一种锂离子电池变压环境下热失控真空冷却装置

1.本发明涉及锂离子电池热失控冷却技术领域，具体涉及一种锂离子电池变压环境下热失控真空冷却装置。


背景技术：

2.1970年，埃克森的m.s.whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池，锂电池的发展就此展开。而锂离子电池自上个世纪九十年代被发明并开始使用，锂离子电池的历史已经有一段时间，锂离子电池以高比能量、高电压、长循环寿命等有优点，目前被广泛使用，在手机、笔记本电脑、电动车等领域均有所涉及，特别是在民航和航空航天领域，未来的发展领域广阔，如飞机的航电系统、航空航天空间探测器等。
3.锂离子电池按照外形来分，包括圆柱形、方形和软包锂离子电池，根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。
4.市面上常见的可充电电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池，而锂离子电池的各方面性能最为突出，但是，在广泛使用的同时，锂离子电池的安全问题也是一个不能忽视的问题，锂离子由于自身的材质以及物理和化学特性，在一些不同的工况下，如：变压、高温、低温、振动等，或人为因素下，如：机械滥用、热滥用、过充电、过放电、内(外)部短路等，可能使电池内部出现不可逆、不可控的过度自发热现象，也即热失控，从而引发灾害。当锂离子电池发生热失控时，会在短暂的时间内引发高温、冒烟、火灾甚至是爆炸，这将是极其危险的，会给人类和各种设备带来巨大的伤亡和损害，最终造成不可挽回的损失，因此探究锂离子电池的热失控以及发生热失控后的快速冷却尤为必要。
5.对于锂离子电池在民航和航空领域的广泛使用，特别是航空器处于高空飞行过程中，航空器将会长期处在变压低温环境下工作(大气压强随海拔高度升高而降低。)。因此，利用航空器进行锂离子电池运输途中或者航空器中使用锂离子电池时，研究变压环境下的锂离子热失控行为尤为必要，相较于传统的研究是处于常压环境下研究其热失控行为更为符合航空器运行真实环境。
6.而当锂离子电池发生热失控后，传统的灭火系统是在是常压下进行，灭火冷却速率较慢，效率较低，当航空器处于高空飞行过程中，航空器将会长期处在变压低温环境下工作，利用航空器进行锂离子电池运输途中或者航空器中使用锂离子电池时，锂离子电池也将处于变压状态，锂离子电池发生热失控时，会在短暂的时间内引发高温、冒烟、火灾甚至是爆炸，因此研究变压环境下锂离子电池的热失控行为，以及发生热失控后的快速冷却降温显得尤为必要。
7.然而，如今，国内外对于锂离子电池热失控和热安全研究通常是在常温常压环境下进行，无法在变压环境下来研究锂离子电池热失控行为。并且对于锂离子电池热失控的灭火冷却效率较低，如手动使用干粉灭火器和二氧化碳灭火器等，缺乏高效的冷却降温系统，锂离子电池热失控的降温冷却方法还不够成熟。
8.对于真空冷却来说，它的原理是是基于汽态水分子比液态水分子具有更高的能
量，因此水在汽化时必须吸收汽化潜热，而其汽化潜热又是随着沸点的下降而升高的这一原理而将处理物放入能耐受一定负压的、用适当真空系统抽气的密闭真空箱内，随着真空箱内真空度不断提高，水的沸点温度不断降低，水就变得容易汽化，水汽化时只能从被处理物自身吸收热量，被处理物便可得到快速的冷却。
9.现在的真空冷却技术主要是应用于对熟食品及果蔬进行冷却或预冷，用真空泵抽真空室内的水果和蔬菜放入保温真空室。当相应的水蒸汽，水果和植物纤维间隙表面的水的饱和压力的水果和蔬菜的室内温度真空开始蒸发，蒸发将汽化的远潜热，使水果和蔬菜的温度降低，并进一步向下，直到蔬菜冷却到所需的温度。并使得空气里的细菌不可避免地会沾到食品上去，造成食品的“二次污染”，减少细菌繁殖世代,菌量容易得到控制，从而有利于提高食品的安全性，延长保质期。因此可见，真空冷却技术往往很少应用于其他领域来发挥它的快速冷却的优点。因此，亟需提出一种在变压环境下分析锂离子电池热失控行为并能够对其进行快速冷却降温的系统装置。


技术实现要素：

10.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种锂离子电池变压环境下热失控真空冷却装置，对象为锂离子电池热失控实验，在动温变压的环境下，分析电池发生热失控的各种现象和参数变化，并根据其热失控特征，对其进行真空快速冷却降，解决了上述背景技术中提到的问题。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锂离子电池变压环境下热失控真空冷却装置，所述装置包括实验舱控制分析一体化系统、动温变压实验舱、真空冷却系统、以及设置在动温变压实验舱内部的实验内部舱；所述实验舱控制分析一体化系统包括有用于控制实验舱体内数据参数的动温变压控制装置、用于对烟气分析和热释放校准分析的烟气热释放分析装置、用于对锂离子电池电压电阻在变压热失控过程中的温度和电压电阻分析记录装置；所述实验舱控制分析一体化系统为真空冷却系统的制冷系统提供产热参数，便于制冷系统的有效运行；所述动温变压实验舱的舱体右侧设置有钢化玻璃的观察窗口，能实时查看实验内部舱的情况。
12.优选的，所述的实验内部舱顶部设置有直接连接到实验舱控制分析一体化系统的出气细管，所述出气细管上装置有烟气取样管和激光源，用于将锂离子电池热失控后产生的气体进行取样收集分析。
13.优选的，所述的实验内部舱舱体外部左侧还设置有用于控制调节实验舱体的压强差的进气口、以及用于记录锂离子电池发生热失控实验过程的数字摄像机，所述实验舱内部还设置有锂离子电池、对锂离子电池进行加热触发其发生热失控的电池加热板、以及用于将热电偶进行固定和支撑的固定支架。
14.优选的，所述的锂离子电池和电池加热板固定设置在一起，防止相互位移而使得实验数据不准确。
15.优选的，所述的实验内部舱里还设置的有固定支架，所述的固定支架包括支架杆和固定杆；所述的固定杆上设置的有热电偶排口，所述的热电偶排口用以连接热电偶。
16.优选的，所述的真空冷却系统包括真空箱、真空泵、制冷剂箱、制冷泵和制冷系统；所述制冷系统通过制冷控制管道与制冷剂箱连接，通过制冷控制装置进行制冷控制管道的
开关以及制冷强度的调节，所述制冷剂箱和制冷泵之间上下相连，当制冷泵打开后，制冷剂箱中的制冷冷却物料得以流出。
17.优选的，所述的真空箱的一端设置有自动化伸缩密封口，自动化伸缩密封口从动温变压实验舱左端口处伸入到实验内部舱里，通过设置在真空箱上的真空箱控制装置调节自动化伸缩密封口与下端口密封衔接，并调节管道内压强差，经过压强差将锂离子电池传送进入真空箱进行冷却降温，所述真空箱内的真空冷却水道采用螺旋型冷却水道。
18.优选的，所述的真空冷却系统还包括捕水器，所述捕水器通过真空管道与真空箱连接，所述捕水器包括捕水器开关和制动调温器，可通过制动调温器进行强制降温将冷却过程中产生的水汽凝结成水而排出；所述捕水器的另一端与真空泵控制装置连接，所述真空泵控制装置与真空泵上下连接，通过真空泵控制装置上的控制器调节控制真空泵的内部压强大小。
19.优选的，所述的动温变压实验舱为2
×2×
2m的矩形带顶盖实验舱，舱体正前方设置有1.8
×
1.5m的舱门，实验人员可通过舱门自由进入舱内。
20.优选的，所述的动温变压实验舱舱体材质为碳钢。
21.本发明的有益效果是：本装置可以实现多种数量、多次的锂离子电池热失控实验研究；可实现锂离子电池组的研究，以及电池组发生热失控时的热传播研究，并且在发生热失控后进行多数量电池的规模性快速冷却降温；可实现不同工况下(低压、低温等)锂离子电池热失控研究；能够实现对锂离子电池表面温度进行实时测量，研究锂离子电池在不同工况下，电池发生热失控时的温度变化；当锂离子电池发生热失控时，能够在短时间内迅速通过压力差进入真空冷却装置，迅速冷却降温，同时可研究不同电池数量同时发生热失控的降温冷却关系。
附图说明
22.图1为本发明装置整体结构示意图；
23.图2为本发明固定支架结构示意图；
24.图3为本发明自动化伸缩密封口工作原理图；
25.图4为本发明螺旋型冷却水道示意图；
26.图中，1
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实验舱控制分析一体化系统，2
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激光源，3
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烟气取样管，4
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出气细管，5
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锂离子电池，6
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电池加热板，7
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固定支架，8
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第一热电偶，9
‑
第二热电偶，10
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动温变压实验舱，11
‑
实验内部舱，12
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自动化伸缩密封口，13
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进气口，14
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数字摄影机，15
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真空箱，16
‑
真空箱控制装置，17
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真空管道，18
‑
制动调温器，19
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捕水器开关，20
‑
捕水器，21
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真空泵，22
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制冷剂箱，23
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制冷泵，24
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真空泵控制装置，25
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控制器，26
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制冷控制管道，27
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制冷系统，28
‑
制冷控制装置，29
‑
热电偶排口，30
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固定杆，31
‑
支架杆，32
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下端口，33
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螺旋型冷却水道，34
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动温变压控制装置，35
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烟气热释放分析装置，36
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温度和电压电阻分析记录装置，37
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观察窗口。
具体实施方式
27.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1
‑
4，本发明提供一种技术方案：一种锂离子电池变压环境下热失控真空冷却装置，如图1所示，所述装置包括实验舱控制分析一体化系统1、动温变压实验舱10、真空冷却系统、以及设置在动温变压实验舱10内部的实验内部舱11；所述实验舱控制分析一体化系统1能实现对实验舱的温度调节和压强的变化，进行烟气分析和热释放速率测试和校准，锂离子电池发生热失控时的电阻和电压的变记录等，使得整个实验过程更加直观清晰，同时为真空冷却系统的制冷系统27提供产热参数，让整个系统有效安全运行；具体包括有用于控制实验舱体内数据参数的动温变压控制装置34，用以模拟多尺度、多场的实验环境，改变舱体温度和压强，如加热速率和加热温度上限以及压强的控制，使得舱体处于动温变压实验环境，还包括有对整个实验舱的监控、报警、管理数据等功能，是整个实验舱的重要控制部分；实验舱控制分析一体化系统1还包括有用于对烟气分析和热释放校准分析的烟气热释放分析装置35，能够分析多种环境下的模拟实验环境数据，产生烟气的成分和百分比，对co、co2、o2、no、ch4等气体的分析，碳氢比例和热失控关系分析，进行热释放速率(hrr)分析测量，测量锂离子电池在不同压强工况下发生热失控过程产生的热量；实验舱控制分析一体化系统1还包括有用于对锂离子电池电压电阻在变压热失控过程中的温度和电压电阻分析记录装置36，温度和电压电阻分析记录装置为无纸记录仪和电阻电压表的控制开关，无纸记录仪通过第一个热电偶8和第二个热电偶9来对锂离子电池发生热失控过程的温度变化进行记录分析、同时通过此装置36对电池电压电阻在变压热失控过程中的变化记录分析，实时记录温度和电压电阻的变化；所述实验舱控制分析一体化系统1为真空冷却系统的制冷系统27提供产热参数，便于制冷系统的有效运行；所述动温变压实验舱10的舱体右侧设置有钢化玻璃的观察窗口37，能实时查看实验内部舱11的情况。
29.整个外部为动温变压实验舱10，整个实验舱体规格为2
×2×
2m的矩形带顶盖实验舱、实验舱体正前方为舱门，规格为1.8
×
1.5m，舱门是便于实验人员进入舱内进行实验设计布置；舱体右侧安装有钢化玻璃的观察窗口37，可以实时查看舱内实验情况；舱体上方抽气管道外为粗管抽气，舱体材质为碳钢，有很好的防爆、防火性能，能够适应各种变压环境下的热失控实验。
30.实验内部舱11为锂离子电池进行热失控实验的舱体，舱体的规格为1
×1×
1m，并分别带有独立的烟气抽气、采集以及分析装置，舱体采用出气细管4抽气；实验内部舱的出气细管上装置有烟气取样管3，以及激光源2，激光源2发射出特定气体吸收线的激光光束穿过被测气体，由于被测气体的吸收引起光强的衰减通过检测器检测光强信号计算出气体浓度,除气体浓度之外其他的一些参数，例如气体温度、气体压力等也可以通过检测透射光光强的变化来加以测定，用于将锂离子电池热失控后产生的气体进行取样收集分析。
31.实验舱内部还设置有锂离子电池5、对锂离子电池进行加热触发其发生热失控的电池加热板6、以及用于将热电偶8、热电偶9进行固定和支撑的固定支架7。锂离子电池5，即热失控反应实验本体；电池加热板6：实验采用矩形加热板，用于实验时对锂离子电池的加热，触发其发生热失控；固定支架7，如图2所示，包括支架杆31，固定杆30，固定杆30上设置的有热电偶排口29，热电偶排口用以连接热电偶；热电偶8设置在一个固定杆上，热电偶9设置在其他的固定杆上，通过调节固定杆的螺母进行上下滑动，从而调节间距，固定杆可以上
下滑动，热电偶可以在固定杆上移动，通过实验需要进行调节测试距离。
32.通过自制铁丝将实验样品锂离子电池5与电池加热板6固定在一起，防止实验时因为爆炸冲击力而发生位移，而使得实验数据不准确，在电池极耳处贴上一层绝缘膜，防止铁丝与极耳接触形成外短路，然后热电偶(8，9)固定于固定支架7，根据实验实际需求调节好热电偶之间的间距，以对不同距离的热源进行测试温度，同时通过数字摄影机14进行记录热失控全过程，实验过程可以通过观察窗口37进行实时观察。
33.实验内部舱11舱体外部左侧还设置有用于控制调节实验舱体的压强差的进气口13，真空箱15由多个小箱体构成，每个箱体都能够提供进行锂离子电池的真空冷却降温的场所，箱体内的真空冷却水道设计采用螺旋型冷却水道33，如图4所示，螺旋管道与直管相比具有更佳的传热特性，螺旋冷却水道33具有绕流形状，使介质通过时受到干扰，减薄了层流底层的厚度，从而提高平均换热效率，达到了强化传热的效果，从而能够更快进行热量挥发。所述的自动化伸缩密封口12，采用现代机械化伸缩技术，当锂离子电池发生热失控后，通过真空箱上的真空箱控制装置16调节自动化伸缩密封口12与下端口32密封衔接，下端口32包围式的围绕在锂离子电池周围，起到一个与自动化伸缩密封口密封衔接的作用，如图3所示，并调节管道内压强差，经过压强差将锂离子电池传送进入真空箱15进行冷却降温(真空箱通过真空泵调节内部压强，使得当自动化伸缩密封口12与下端口32连接时，管道内压强与内舱形成压强差，产生一个向上的流体动力，将电池通过管道吸入真空箱)，整个传送管道采用耐高温，耐腐蚀的复合材料制成。
34.真空冷却系统包括真空箱15、真空泵21、制冷剂箱22、制冷泵23和制冷系统27；真空箱15通过真空管道17与左侧的捕水器20连接，捕水器包括捕水器开关19和制动调温器18，开关控制冷却物料的排放，制动调温器18进行强制降温；捕水器左侧与真空泵控制装置连接，真空泵21和控制装置24上下相连，控制装置24上的控制器25能够调节控制真空泵的内部压强大小，由于在冷却过程中会产生水汽，如果水汽直接进入真空泵21，将引起泵油的乳化，不但影响泵的性能而且会对泵体本身造成损害。解决的办法是在泵的前面增加一套捕水器20，通过捕水器上的控制装置控制19，利用低温将水汽凝结成水而排掉。同时配置制冷系统27，让除去了水汽的空气再经真空泵21排出；真空泵左旁是制冷剂箱22和制冷泵23，相互之间上下相连，通过制冷控制管道26与制冷系统连接27，制冷系统27根据实验舱控制分析一体化系统1的热释放速率和热释放量等分析结果反馈，来控制制冷剂箱22制冷物料的存储和增添，以及制冷功率的调节，然后打开制冷泵23，冷却物料得以流出，进入真空箱20中对电池进行冷却降温。
35.真空管道17用于传输冷却水，无机或有机水溶液等物料进入真空箱15。
36.本装置利用自制的电池固定支架7配合上热电偶(8，9)的使用，不仅让实验人员对电池的温度测试操作更加方便，还能够随时进行热电偶材料的更换和支架的拆装，对热失控热源进行不同距离的测温，有效的提高了实验的便捷性、实验的安全性以及整体提高了数据的准确性。
37.在冷却过程中会产生水汽，如果水汽直接进入真空泵，将引起泵油的乳化，不但影响泵的性能而且会对泵体本身造成损害。解决的办法是在泵的前面增加一套捕水器20，利用低温将水汽凝结成水而排掉，必要时，可以通过制动调温器18进行强制降温。所述的真空泵21，为整个真空冷却系统持续提供真空环境，而制冷剂箱和制冷系统持续提供冷却物料，
让整个热失控真空冷却系统能过够持续运行，持续为热失控后的锂离子电池进行冷却降温。
38.本发明相较于传统的常温常压环境，能够在变压环境下研究分析锂离子电池的热失控行为，并且能够相较于传统的真空冷却只用于食品加工等方面，创新的将真空冷却应用于锂离子电池热失控降温冷却，为锂离子电池热失控实验，在动温变压的环境下，分析电池发生热失控的各种现象和参数变化，并根据其热失控特征，对其进行真空快速冷却降温。其具体过程如下：
39.(1)开始实验前，将各种设备装置连接好，将实验舱控制分析一体化系统1打开测试，并逐个检查所有设备装置是否正常工作。
40.(2)将自制铁丝和实验样品锂离子电池5与加热板6固定在一起，防止实验时因为爆炸冲击力而发生位移，而使得实验数据不准确，在电池极耳处贴上一层绝缘膜，防止铁丝与极耳接触形成外短路，然后热电偶(8，9)固定于固定支架7，根据实验实际需求调节好热电偶之间的间距，以对不同距离的热源进行测试温度，同时通过数字摄影机14进行记录热失控全过程，实验过程可以通过观察窗口37进行实时观察。
41.(3)进行实验前，首先通过实验舱控制分析一体化系统1上的动温变压控制装置装置34进行热失控校准和气体排空，通过控制进气口13和出气细管4使得整个动温变压实验舱10处于压强动态平衡，以便随时准备进行实验。
42.(4)开始实验后，通过烟气热释放分析装置35对烟气取样管3采集的烟气样品进行成分分析，能够分析多种环境下的模拟实验环境数据，产生烟气的成分和百分比，对co、co2、o2、no、ch4等气体的分析，碳氢比例和热失控关系分析，同时进行热释放速率(hrr)分析测量，测量锂离子电池在不同压强工况下发生热失控过程产生的热量，其中电池内部的净产热功率q(t)计算公式如下：
43.q(t)＝q入+qc(t)+qe(t)+qh(t)，其中，q入为外热源输入功率；
44.化学反应产热功率qc(t)计算公式如下：
45.qc(t)＝qsei(t)+qanode(t)+qseparator(t)+qelectrolyte(t)+qcathode(t)，
46.qsei(t)为sei膜分解产生热量，qseparator(t)为隔膜分解产生热量，qelectrolyte(t)为电解液分解产生热量，qcathode(t)极化热量。
47.通过排烟管道内烟气流量孔板前后的压强差值和烟气温度，计算得到烟气的质量流量，如式(1)所示。
[0048][0049]
式(1)中:m
e
为圆形管道烟气质量流量，kg/s；a为烟管横截面积，m2；k
c
为烟管中气流速度分布形状因子；f(re)为雷诺数修正函数；δp为烟管压差，pa；t
e
为测点烟气温度，k。
[0050]
电池在燃烧过程中的hrr为:
[0051]
式(2)中:e为燃烧1kg o2释放的热量,约13.1mj/kg；分别为实验前、后吸入的氧气质量流速,kg/s。
[0052]
通过上几个公式可以计算出锂离子电池的热释放量和烟气质量流量，为制冷系统
27和22制冷剂箱提供数据，从而进行准确冷却降温。
[0053]
(5)当锂离子电池发生热失控后，通过真空箱上的真空控制装置16调节自动化伸缩密封口12与下端口32密封衔接，并调节管道内压强差，经过压强差将锂离子电池传送进入真空箱15进行冷却降温，以达到快速冷却降温，真空箱15由多个小箱体构成，每个箱体都能够提供进行锂离子电池的真空冷却降温的场所，箱体内的真空冷却水道设计采用螺旋型冷却水道33，冷却水道内冷却物料介质的流速计算式如下:w＝qa(3)；式中:q为流量；a为水道截面积，a＝a
×
b；w为水道流速；a、b为水道截面的长和宽，真空箱能提供多组电池同时进行冷却降温处理。
[0054]
(6)在冷却过程中会产生水汽，如果水汽直接进入真空泵21，将引起泵油的乳化，不但影响泵的性能而且会对泵体本身造成损害。解决的办法是在泵的前面增加一套捕水器20，通过制动调温器18进行强制降温将冷却过程中产生的水汽凝结成水而排出。同时配置制冷系统27，让除去了水汽的空气再经真空泵21排出。控制装置24则调节真空泵21的运行，负责制造整个冷却系统的真空环境。制冷剂箱22和制冷泵23相连，受到制冷系统27的控制，包括制冷剂箱制冷物料的存储和增添和制冷功率的调节，当制冷泵23打开后，冷却物料得以流出，进入真空箱20中。实验人员在布置和进行实验的所有过程当中应戴好实验手套、实验服、护目镜和防毒面具，以防实验时出现意外伤及自己。
[0055]
本发明装置是模拟航空器高空飞行的环境，提供了一个低压变压环境，从而进行电池的热失控反应实验，同时在电池发生热失控后相比较于传统的灭火系统，创新性的利用真空冷却系统进行快速降温冷却，以达到防止发生大规模火灾的可能，研究模拟低压环境下的锂电池热失控发生后的参数变化，如产热和烟气分析，以及发生热失控后进行降温冷却的方法，本发明装置研究环境更为复杂，研究范围更广阔，实现功能更多，能够研究热失控前后的电池变化，并进行反馈给冷却系统，从而快速精准降温，防止热失控扩散。
[0056]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。