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锂电池热失控产气气体燃烧速率研究

  • 发布时间:2022-07-14
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前言

锂电池热失控产气存在多种可燃气体,易导致燃烧或爆炸事故。为减轻电池产气燃爆带来的破坏效应,电池包或系统上需配备泄放装置,并保证其在规定压力下打开。气体燃烧速率是进行燃爆泄放设计所需的重要参数,“UL 9540A-2019评价电池储能系统中热失控火焰传播的安全试验方法”标准中明确规定电池产气气体燃烧速率测试纳入电芯级安全测试范畴。

本次实验通过人工配气模拟某款储能电芯热失控所产生的可燃混合气体,并使用仰仪科技FPV-400A气体燃烧速率测试仪进行测试。实验结果表明,混合气浓度为24.20Vol%时,气体燃烧速率达到最大值56.04cm/s。


实验部分

  1. 样品准备

    待测混合气样品:主要成分为CO₂、CO、H₂、CH₄、C₂H₄和C₂H₆,依据某磷酸铁锂电芯热失控产气的气相色谱数据进行配制。

  2. 实验条件

    实验仪器:仰仪科技FPV-400A气体燃烧速率测试仪

    反应管内径:40mm

    膨胀罐压力:500kPa

    搅拌转速:300r/min

    点火时长:0.30s

    点火能量:15kV,30mA

    曝光时长:12.00ms

    气体燃烧速率试验仪.png

    图1 FPV-400A气体燃烧速率测试仪

  3. 测试方法

本方案参照UL9540A-2019所引用的“ISO 817-2014 制冷剂——命名和安全分类”标准方法。基本测试原理为:点燃待测可燃气体与底部点火端开放的垂直细长管内的空气所形成的均质混合物,引发火焰向上部封闭端进行传播(如图2所示)。在火焰稳定传播阶段,摄像机实时记录火焰状态,通过图像处理算法提取火焰形态,计算火焰冠表面积和火焰燃烧速度。


图2 火焰在垂直管中的传播示意图


值得注意的是,反应管内径的选取综合考虑了火焰在壁面的淬灭效应以及火焰传播稳定性。内径越大,火焰越不容易被淬灭,但同时火焰形态稳定性下降。ISO 817-2014标准规定的反应管内径(40mm)主要针对气体燃烧速率相对较低的(通常<40cm/s)制冷剂测试。该方法对于电池热失控产气测试并不完全适用。


实验结果

通过改变可燃气浓度进行实验(通常从爆炸上、下限逐步逼近化学当量浓度),可拟合得到气体燃烧速率与浓度关系曲线,曲线顶点即为最大气体燃烧速率,该值通常出现在当量浓度附近。

不同浓度下混合气点燃后的火焰传播形态与实时处理图像如图3所示。


13.5%

17%

31%

35%


图3 不同浓度下电池产气火焰传播过程动态分析


混合气燃烧速率与浓度拟合曲线如图4所示。当气体燃烧速率>40cm/s时,火焰稳定传播时间很短,难以进行计算分析,因此无法准确得到当量浓度附近的测试结果。通过拟合曲线推算,当混合气浓度为24.20%时,最大气体燃烧速率为56.04cm/s。

图表图标-07.jpg图4 混合气燃烧速率与浓度拟合曲线


实验结论

本文基于UL9540A-2019测试标准,测定得到了锂电池单体热失控产气的气体燃烧速率,相关数据可用于热失控产气燃爆风险评价以及电池系统泄放设计。



参考资料

[1]气体燃爆泄放过程中燃烧速率的评价,《化学工业与工程技术》Jun. 2005, Vol.26 No3, 吴冬辉,王淑兰等。