趙黎華，賈曉川，栗建永，張 慧，李 翔

（天津市出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津 300191）

具有自動(dòng)滅火裝置的鋰電池試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

趙黎華，賈曉川，栗建永，張 慧，李 翔

（天津市出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津 300191）

隨著鋰電池越來越廣泛的應(yīng)用，其生產(chǎn)與檢驗(yàn)領(lǐng)域的研究也隨之增多。鋰電池環(huán)境性能測試（高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、熱沖擊、溫度循環(huán)）是針對其安全性能的系列測試項(xiàng)目，鋰電池環(huán)境性能試驗(yàn)箱作為檢驗(yàn)領(lǐng)域廣泛使用的裝置，安全特性是一個(gè)重要指標(biāo)。針對目前鋰電池試驗(yàn)箱在安全設(shè)計(jì)上的不足，提出并設(shè)計(jì)了一套具有自動(dòng)滅火裝置的鋰電池環(huán)境性能試驗(yàn)箱，以電接點(diǎn)溫度計(jì)、七氟丙烷滅火劑瓶等組成自動(dòng)滅火裝置。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)箱性能穩(wěn)定，效果良好，彌補(bǔ)了現(xiàn)有鋰電池試驗(yàn)箱在安全方面的技術(shù)缺陷。

鋰電池試驗(yàn)箱；自動(dòng)滅火；電接點(diǎn)溫度計(jì)；七氟丙烷

鋰電池為人們?nèi)粘９ぷ?、生活中廣泛使用的電子產(chǎn)品，其安全性能在世界范圍內(nèi)也受到了普遍重視，幾乎所有發(fā)達(dá)國家對鋰電池產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等都有嚴(yán)格的限制。制定了相關(guān)的法律法規(guī)和相應(yīng)檢測標(biāo)準(zhǔn)，國際民航組織（ICAO）和國際海事組織（IMO）都將鋰電池作為危險(xiǎn)品，規(guī)定電池必須通過某些性能測試才能進(jìn)行運(yùn)輸。在鋰電池檢測中，環(huán)境適應(yīng)性能是其重要檢測項(xiàng)目，包括高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、熱沖擊、溫度循環(huán)等系列測試項(xiàng)目，測試電池在使用、裝卸或運(yùn)輸中遭受極端溫濕度環(huán)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(jià)。

目前，應(yīng)用于鋰電池環(huán)境性能檢測領(lǐng)域的溫濕度控制試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)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(jìn)行高溫、濕度循環(huán)等檢測時(shí)容易發(fā)生爆炸、起火等情況，當(dāng)其中一塊電池發(fā)生危險(xiǎn)情況，常引起連鎖反應(yīng)，而現(xiàn)有的溫濕度試驗(yàn)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(yàn)箱內(nèi)溫度劇增，出現(xiàn)爆燃等情況，后果十分危險(xiǎn)。所以，在箱內(nèi)溫度異常劇增時(shí)，及時(shí)降溫、瀉壓，特別是滅火功能十分重要[3]。

因此，針對現(xiàn)有溫濕度控制試驗(yàn)箱在安全設(shè)計(jì)上的不足與缺陷，提出并設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)滅火裝置的鋰電池試驗(yàn)箱。它能夠在試驗(yàn)箱內(nèi)由于試驗(yàn)鋰電池出現(xiàn)爆燃導(dǎo)致箱內(nèi)溫度劇增時(shí)，控制啟動(dòng)滅火裝置進(jìn)行滅火，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

具有自動(dòng)滅火裝置的鋰電池試驗(yàn)箱是在原有溫濕度控制試驗(yàn)箱體的基礎(chǔ)之上增加一套自動(dòng)滅火裝置，該自動(dòng)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(diǎn)溫度計(jì)[5]等構(gòu)成。當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)由于試驗(yàn)鋰電池出現(xiàn)爆炸、燃燒等特殊情況時(shí)，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度劇增時(shí)，控制裝置啟動(dòng)電磁閥，使七氟丙烷鋼瓶中的七氟丙烷滅火劑噴出實(shí)現(xiàn)滅火，其相應(yīng)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)組成

具有自動(dòng)滅火裝置的鋰電池試驗(yàn)箱的外觀結(jié)構(gòu)主要包括試驗(yàn)箱體及其附屬器件、滅火控制箱系統(tǒng)、七氟丙烷滅火劑瓶組等部分，其相應(yīng)的外觀示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)外觀示意圖

2.1 試驗(yàn)箱體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)箱體的箱壁由外殼鋼板、保溫層和內(nèi)膽鋼板構(gòu)成；在試驗(yàn)箱體的側(cè)壁加工有兩個(gè)穿壁孔，兩個(gè)穿壁孔分別貫穿外殼鋼板、保溫層和內(nèi)膽鋼板；傳感器探頭導(dǎo)管的外徑、鋼管套管的外徑分別與對應(yīng)的穿壁孔直徑緊密配合。

傳感器探頭導(dǎo)管從外部依次穿過試驗(yàn)箱體的外殼鋼板、保溫層和內(nèi)膽鋼板，嵌裝在對應(yīng)的穿壁孔內(nèi)，傳感器探頭導(dǎo)管與外殼鋼板、內(nèi)膽鋼板的結(jié)合處通過焊接的方法固定密封，傳感器探頭導(dǎo)管處于試驗(yàn)箱體的外側(cè)一端的管口設(shè)有內(nèi)螺紋。

電接點(diǎn)溫度計(jì)的傳感器探頭部分以傳感器探頭導(dǎo)管為導(dǎo)管，穿入試驗(yàn)箱體內(nèi)部，電接點(diǎn)溫度計(jì)通過其表頭下端的外螺紋與傳感器探頭導(dǎo)管的內(nèi)螺紋配合，緊固安裝在傳感器探頭導(dǎo)管上。

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

鋼管以鋼管套管為導(dǎo)管，穿入試驗(yàn)箱體內(nèi)部，鋼管外徑與鋼管套管內(nèi)徑間隙配合，在鋼管套管處于試驗(yàn)箱體箱壁外側(cè)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(yàn)箱體內(nèi)的一端通過接頭連接嘴噴；另一端通過接頭連接膠管，經(jīng)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(tǒng)

滅火控制箱系統(tǒng)的控制由手動(dòng)控制電路和自動(dòng)控制電路組成，通過三位選擇開關(guān)SA選擇和切換，其結(jié)構(gòu)分別與電磁容器閥、電接點(diǎn)溫度計(jì)連接，通過電接點(diǎn)溫度計(jì)采集溫度信號，控制電路根據(jù)采集的溫度信號控制電磁容器閥動(dòng)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(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)部腔室的試驗(yàn)電池出現(xiàn)爆燃導(dǎo)致箱內(nèi)溫度劇增時(shí)，電磁容器閥動(dòng)作，滅火劑從滅火劑鋼瓶的瓶口流出，經(jīng)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(shí)物連接圖如圖3所示。

圖3 滅火劑瓶組實(shí)物連接圖

3 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 電接點(diǎn)溫度計(jì)

溫度檢測是滅火裝置的重要部分，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火的基礎(chǔ)。在本裝置中，采用WSSX-400型，可以直接測量各種生產(chǎn)過程中-80～500℃范圍內(nèi)體、蒸汽和氣體介質(zhì)的溫度，利用溫度變化時(shí)帶動(dòng)觸點(diǎn)變化，當(dāng)其與上下限觸點(diǎn)接觸或斷開的同時(shí)，使電路中的繼電器動(dòng)作，從而自動(dòng)控制及報(bào)警。WSSX-400型廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場對溫度需自動(dòng)控制和報(bào)警的領(lǐng)域。

該鋰電池試驗(yàn)箱內(nèi)的試驗(yàn)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(diǎn)溫度計(jì)電路連接圖

3.2 滅火控制箱電路設(shè)計(jì)

在該試驗(yàn)箱中，硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要指滅火控制箱的控制電路部分，由手動(dòng)控制和自動(dòng)控制電路組成，通過三位選擇開關(guān)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(dòng)滅火實(shí)現(xiàn)原理及過程

該試驗(yàn)箱的自動(dòng)滅火功能主要由3.2節(jié)所述的滅火控制箱來完成，其相應(yīng)的工作過程如下：（1）當(dāng)選擇手動(dòng)控制時(shí)，選擇開關(guān)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(diǎn)KA-1、常開觸點(diǎn)KA-2、常開觸點(diǎn)KA-3吸合，常閉觸點(diǎn)KA-4、常閉觸點(diǎn)KA-5斷開，電路通過常開觸點(diǎn)KA-1自保持導(dǎo)通狀態(tài)；電源相線通過常開觸點(diǎn)KA-2連接到電磁容器閥的開閥端子，電磁容器閥動(dòng)作，滅火劑從滅火劑鋼瓶的瓶口流出，經(jīng)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(dāng)選擇自動(dòng)控制時(shí)，選擇開關(guān)SA將電源相線與中間繼電器KA的常開觸點(diǎn)KA-2的一端連接，常開觸點(diǎn)KA-2的另一端連接電接點(diǎn)溫度計(jì)的動(dòng)觸點(diǎn)M端，電接點(diǎn)溫度計(jì)的上限觸點(diǎn)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(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)部腔室溫度處在設(shè)定范圍時(shí)，電接點(diǎn)溫度計(jì)的動(dòng)觸點(diǎn)M端與上限觸點(diǎn)H端處于斷開狀態(tài)，中間繼電器KA不動(dòng)作，常開觸點(diǎn)KA-2保持常開，常閉觸點(diǎn)KA-4保持常閉，電源相線通過常閉觸點(diǎn)KA-4連接到電磁容器閥的關(guān)閥通路，電磁容器閥處于關(guān)閉狀態(tài)；

（5）當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)部腔室的試驗(yàn)電池出現(xiàn)爆燃導(dǎo)致箱內(nèi)溫度劇增時(shí)，電接點(diǎn)溫度計(jì)的動(dòng)觸點(diǎn)M端與上限觸點(diǎn)H端接通，中間繼電器KA吸合，中間繼電器KA的常開觸點(diǎn)KA-1、常開觸點(diǎn)KA-2、常開觸點(diǎn)KA-3吸合，常閉觸點(diǎn)KA-4、常閉觸點(diǎn)KA-5斷開，電源相線通過常開觸點(diǎn)KA-2連接到電磁容器閥的開閥端子，電磁容器閥動(dòng)作，滅火劑從滅火劑鋼瓶的瓶口流出，經(jīng)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(jié)束語

鋰電池由于具有電壓高、能量大等優(yōu)點(diǎn),是目前化學(xué)電源行業(yè)最新發(fā)展方向之一。用于鋰電池生產(chǎn)與檢測的設(shè)備不斷出現(xiàn)，但絕大部分不具備自動(dòng)滅火功能。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有自動(dòng)滅火裝置的鋰電池試驗(yàn)箱經(jīng)過改革創(chuàng)新，在試驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)滅火裝置，結(jié)構(gòu)簡單，直觀方便，具有自動(dòng)切斷電源和報(bào)警功能，既保證了安全需要，又延長了設(shè)備的使用壽命。

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

[2] 魏宇鋒,張繼東,費(fèi)旭東,等.鋰離子電池產(chǎn)業(yè)政策研究及檢測標(biāo)準(zhǔn)分析[J].電池工業(yè),2011,16(3):189-192.

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

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

[5] 崔玉峰,王恩.電接點(diǎn)溫度計(jì)接點(diǎn)測試及自動(dòng)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?yàn)殡姵丶跋嚓P(guān)產(chǎn)品產(chǎn)品檢測。