鋰電池熱失控煙氣監測儀氣路設計研究

何瑾 郭海東 楊旭 朱垚垚

摘要：

為準確監測鋰電池熱失控煙氣中的危險氣體濃度，為鋰電池熱失控提供早期探測手段，設計了泵吸式煙氣監測儀的一體化采樣氣路。對氣路整體結構、反應腔氣室、變徑開口處形狀進行研究，采用可調泵速控制電路，保持監測儀樣氣流速、壓力恒定。測試結果表明，煙氣監測儀的示值誤差和重現性均<15%，滿足鋰電池熱失控煙氣監測儀的定量要求。

關鍵詞：鋰電池；熱失控；煙氣；監測儀；氣路設計

引言

鋰離子電池本身具有潛在的安全隱患，其熱失控產生的氣體具有燃爆和毒害性，極易造成火災爆炸事故[1]。研究表明，產氣檢測對熱失控進行早期預警可能更為靈敏和準確[2]。因此，對鋰離子電池在熱失控時釋放氣體情況進行監測有助于更加準確、深入理解熱失控機理，為鋰離子電池本質安全提供科學依據，為熱失控早期預警提供準確數據，為鋰電池火災滅火救援危險氣體現場偵檢提供可靠技術。

鋰電池熱失控釋放煙氣的主要成分有H2、CO、CO2、O2、碳氫化合物、氟化物等[3]。其煙氣成分監測手段主要有氣相色譜技術、傅里葉變換紅外光譜技術、氣體傳感器技術。其中氣體傳感器技術具有價格便宜、操作簡單、小巧便攜等優點，在鋰電池熱失控早期探測中應用廣泛，主要存在的問題是預警精度不夠、設備造價較高，未在工程中得到大面積普及[4]。為監測鋰電池熱失控產生氣體的濃度實時變化情況，必須提高氣體檢測儀的定量精度。

氣路是氣體流通的通路，氣路設計的好壞將直接影響測試結果的精度和重復性[5]。多組分氣體檢測時，氣路系統的合理設計有助于簡化氣路結構，提高氣體分析組分數量及分析精度。筆者通過設計適用于多組分氣體在線監測的一體化氣路，對氣路材質選擇、流量控制進行研究，通過氣路優化，提升基于氣體傳感器技術的便攜式氣體分析儀的定量精度。

一、氣路宏觀結構設計

氣體檢測儀的氣路主要用于輸送待檢氣體。通過對待檢氣體進行過濾、分流、引流，送入氣體傳感器檢測其成分及濃度，然后將廢氣排出設備，最后用干凈空氣對氣路進行吹掃。通過良好的氣路設計，可提高檢測靈敏度和響應時間，降低檢測噪聲，使檢測結果更準確、快速。在危險化學品泄漏事故和火災的危險氣體偵檢中，消防員往往面臨復雜混合氣體環境，被測氣體具有腐蝕性、吸附性，環境氣體中含有大量煙塵和焦油，由于救援難度大，儀器在使用過程中易面臨持續震動、墜落或液體浸泡等危險。同時，氣體檢測精度受被測氣體壓力、溫度的影響較大，需要保證流路上的被測氣體恒流、恒壓、恒溫。

氣路設計應遵循以下原則：在確定管路直徑時，應盡量保持管路中的樣氣氣壓相同或者相近；在確定管路連接、轉折及進出口形態時應選擇流量損失小的結構形態，使氣體流動順暢，減少死體積；傳感器氣室設計時，應遵循同類型多個廠家多種傳感器通用的原則，拓寬設計的適用性、通用性；氣路整體設計，應考慮工業加工的整體難度和成本。

筆者設計的氣路包括過濾氣路、采樣泵、主通道氣路、分流通道氣路、引流檢測氣路。其中過濾氣路主要用于過濾樣品氣體中的煙塵顆粒和水滴，保護氣路及傳感器不被污染；主通道氣路主要用于將樣品氣體導入分流通道氣路，分流通道氣路主要用于將樣品氣均勻分配給各傳感器；引流檢測氣路主要用于保證進入傳感器中的樣品氣流量及維持壓力穩定，如圖1所示。

二、整體氣路結構設計及實現

整體氣路結構設計主要為確定主氣路及各分流氣路直徑、氣室形狀與體積、氣路及氣室排布、各變徑端口及出口形狀。筆者采用理論估算、仿真計算、復核修正的方式，對氣路的整體結構進行詳細設計。

反應腔氣室為模塊化設計，每個傳感器配一個獨立的氣室模塊共8個，為保證樣氣不受損失，氣室采用并聯的形式組成；每個氣室模塊均設計為氣體直吹傳感器反應面的形式，以加快傳感器反應速度；采用微流控芯片設計一體化氣室，避免震動引起的氣路脫落、漏氣。

壓力損失系數是指流體在通過管道或器件時，由于摩擦、彎曲、收縮等因素而導致的能力損失引起的壓力降。為保證測試精度，須保持氣路中氣體壓力盡量一致，筆者在氣路設計時，綜合考慮不同開口形狀對氣體壓力損失的影響，在氣路變徑、彎折、開口處選擇壓損系數較小的喇叭口和圓形轉彎形狀來設計節流及開口，如圖2所示。

采用MentorGraphics公司的Floefd通過計算流體力學軟件，對氣路各端口的相對壓力進行仿真計算，計算輸入結構模型如圖3所示，流路工況為溫度25℃，壓力101kPa，氣室出口與大氣聯通，出口相對壓強0kPa。仿真結果顯示，主通路前端壓力高于分氣路出口壓力近2倍，同時各分氣路出口壓力相差較大，筆者通過調整各氣路的直徑及端口處的彎曲程度，經過參數修正優化后，采用3D打印的方法，制作出一體化氣室和采樣氣路。

三、可調泵速控制電路

為了得到精確的測量值，必須保證樣氣的流量和壓力穩定。由于鋰電池熱失控釋放煙氣中可能含有大量煙塵和焦油，采樣過程中易導致過濾器堵塞，造成氣路中氣體流量不穩定，從而影響檢測結果的準確性。當采樣流量降低到氣體傳感器最低工作流量后，氣體傳感器將無法輸出氣體濃度數據。為解決這一問題，筆者設計了可調泵速控制電路，通過壓力傳感器的反饋值自動調節采樣泵泵速，通過增加或減少采樣泵泵速，實現采樣流量的控制，保證氣路中樣氣流量處于恒定狀態。

采用直流電機采樣泵，通過脈沖寬度調制技術實現泵速調整。脈沖寬度調制有兩個很重要的參數：頻率和占空比。通過改變占空比可以實現電壓調制，占空比越大，所得到的平均電壓越大；占空比越小，所得到的平均電壓也就越小。芯片接受壓力傳感器信號，當樣氣壓力增大時，芯片給出增大占空比的信號，使采樣泵獲得的平均電壓增大，提高采樣泵的采樣頻率，如圖3所示。

四、氣路材料對檢測結果的影響

鋰電池熱失控釋放煙氣中含有大量易被吸附的氣體組分，為保證測試結果的準確性，要求氣路能盡量減少對被測氣體的吸附?？赏ㄟ^選擇吸附能力較弱的氣體材料、提高氣路壁面光滑度的方法來降低氣體對被測氣體的吸附。選取易被吸附氣體SO2和HCl來驗證不同氣路材料對樣氣的吸附情況?？紤]到3D打印的可實現性，使用的氣路材料分別為耐高溫樹脂、尼龍和不銹鋼。

將濃度為552μL/L的SO2和1198μL/L的HCl標準氣體通入氣路，后端連接傅立葉紅外氣體分析儀，檢測經過氣路后的氣體濃度，以衡量氣路對氣體的吸附作用。表X為氣路材質對氣體吸附的影響。從表中可以看出，不同氣路材質對不同氣體的吸附大小不同，樹脂和尼龍材質對SO2的吸附較小，對HCl氣體的吸附樹脂>尼龍>不銹鋼，在設計氣路時，盡量采用對樣氣吸附較小的材料來制作氣路，同時在實際檢測時，應將氣路通入氣體充分飽和后再進行檢測，減小吸附對檢測結果的影響。

五、氣體分析儀精度測試

將儀器送至第三方檢測機構，依據JJG551-2021，JJG635-2011，JJG695-2019，JJG915-2008，JJG365-2008，JJF1172-2007規定的要求，采用O2、SO2、CO、NO2、H2S、異丁烯標準氣體，測試了儀器對三種氣體測試的示值誤差、重復性、響應時間。測試結果如表2所示。結果顯示，設計出的氣路用于在氣體測量時，其示值誤差和重現性均良好，CO2和NO2氣體的響應時間為30s和28s，可以通過進一步減小氣路體積、增加樣氣流量進行提升。

結語

鋰電池熱失控釋放氣體監測，可為早期預警、燃爆火災救援提供有力支撐。由于氣體監測手段的缺乏，雖然目前國內外學者針對電池的燃燒特性做了大量研究，但是目前對于鋰電池熱失控的研究還主要局限于溫度場和救援戰術的研究，對于火災的產氣特性研究甚少。筆者對基于氣體傳感器原理的便攜式氣體分析儀的氣路設計進行了研究，通過理論計算、仿真模擬，設計出可同時監測8種氣體組分的一體化氣路，并對氣路材質、壓力穩定性進行驗證，測試結果表明，設計的一體化氣路吸附性小、樣氣壓力穩定、測試精度高、重復性好，為鋰電池熱失控煙氣釋放規律、氣體早期探測提供有效手段。

參考文獻

[1]Feng X N， Ren D S， He X M， et al. Mitigating thermal runaway of lithium-ion batteries[J]. Joule， 2020， 4（04）： 743-770.

[2]Sturk D， Rosell L， Blomqvist P， et al. Analysis of Liion battery gases vented in an inert atmosphere thermal test chamber[J]. Batteries， 2019， 5（03）： 61.

[3]Fernandes Y， Bry A， de Persis S. Identification and quantification of gases emitted during abuse tests by overcharge of a commercial Li-ion battery[J]. Journal of Power Sources， 2018， 389： 106-119.

[4]李正力， 李肖輝， 王京， 等. 鋰離子電池儲能電站熱失控預警與防護研究進展[J/OL].高壓電器.

[5]劉偉玲， 楊彩雙， 冉多鋼.基于傳感器陣列的惡臭氣體檢測[J]. 儀表技術與傳感器，2017，2：66-69.