一种锂离子电池燃烧实验台的制作方法

本实用新型涉及锂离子电池燃烧特性研究的技术领域，具体涉及的是一种可保证实验人员安全、可测量电池燃烧热及气体产物的锂离子电池燃烧实验台，其由坚固的燃烧间、稳流段管道、采样段管道、风机以及气体分析仪组成，该实验台能够安全、方便地开展锂离子电池燃烧实验，并能够测量电池燃烧热及气体产物。

背景技术：

近年来，锂离子电池成为日常生活中最为常见的二次电池，被广泛应用于手机、便携式电脑、航空航天以及电动汽车领域，锂离子电池几乎处处可见。然而锂离子电池由于其高能量密度以及易燃易爆的材料成分，依然存在一定的安全问题，主要表现在电池经历过充过放、机械冲击以及过热时存在火灾或热失控的危险。在锂离子电池热失控过程中常发生正极材料分解释氧、电解液及电极材料间的放热反应，这些副反应常常导致热和气体的释放，最终导致热失控引起极其严重的火灾威胁，如燃烧和爆炸等。因此研究锂离子电池的燃烧特性，对电池的热安全性进行定性定量分析具有重要意义。

目前常被用于锂离子电池燃烧实验的实验设备有锥形量热仪和iso9705大型燃烧热释放速率测量房间。针对锂离子电池燃烧热释放速率的测量，这两种实验设备均存在着缺陷：锥形量热仪主要应用于标准方形样品的标准燃烧实验，实验限制条件较苛刻，电池燃烧过程不同于常见的木材、pmma及ps的燃烧，也不具备标准的形状；此外，锂离子电池燃烧过程中快速释放出大量的烟气，且烟气常喷射而出，具有极高的速度，而锥形量热仪的集烟罩尺寸较小，不足以快速收集全部烟气，烟气的弥散和损失必然会导致最终总的燃烧热测量结果偏小，且容易对实验人员造成毒害。iso9705大型燃烧热释放速率测量房间则是针对于大型房间火灾设计的，其测试功率量程大，标准房间尺寸为3.6m×2.4m×2.4m，而一般的大型单体电池尺寸不过10cm×10cm×10cm，远小于iso9705大型燃烧热释放速率测量房间的尺度，采用标准房间测试锂离子电池燃烧特性，就好比“用一个大磅秤称一粒米的质量”。上述两种常用的燃烧测试标准设备或仪器，对于锂离子电池燃烧特性研究均存在一定的缺陷。针对电池烟气常常发生溢出以及测量设备精度不满足锂离子电池燃烧功率等问题，且锂离子电池热失控具有一定危险性，常发生爆炸危险，需要设计一种可保证实验人员安全、能完全收集锂离子电池燃烧烟气、精确测量电池燃烧热及气体产物的锂离子电池燃烧实验台。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决电池燃烧实验中锂离子电池烟气易溢出、电池热失控对实验人员易造成危险以及目前常用的量热装置不适应于锂离子电池燃烧测试等问题，本实用新型提供了一种基于基于燃烧间1、稳流段管道2、采样段管道3、采样孔4、气体分析仪5以及风机6的锂离子电池燃烧实验台。将电池置于燃烧间1内，完全收集燃烧烟气，通过观察窗7可以方便地观测燃烧间1内电池燃烧现象，收集的气体经采样至气体分析仪5，可精确地测量电池燃烧热量，从而分析锂离子电池燃烧特性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种可保证实验人员安全、可精确测量燃烧热及气体产物的锂离子电池燃烧实验台，包括：

一燃烧间1，用于安放电池和加热装置等，电池在燃烧间1内发生燃烧；两段稳流段管道2，位于采样段管道3前后两端，用于保证采样段管道内气流的稳定；一段采样段管道3，上面至少布置四个及以上采样孔4，用于安装热电偶和采集管道内烟气；一个排烟风机6用于排出燃烧间1内的烟气；一个气体分析仪5，连接采样管道，用于分析电池燃烧烟气的气体产物，测量电池燃烧热释放速率hrr。燃烧间1布置观察窗7和门8，观察窗7用于观察内部电池燃烧现象，门8则方便实验人员进入燃烧间；此外，应设置支撑件10支撑管道，保障安全。

其中，燃烧间1尺寸应根据实验室空间大小进行设计，建议尺寸为1.8m×1.8m×1.8m。燃烧间1建议采用落地式，建议采用钢结构框架式设计，钢板厚度应不低于5mm，保证坚固性。燃烧间1上布置的观察窗7，建议尺寸为40cm×40cm，设计原则为观察燃烧间1内部无死角。燃烧间1上设置的门8，建议尺寸为60cm×160cm，设计原则为人员进出方便。

其中，稳流段管道2应与燃烧间1出气口相连，稳流段管道2内部可采用扇叶状结构，促进气体的紊流混合，结构图及照片见图5。稳流段管道2应设置两段，分别位于采样段管道3前后两端，后端稳流段管道2与风机6相连，排除风机对采样段管道3内流体的干扰。稳流段管道2和采样段管道3间多余的管道可采用同直径的连接段管道9连接。

其中，采样段管道3的设置位置应遵循下列原则：采样段管道3距离前端燃烧间1出气口的管道长度应不小于8倍的管道直径，若直线距离达不到要求，可采用弯管延长管道长度达到要求；采样段管道3距离后端风机6的距离应不小于4倍的管道直径，若直线距离达不到要求，可采用弯管延长管道长度达到要求。

其中，采样段管道3应保证足够光滑，并应布置四个及以上的采样孔4，用于安装皮托管、热电偶和连接气体分析仪5。可以增加1～2冗余采样孔4，以为后期增加其他气体测试仪器或探头做准备。

其中，用于排烟的风机建议采用离心风机，风机风量应根据管道内气体流速和管道内径的大小选择。管道内气体流速建议值为5～10m/s；管道内径应根据待测的火焰功率确定，管道内径d(m)与火焰功率q(kw)之间的推荐公式为式(1)：

其中，由于电池燃烧实验台是基于氧消耗原理，通过测量电池燃烧时管道内氧气浓度相对于大气中氧气浓度的降低值，来计算电池燃烧热释放速率，因此配置的气体分析仪5应至少能测量co、co2和o2三种气体，购买市场上常见的气体分析仪即可满足要求。

其中，支撑燃烧实验台管道的支撑件10采用吊顶式或落地式均可，可以采用吊顶式，以节约地面空间，设计原则为可以支撑管道不发生变形，保证安全。

本实用新型的优点：1.本实用新型采用钢框架结构制作燃烧间，并使用5mm后钢板进行封闭，保证了燃烧间的坚固程度，即使电池热失控爆炸，也可以保护人员的安全；2.本实用新型在燃烧间底部设置进气孔，其余位置密封性良好，保证燃烧供气的同时，也保证了气密性，有利于燃烧烟气的全部收集，保证了燃烧热的测试准确性；3.本实用新型在采样段管道前后两端设置稳流段管道，保证了在采样之前，气体已充分混合均匀，确保了测试的准确性；4.本实用新型在采样段管道上设置了冗余采样孔，除连接气体分析仪外，还可以连接其他补充气体探测器或探头；5.本实用新型依据电池的一般燃烧功率进行设计，并且气体收集效率高，弥补了锥形量热仪收集气体有溢出和iso9705大型燃烧室量程过大不适用于电池燃烧测试的不足。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型的燃烧间三视图；

图3为本实用新型的燃烧间底面设计图；

图4为本实用新型的燃烧间三维图片，其中，图4(a)为燃烧间三维总览图，图4(b)为燃烧间顶部三维图，图4(c)为燃烧间底部三维图；

图5为本实用新型的稳流段管道立体图及实物图，其中，图5(a)为稳流段管道内部结构图，图5(b)为稳流段管道外部三维图，图5(c)为稳流段管道实物照片；

图6为本实用新型采样段管道立体图；

图7为本实用新型采样段管道截面图；

图8为某款100％荷电状态电池燃烧实验中表面温度变化及电压曲线；

图9为某款100％荷电状态电池燃烧热释放速率测试曲线；

图10为某款100％荷电状态电池燃烧烟气(co和co2)浓度曲线；

图11为某款100％荷电状态电池燃烧烟气(co和co2)生成速率曲线。

其中：1为燃烧间，2为稳流段管道，3为采样段管道，4为采样孔，5为气体分析仪，6为风机，7为观察窗，8为门，9为连接段管道，10为支撑件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种锂离子电池燃烧实验台，包括燃烧间1，稳流段管道2，采样段管道3，采样孔4，气体分析仪5，风机6，观察窗7，门8，连接段管道9和支撑件10。燃烧间1与稳流段管道2相连，稳流段管道2起到稳定燃烧烟气的作用，保证后续采样的准确性；采样管道3与稳流段管道2相连，采样孔4布置在采样管道3上，起到采样和测量的作用；气体分析仪5与采样孔4相连，采集的烟气进入气体分析仪5内，分析气体种类和浓度；风机6与稳流段管道2的第二段相连，起到排出烟气的作用；观察窗7和门8设置在燃烧间1上；连接段管道9位于稳流段管道2和采样段管道3之间及其他需要连接的位置；支撑件10则用于支撑上述器件以保证安全。

燃烧间1的具体实施图可参考图2、图3和图4所示，燃烧间1包含一个可供实验人员进出操作的门8，建议尺寸为0.6m×1.6m左右；并包含有观察窗7，观察窗7设计原则为保证观察燃烧间1内无视觉死角。燃烧间1采用不锈钢框架结构加外部钢板焊接而成，保证结构的坚固性，建议设置轱辘+立柱复合件，轱辘可方便安装和搬运，立柱可保证安装完成后装置的位置固定不易移动。同时如图3所示，燃烧间1底部应设置金属网结构方便进气，以保证电池燃烧过程中的氧气供应。最终设计制造成功的燃烧间1立体图如图4所示，燃烧间1尺寸可根据建造场地的大小来决定，建议的燃烧间尺寸为1.8m×1.8m×1.8m。

稳流段管道2立体图及实物图如图5所示，可采用管道内焊接扇叶的方式起到稳定管道内流体的作用，同时，管道两端应加工成法兰盘形式，以方便与前后管道的连接。

如图6和图7所示，采样段管道3上应布置4个及以上的采样孔4，以满足热电偶、皮托管和取样塑料细管的布置。

为保证采样段管道3内烟气流动的稳定性，如图1所示，采样段管道3前后两端均应设置稳流段管道2。沿烟气流动方向，前端稳流段管道2应与燃烧间1出气口相连，后端稳流段管道2应直接与风机6相连。

采样段管道3的安装位置应满足如下要求：采样段管道3至前端燃烧间1出气口间的管道长度应不少于8倍的管道直径，如果直线距离不满足要求，可采用弯管道来延长管道长度；采样段管道3至后端风机6间的管道长度应不少于4倍的管道直径，如果直线距离不满足要求，可采用弯管道来延长管道长度。

为保证采样段管道3内的气体流动稳定，上述管道的内径应保持一致。管道内径应根据待测的火焰功率确定，管道内径d(m)与火焰功率q(kw)之间的推荐公式为式(1)：

风机6的风量应尽量大于设计的风量，管道内径可依据式(1)确定，管道内气体流速建议值为5～10m/s，依据上述关系可估计设计的风量，从而选择合适的风机6。

采样段管道3应有塑料细管与气体分析仪5相连，气体分析仪5应有采样泵，抽取采样段管道3内已混合均匀的烟气，气体分析仪5应能够测量气体中氧气、二氧化碳和一氧化碳的浓度变化，从而计算电池燃烧热释放速率。购买市场上常见的气体分析仪即可满足实验要求。

如图1、图5、图6、图7所示，燃烧间1、稳流段管道2、采样段管道3和风机6间均采用法兰盘相连接，并应保证不发生漏气。燃烧间1及管道连接完成后，应使用支撑件10对管道进行支撑，支撑件10可采用吊顶式结构亦可采用落地式结构。

如图1-7所示，本实用新型电池燃烧实验台的制作步骤为：先制作钢结构的燃烧间1，再在燃烧间1的出气口处连接稳流段管道2，然后依据采样段管道3的安装位置要求安装采样段管道3，采样段管道3与稳流段管道2间的多余距离可使用连接段管道9进行过渡连接；之后在采样段管道3的末端同样安装稳流段管道2，并直接与风机6相连；最后采用塑料细管连接采样段管道3和气体分析仪5，并使用支撑件10对管道进行支撑保证安全。即构成了可保证实验人员安全、可精确测量燃烧热及气体产物的锂离子电池燃烧实验台。在燃烧间内加热电池至热失控燃烧，即可测量电池燃烧过程的热释放速率、产气种类及浓度。

为了验证该燃烧实验台的工作能力，下面通过一个实验实例进行分析。

实施例：

为了验证本实用新型公开的电池燃烧实验台的测试能力，采用加热板加热某款22ah的磷酸铁锂/石墨100％荷电状态的锂离子电池至热失控燃烧，测得的电池表面温度及电压变化、燃烧热释放速率曲线、燃烧烟气(co和co2)浓度曲线和燃烧烟气(co和co2)生成速率曲线分别如图8、9、10和11所示。可以看出，本实用新型公开的电池燃烧实验台附带电池循环仪和热电偶设备，可以准确地测量电池在加热过程中的电压和温度变化，以及燃烧过程中的热释放速率、管道内的co和co2浓度，并能算得总的产气质量，计算结果与已发表的文献比对，吻合效果良好。

综上所述，本实用新型阐述了一种可保证实验人员安全、可精确测量燃烧热及气体产物的锂离子电池燃烧实验台，由不锈钢框架结构加不锈钢板制成的燃烧间抗破坏能力强，可在内部电池发生热失控爆炸情形下保障外部实验人员的安全；此外，该燃烧实验台还可以配合电池循环仪及热电偶等设备，可以精确地测量电池温度、电压变化、燃烧热及烟气种类和浓度，是一种优良的锂离子电池燃烧实验装置。

本实施方式只是对本实用新型的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本实用新型原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本实用新型的保护范围。