2 火焰在垂直管中的傳播示意圖

值得注意的是，反應(yīng)管內(nèi)徑的選取綜合考慮了火焰在壁面的淬滅效應(yīng)以及火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性。內(nèi)徑越大，火焰越不容易被淬滅，但同時(shí)火焰形態(tài)穩(wěn)定性下降。ISO 817-2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的反應(yīng)管內(nèi)徑（40mm）主要針對(duì)氣體燃燒速率相對(duì)較低的（通常<40cm/s）制冷劑測(cè)試。該方法對(duì)于電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣測(cè)試并不完全適用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過改變可燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行實(shí)驗(yàn)（通常從爆炸上、下限逐步逼近化學(xué)當(dāng)量濃度），可擬合得到氣體燃燒速率與濃度關(guān)系曲線，曲線頂點(diǎn)即為最大氣體燃燒速率，該值通常出現(xiàn)在當(dāng)量濃度附近。

不同濃度下混合氣點(diǎn)燃后的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)與實(shí)時(shí)處理圖像如圖3所示。

圖3 不同濃度下電池產(chǎn)氣火焰?zhèn)鞑ミ^程動(dòng)態(tài)分析

混合氣燃燒速率與濃度擬合曲線如圖4所示。當(dāng)氣體燃燒速率>40cm/s時(shí)，火焰穩(wěn)定傳播時(shí)間很短，難以進(jìn)行計(jì)算分析，因此無法準(zhǔn)確得到當(dāng)量濃度附近的測(cè)試結(jié)果。通過擬合曲線推算，當(dāng)混合氣濃度為24.20%時(shí)，最大氣體燃燒速率為56.04cm/s。

圖4 混合氣燃燒速率與濃度擬合曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文基于UL9540A-2019測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定得到了鋰電池單體熱失控產(chǎn)氣的氣體燃燒速率，相關(guān)數(shù)據(jù)可用于熱失控產(chǎn)氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及電池系統(tǒng)泄放設(shè)計(jì)。

參考資料

[1]氣體燃爆泄放過程中燃燒速率的評(píng)價(jià)，《化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)》Jun. 2005, Vol.26 No3, 吳冬輝，王淑蘭等。