空運鋰電池火災自動報警與聯動控制裝置設計

顏為芹++馬元朋++馬鐘麗++廖維維++劉甜芳++姜乃文++張青松

摘 要：鋰電池火災的燃爆和易復燃等特征使得目前飛機貨艙內配備的哈龍滅火系統無法進行有效的抑制，如不能及時探測、報警和控制，后果極為嚴重。該研究結合鋰電池火災特征，選擇最佳溫度以及合適的探測、滅火裝置，用單片機技術實現聯動，結合實驗對聯動控制裝置設計的可行性進行研究。實驗結果表明，該聯動控制裝置可實現鋰電池火災的有效控制。不僅可為控制空運鋰電池火災提供理論依據，還可為空運鋰電池滅火聯動控制裝置提供技術參考。

關鍵詞：空運 鋰電池火災 自動報警 聯動控制裝置

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0005-02

鋰電池在常溫下物理性質穩定，其內部組成成分與其化學反應是鋰電池火災發生的主要原因，在使用過程中，由于電解物質對熱不穩定等原因，導致鋰電池內部組成元件發生化學反應，從而導致鋰電池發生燃燒。外部的因素也是引起鋰電池火災發生的原因之一，外部環境（測試方法錯誤、錯誤的充放電、碰撞、進水等）的影響會導致鋰電池內部條件發生變化，這種變化會導致鋰電池內部失去平衡，從而導致鋰電池起火燃燒，進而發生火災。

鋰電池在受熱后的燃燒過程中存在初爆和二次燃燒兩個關鍵節點，而且在空運環境下一節鋰電池發生起火會導致周圍全部鋰電池發生熱失控，鋰電池中發生的各類分解反應均發生在溫度較高的環境中，整個燃燒過程很短，僅為2 s左右且燃燒十分劇烈，因此為及時對鋰電池火災進行有效控制，應重點抓住合適的溫度進行響應。

筆者通過研究鋰電池燃燒機理與火災特征，采用有針對性的探測手段和滅火裝置，通過單片機實現聯動控制，實現鋰電池火災的有效自動報警與聯動控制滅火，從而控制鋰電池火災及其復燃，以減少鋰電池火災的風險性與危害性。

1 鋰電池火災自動報警與聯動控制裝置參數選取

若在發生反應前后有效地降低溫度，可以使反應終止或防止反應的發生，從而達到抑制鋰電池燃燒爆炸的目的。同時，在滅火完成后，由于電池內部溫度依然在其自燃點之上，仍然存在發生復燃的風險。因此，溫度是鋰電池火災控制的關鍵參數，應基于溫度選取各種探測滅火裝置。

基于鋰電池的火災特征，滅火劑不僅需要對鋰電池火災進行有效的滅火，同時還要通過降低電池溫度，預防復燃的發生。

通過不同滅火劑特性之間的比較，細水霧滅火劑具有如下優點：冷卻效果好、可屏蔽熱輻射、可部分吸收煙塵和毒氣，最主要的是，細水霧能夠有效地控制火災的溫度，從而達到滅火、防止復燃的效果，并且細水霧價格低廉、來源廣、實用性高，所以實驗選取細水霧作為滅火劑。

K型熱電偶使用溫度范圍在0 ℃～800 ℃，測溫精度為±1 ℃。鋰電池初爆響應溫度約為185 ℃，燃爆響應溫度約為570 ℃，為準確地探測鋰電池的溫度，減小誤差，選擇K型熱電偶作為溫度探測器。

裝置選用常閉繼電器進行動作。在通電后，若溫度沒有達到設定溫度，不拉高電壓，兩觸點是斷開的，即不噴水；當溫度達到設定溫度時，通過拉高電壓使兩觸點閉合，即噴水，溫度降低時電壓再回到低電位。為實現探測與滅火的聯動，選取C51單片機，通過單片機上的編程來判定系統是否動作。

2 鋰電池火災自動報警與聯動控制原理

2.1 自動報警的實現

該實驗使用C51單片機，選用K型熱電偶作為敏感元件，利用AD轉換器和溫度報警電路，在溫度較高時使蜂鳴器動作進行自動報警。C51單片機相當于一個橋梁，聯系著傳感器和報警電路設備。當周圍環境溫度達到我們設定的數值時，溫度傳感器把被測的物理量作為傳輸參數，轉換為電量（電壓）輸出。傳感器將物理信號經過A/D轉換器轉換為可以利用識別的電信號并傳輸給單片機，接收到信號的單片機經過程序的設定直接啟動報警電路。此時，揚聲器發出聲音，就達到了溫度報警的效果。

2.2 自動滅火的實現

鋰電池燃燒時，K型熱電偶探測到溫度后返回一個0～5 V的電壓，根據探測器上A/D轉換器的精度不同，將電壓值轉換為相應的數值傳到C51單片機上，再由單片機中傳感器元器件模塊的資料，將不同的數值對應轉換為不同的溫度。通過單片機上的主程序判斷是否到達滅火溫度，當達到設定的滅火溫度時，發出警報，并拉高電壓，使繼電器動作，噴出細水霧，降低溫度，以達到控制鋰電池火災的目的。

3 鋰電池火災自動報警與聯動控制裝置實驗

3.1 實驗設計

為驗證聯動控制系統的可行性，在100 L實驗艙中我們將8節30%電量的電池正極朝上，緊貼加熱棒，用3×3卡套固定，并選擇150 W加熱棒，設定溫度的上限和下限，對3×3分布的鋰電池組的一角進行加熱，通過加熱棒使鋰電池溫度升高。

3.2 實驗分析

初爆停止加熱不分離加熱棒，當溫度達到389.2 ℃時，警報裝置發出警報，并噴水霧，電池溫度明顯迅速下降，在噴水霧的間隔時間，溫度有回升跡象，通過實驗試驗艙內視頻回放可知，溫度回升是電池發生爆燃以及電池熄火前的持續燃燒所致；各節電池按照到加熱棒距離的增加依次降低，且進行噴水霧后，各節電池溫度較之前實驗數據均有明顯下降，降溫效果明顯，而且整個過程沒有人為干預，整個實驗過程依靠聯動控制自動完成，說明該裝置可以實現鋰電池火災的自動報警及聯動控制。

4 結語

該研究通過理論和實驗分析，選取細水霧作為鋰電池火災的滅火劑，選用合適的探測裝置，最后利用單片機設計完成聯動控制滅火裝置。（1）經鋰電池火災特征分析，細水霧噴射與其他方式相比，能夠有效控制火災溫度，從而達到滅火效果。（2）探測裝置能夠準確把握鋰電池火災特征溫度，探測數據真實有效，單片機能夠快速準確地轉換數據，動作迅速，噴水效果明顯，該套聯動控制裝置具有可行性。雖然該研究提供的裝置能夠有效控制鋰電池火災，但該研究在實驗室進行，在投入實際應用方面還有待考證，還需在具體應用中不斷完善。

參考文獻

[1] 曹立波，樂中耀，白中浩，等.鋰離子動力電池燃燒機理及其防護措施[J].汽車工程，2003，25（6）：566-568.

[2] 趙飛.對鋰電池安全問題的風險管理[D].華東理工大學，2012.

[3] 戚瀚鵬.空運鋰電池ULD集成滅火系統研究[D].中國民航大學，2015.