具有自動滅火裝置的鋰電池試驗箱設計

趙黎華，賈曉川，栗建永，張 慧，李 翔

（天津市出入境檢驗檢疫局，天津 300191）

具有自動滅火裝置的鋰電池試驗箱設計

趙黎華，賈曉川，栗建永，張 慧，李 翔

（天津市出入境檢驗檢疫局，天津 300191）

隨著鋰電池越來越廣泛的應用，其生產與檢驗領域的研究也隨之增多。鋰電池環境性能測試（高溫試驗、低溫試驗、熱沖擊、溫度循環）是針對其安全性能的系列測試項目，鋰電池環境性能試驗箱作為檢驗領域廣泛使用的裝置，安全特性是一個重要指標。針對目前鋰電池試驗箱在安全設計上的不足，提出并設計了一套具有自動滅火裝置的鋰電池環境性能試驗箱，以電接點溫度計、七氟丙烷滅火劑瓶等組成自動滅火裝置。經試驗驗證，該試驗箱性能穩定，效果良好，彌補了現有鋰電池試驗箱在安全方面的技術缺陷。

鋰電池試驗箱；自動滅火；電接點溫度計；七氟丙烷

鋰電池為人們日常工作、生活中廣泛使用的電子產品，其安全性能在世界范圍內也受到了普遍重視，幾乎所有發達國家對鋰電池產品的生產、運輸、使用等都有嚴格的限制。制定了相關的法律法規和相應檢測標準，國際民航組織（ICAO）和國際海事組織（IMO）都將鋰電池作為危險品，規定電池必須通過某些性能測試才能進行運輸。在鋰電池檢測中，環境適應性能是其重要檢測項目，包括高溫試驗、低溫試驗、熱沖擊、溫度循環等系列測試項目，測試電池在使用、裝卸或運輸中遭受極端溫濕度環境，是否會引起著火、爆炸或泄漏，以對電池安全性能做出客觀評價。

目前，應用于鋰電池環境性能檢測領域的溫濕度控制試驗箱結構一般具有良好的溫濕度控制效果以及較高的密封性能。然而，鋰電池在進行高溫、濕度循環等檢測時容易發生爆炸、起火等情況，當其中一塊電池發生危險情況，常引起連鎖反應，而現有的溫濕度試驗箱通常不具備快速降溫和滅火功能，如果在保溫效果、密封性能良好的箱體起火，極易使試驗箱內溫度劇增，出現爆燃等情況，后果十分危險。所以，在箱內溫度異常劇增時，及時降溫、瀉壓，特別是滅火功能十分重要[3]。

因此，針對現有溫濕度控制試驗箱在安全設計上的不足與缺陷，提出并設計了一種具有自動滅火裝置的鋰電池試驗箱。它能夠在試驗箱內由于試驗鋰電池出現爆燃導致箱內溫度劇增時，控制啟動滅火裝置進行滅火，避免危險的發生。

1 系統總體結構

具有自動滅火裝置的鋰電池試驗箱是在原有溫濕度控制試驗箱體的基礎之上增加一套自動滅火裝置，該自動滅火裝置主要由滅火控制箱、七氟丙烷滅火劑瓶組[4]、電接點溫度計[5]等構成。當試驗箱內由于試驗鋰電池出現爆炸、燃燒等特殊情況時，試驗箱內溫度劇增時，控制裝置啟動電磁閥，使七氟丙烷鋼瓶中的七氟丙烷滅火劑噴出實現滅火，其相應的系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統外觀結構組成

具有自動滅火裝置的鋰電池試驗箱的外觀結構主要包括試驗箱體及其附屬器件、滅火控制箱系統、七氟丙烷滅火劑瓶組等部分，其相應的外觀示意圖如圖2所示。

圖2 系統外觀示意圖

2.1 試驗箱體結構

試驗箱體的箱壁由外殼鋼板、保溫層和內膽鋼板構成；在試驗箱體的側壁加工有兩個穿壁孔，兩個穿壁孔分別貫穿外殼鋼板、保溫層和內膽鋼板；傳感器探頭導管的外徑、鋼管套管的外徑分別與對應的穿壁孔直徑緊密配合。

傳感器探頭導管從外部依次穿過試驗箱體的外殼鋼板、保溫層和內膽鋼板，嵌裝在對應的穿壁孔內，傳感器探頭導管與外殼鋼板、內膽鋼板的結合處通過焊接的方法固定密封，傳感器探頭導管處于試驗箱體的外側一端的管口設有內螺紋。

電接點溫度計的傳感器探頭部分以傳感器探頭導管為導管，穿入試驗箱體內部，電接點溫度計通過其表頭下端的外螺紋與傳感器探頭導管的內螺紋配合，緊固安裝在傳感器探頭導管上。

鋼管套管從外部依次穿過試驗箱體的外殼鋼板、保溫層和內膽鋼板，嵌裝在對應的穿壁孔內，鋼管套管與外殼鋼板、內膽鋼板的結合處通過焊接的方法固定密封。

鋼管以鋼管套管為導管，穿入試驗箱體內部，鋼管外徑與鋼管套管內徑間隙配合，在鋼管套管處于試驗箱體箱壁外側一端的管口處，鋼管與鋼管套管的管口焊接固定；鋼管穿入試驗箱體內的一端通過接頭連接嘴噴；另一端通過接頭連接膠管，經膠管連接到滅火劑鋼瓶上的電磁容器閥出口。

2.2 滅火控制箱系統

滅火控制箱系統的控制由手動控制電路和自動控制電路組成，通過三位選擇開關SA選擇和切換，其結構分別與電磁容器閥、電接點溫度計連接，通過電接點溫度計采集溫度信號，控制電路根據采集的溫度信號控制電磁容器閥動作。

2.3 七氟丙烷滅火劑瓶組

七氟丙烷滅火劑瓶組包括滅火劑鋼瓶、電磁容器閥和壓力表。當試驗箱內部腔室的試驗電池出現爆燃導致箱內溫度劇增時，電磁容器閥動作，滅火劑從滅火劑鋼瓶的瓶口流出，經由依次連接的電磁容器閥、膠管、鋼管到噴嘴，從噴嘴噴出，釋放滅火劑滅火，其實物連接圖如圖3所示。

圖3 滅火劑瓶組實物連接圖

3 硬件系統電路設計

3.1 電接點溫度計

溫度檢測是滅火裝置的重要部分，是實現自動滅火的基礎。在本裝置中，采用WSSX-400型，可以直接測量各種生產過程中-80～500℃范圍內體、蒸汽和氣體介質的溫度，利用溫度變化時帶動觸點變化，當其與上下限觸點接觸或斷開的同時，使電路中的繼電器動作，從而自動控制及報警。WSSX-400型廣泛應用于生產現場對溫度需自動控制和報警的領域。

該鋰電池試驗箱內的試驗溫度為-40～150℃，完全符合WSSX-400型的控制范圍，其電路連接圖如圖4所示。

圖4 電接點溫度計電路連接圖

3.2 滅火控制箱電路設計

在該試驗箱中，硬件系統電路設計主要指滅火控制箱的控制電路部分，由手動控制和自動控制電路組成，通過三位選擇開關SA選擇和切換，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 滅火控制箱電路原理圖

4 自動滅火實現原理及過程

該試驗箱的自動滅火功能主要由3.2節所述的滅火控制箱來完成，其相應的工作過程如下：（1）當選擇手動控制時，選擇開關SA將電源相線與常閉按鈕SBR接通，常閉按鈕SBR依次串接常開按鈕SBF、中間繼電器KA的線圈，最后接零線；

（2）按下常開按鈕SB，中間繼電器KA吸合，中間繼電器KA的常開觸點KA-1、常開觸點KA-2、常開觸點KA-3吸合，常閉觸點KA-4、常閉觸點KA-5斷開，電路通過常開觸點KA-1自保持導通狀態；電源相線通過常開觸點KA-2連接到電磁容器閥的開閥端子，電磁容器閥動作，滅火劑從滅火劑鋼瓶的瓶口流出，經由依次連接的電磁容器閥、膠管、鋼管到噴嘴，從噴嘴噴出；

（3）當選擇自動控制時，選擇開關SA將電源相線與中間繼電器KA的常開觸點KA-2的一端連接，常開觸點KA-2的另一端連接電接點溫度計的動觸點M端，電接點溫度計的上限觸點H端連接中間繼電器KA的線圈一端，線圈另一端接零線；

（4）當試驗箱內部腔室溫度處在設定范圍時，電接點溫度計的動觸點M端與上限觸點H端處于斷開狀態，中間繼電器KA不動作，常開觸點KA-2保持常開，常閉觸點KA-4保持常閉，電源相線通過常閉觸點KA-4連接到電磁容器閥的關閥通路，電磁容器閥處于關閉狀態；

（5）當試驗箱內部腔室的試驗電池出現爆燃導致箱內溫度劇增時，電接點溫度計的動觸點M端與上限觸點H端接通，中間繼電器KA吸合，中間繼電器KA的常開觸點KA-1、常開觸點KA-2、常開觸點KA-3吸合，常閉觸點KA-4、常閉觸點KA-5斷開，電源相線通過常開觸點KA-2連接到電磁容器閥的開閥端子，電磁容器閥動作，滅火劑從滅火劑鋼瓶的瓶口流出，經由依次連接的電磁容器閥、膠管、鋼管到噴嘴，從噴嘴噴出，釋放滅火劑滅火。

5 結束語

鋰電池由于具有電壓高、能量大等優點,是目前化學電源行業最新發展方向之一。用于鋰電池生產與檢測的設備不斷出現，但絕大部分不具備自動滅火功能。本文設計實現的具有自動滅火裝置的鋰電池試驗箱經過改革創新，在試驗箱的基礎上增加自動滅火裝置，結構簡單，直觀方便，具有自動切斷電源和報警功能，既保證了安全需要，又延長了設備的使用壽命。

[1] 陳洪超,李相東.鋰離子電池原理、研究現狀與應用前景[J].軍事通信技術,2001,22(1):55-58.

[2] 魏宇鋒,張繼東,費旭東,等.鋰離子電池產業政策研究及檢測標準分析[J].電池工業,2011,16(3):189-192.

[3] 朱宏聲,來磊,石雷兵.鋰電池測試及智能系統的應用[J].上海計量測試,2011（4）:33-35.

[4] 陳澤希.七氟丙烷自動滅火系統安裝工藝研究[J].鐵道工程學報, 2012（1）:78-82.

[5] 崔玉峰,王恩.電接點溫度計接點測試及自動采樣裝置:中國，CN201653590U[P].2010-11-24.

Design of lithium battery chamberw ith automatic fire extinguishing device

ZHAO Li-hua,JIA Xiao-chuan,LIJian-yong,ZHANG Hui,LIXiang
（Tianjin Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Tianjin 300191,China）

With the wide application of lithium battery,its research on production and testing is increased.Lithium battery chamber as the production and testing equipment has widely been used,and its safety features are important indicators.For the design deficiencies of the current lithium battery chamber in the security,a set of lithium batteries chamber with automatic fire extinguishing device was proposed and designed,which is composed of electric-contact thermometer,fire extinguishing agent bottle,and so on.The test proves that the chamber has stable performance and good effect,and can make up the security flaws of the existing battery chamber technology.

lithium battery chamber;automatic fire extinguishing;electric-contact thermometer;HFC-227ea/FM200

TM 912.9

A

1002-087 X(2013)11-1956-03

2013-04-05

趙黎華（1975—），男，山西省人，高級工程師，主要研究方向為電池及相關產品產品檢測。