前言

鋰電池熱失控產(chǎn)氣存在多種可燃氣體，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。氣體燃燒速率是進行燃爆泄放設(shè)計所需的重要參數(shù)，“UL 9540A-2019評價電池儲能系統(tǒng)中熱失控火焰?zhèn)鞑サ陌踩囼灧椒ā睒藴手忻鞔_規(guī)定電池產(chǎn)氣氣體燃燒速率測試納入電芯級安全測試范疇。

本次實驗通過人工配氣模擬某款儲能電芯熱失控所產(chǎn)生的可燃混合氣體，并使用仰儀科技FPV-400A氣體燃燒速率測試儀進行測試。實驗結(jié)果表明，混合氣濃度為24.20Vol%時，氣體燃燒速率達到最大值56.04cm/s。

實驗部分

1. 樣品準備

   待測混合氣樣品：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)進行配制。

2. 實驗條件

   實驗儀器：仰儀科技FPV-400A氣體燃燒速率測試儀

   反應(yīng)管內(nèi)徑：40mm

   膨脹罐壓力：500kPa

   攪拌轉(zhuǎn)速：300r/min

   點火時長：0.30s

   點火能量：15kV，30mA

   曝光時長：12.00ms

   

   圖1 FPV-400A氣體燃燒速率測試儀

3. 測試方法

本方案參照UL9540A-2019所引用的“ISO 817-2014 制冷劑——命名和安全分類”標準方法?；緶y試原理為：點燃待測可燃氣體與底部點火端開放的垂直細長管內(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行傳播（如圖2所示）。在火焰穩(wěn)定傳播階段，攝像機實時記錄火焰狀態(tài)，通過圖像處理算法提取火焰形態(tài)，計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，但同時火焰形態(tài)穩(wěn)定性下降。ISO 817-2014標準規(guī)定的反應(yīng)管內(nèi)徑（40mm）主要針對氣體燃燒速率相對較低的（通常<40cm/s）制冷劑測試。該方法對于電池熱失控產(chǎn)氣測試并不完全適用。

實驗結(jié)果

通過改變可燃氣濃度進行實驗（通常從爆炸上、下限逐步逼近化學(xué)當量濃度），可擬合得到氣體燃燒速率與濃度關(guān)系曲線，曲線頂點即為最大氣體燃燒速率，該值通常出現(xiàn)在當量濃度附近。

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

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

混合氣燃燒速率與濃度擬合曲線如圖4所示。當氣體燃燒速率>40cm/s時，火焰穩(wěn)定傳播時間很短，難以進行計算分析，因此無法準確得到當量濃度附近的測試結(jié)果。通過擬合曲線推算，當混合氣濃度為24.20%時，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

實驗結(jié)論

本文基于UL9540A-2019測試標準，測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)險評價以及電池系統(tǒng)泄放設(shè)計。

參考資料

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