1、文章编号:1009-6094(2023)07-2280-08飞机货舱锂离子电池火灾烟雾光散射特性*周勇1，郑荣2，李聪1，杨泽伟1，全珈兴1，程旭东1，陈维旺3(1 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026;2 三明学院信息工程学院，福建三明 365004;3 中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室，天津 300300)摘要:锂离子电池应用广泛，飞机货舱内不可避免地会运载锂离子电池或含有锂离子电池的货物，导致货舱内锂离子电池火灾时有发生。然而，研究者对飞机货舱感烟火灾探测器是否适用于锂离子电池火灾及响应性能的认识尚不清楚。航空标准 SAE AS8036A 是为测试和评估飞
2、机货舱感烟火灾探测器性能而制定的，其中仅规定了几种标准测试火，并没有锂离子电池火灾相关内容。使用 SAE AS8036A 标准中规定的试验装置，研究了两种荷电状态的 18650 锂离子电池火灾烟雾光散射特性，并选取 SAE AS8036A 标准中规定的2 种阴燃烟雾、2 种明火烟雾及 2 种粉尘干扰气溶胶作为对比。结果表明，设计的探测器模型采用两种波长入射光(405 nm、850 nm)及两个散射角(45、135)光电二极管，能区分识别火灾烟雾与粉尘干扰气溶胶，并且判断是否为锂离子电池火灾。关键词:安全工程;飞机货舱;锂离子电池;火灾探测;光散射;气溶胶中图分类号:X932文献标志码:ADOI
3、:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0549*收稿日期:2022 03 30作者简介:周勇，高级工程师，博士，从事火灾探测研究，yongz ustc edu cn;陈维旺(通信作者)，讲师，博士，从事飞机防火、绝热防护、应急技术与方法研究，ww_chen cauc edu cn。基金项目:民航热灾害防控与应急重点实验室开放基金项目(ZH2021 KF 06)0引言飞机货舱火灾严重威胁飞行安全，安装火灾探测系统是应对飞机货舱火灾的重要举措1。目前，飞机货舱的火灾探测主要由基于光散射特性的光电感烟探测技术实现，兼具时效性和稳定性等优点2 3。但由于飞机货舱内的使用环境复
4、杂，干扰源较多，导致货舱探测器误报率一直居高不下。为此，美 国 联 邦 航 空 管 理 局(FederalAviationAdministration，FAA)于2011 年要求美国汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers，SAE)制订火灾探测器性能测试标准，以便对探测器性能进行定量评估。近年来，随着新能源产业大力发展，锂离子电池由于本身具有能量密度高、工作电压高、循环性好、无记忆效应和质量轻等优点而被广泛应用。然而，锂离子电池内含大量易燃易爆材料，在热冲击、过充、短路、振动、挤压等滥用条件下，内部的活性物质及电解液等组分间发生化学反应，产生大量的热量和气
5、体，引起锂离子电池热失控4，进而引发火灾或爆炸等严重事故。飞机作为快速、便捷的运载工具，其货舱也不可避免地会经常运输锂离子电池或含有锂离子电池的货物，导致货舱内的锂离子电池火灾事故时有发生。针对锂离子电池热失控而引发的火灾探测研究已有系列报道。文献 5 8进一步通过大量试验研究了锂离子电池加热、过充、针刺等滥用条件下热失控机理，提出了锂离子电池热失控早期火灾探测特征参量，包括电压、温度和阻抗等。2015 年，罗星娜等9 首次对比测试了感温、感烟、气体成分等探测器针对飞机货舱内锂离子电池火灾的响应性能，但没有深入研究感烟探测响应机理及提出改进方法。2018 年，Koch 等10 最先从探测速度、
6、信号清晰度和传感器可行性 3 个方面全面而系统地评估比较了电压、气体、烟感、蠕变、温度等 7 种探测传感器的性能，结果表明，这 7 种传感器都有各自的优缺点。目前有关锂离子电池热失控阶段的火灾探测研究，大多专门围绕大型锂离子电池仓储及储能电站开展，主要集中于温度、电压、气体成分等特征参量，对飞机货舱内常用的感烟火灾探测器是否适用于锂离子电池火灾及响应性能的研究非常匮乏。鉴于此，本文基于两种波长入射光源、两个散射角度的探测器模型，研究锂离子电池火灾烟雾、标准火烟雾及粉尘干扰气溶胶的光散射特性，并基于采集的散射光电信号及相应的组合，提出一种新的区分方法，用以识别阴燃烟雾、明火烟雾、锂离子电池火灾烟
7、雾及飞机货舱内最常见的粉尘干扰气溶胶。1试验装置及方案1.1试验装置杜伊斯堡 埃森大学的 Behle11 等参考西门子航空(Siemens Aerospace)公司的设计思路研制了一0822第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023种气溶胶试验装置，经过多次调试和改进后12 18，最终试验装置如图 1 所示，主要包括气溶胶发生器、燃烧室、烟密度计和环形通道 4 个部分。随后美国汽车工程师协会(Society of Automotive Engineers，SAE)采纳了
8、这个试验装置19，并在发布的 SAEAS8036A 中给出了使用该试验装置的测试方法。图 1试验平台Fig 1Experimental platform气溶胶发生器是用于产生稳定且持续的无黏性粉末或粉尘气溶胶的装置。在本文研究中，采用德国 Palas 公司的气溶胶发生器(BG 1000)，将试验粉尘分散形成粉尘气溶胶，用于干扰粉尘的相关散射试验。BG 1000 是基于旋转电刷分散器的原理设计的，可以持续稳定地将粒径为 0.1 100 m 的粉尘颗粒分散到空气流中，通过导管喷射出来，形成粉尘气溶胶。采用德国 Lorenz 公司生产的 AML T 型烟密度计测量环形通道内火灾烟雾或干扰气溶胶的消光
9、率参数。消光率是反映气溶胶浓度的重要参考量，气溶胶在单位长度消光率 S 的计算公式为S=1 (P/P0)1/L 100%(1)式中P0为烟密度计光源发射的光功率;P 为接收的光功率;L 为光路长度。消光率的单位一般用%/m 表示。1.2数据采集图 2 给出了整个数据采集系统的逻辑关系图。其中，探测器模型选用两路 LED 光源，波长分别为405 nm 和 850 nm;两路光电二极管接收器，散射角分别为前向 45和后向 135。LED 驱动为光源提供稳定而持续的电流，两路光电二极管产生的光电信号经放大器后由安捷伦 34970A 数据采集仪采集并传输至计算机处理。图 2数据采集系统Fig 2Dat
10、a acquisition system定义不对称比(前向散射信号与后向散射信号之比)相对标准差如下。SD=1N 1Ni=1i()槡2(2)式中N 是选择的不对称比个数;i是第 i 个不对称比;是所选 N 个不对称比的平均值。当 SD足够小时，不对称比趋于稳定，此时进入探测区域的气溶胶处于稳定状态，其不对称比可以用来识别气溶胶种类。1.3试验方案根据航空标准 SAE AS8036A 中 4.6 条规定，UL268 BULLETIN2022火灾报警信号系统安全烟雾探测器 UL 标准 中要选择的标准火为测试 B(木材火)和测试 C(易燃液体火)，EN 54 7:2018火灾探测和火灾报警系统 第
11、7 部分 中要选择的标准火为 TF2(木材阴燃火)和 TF5(液体明火)。此外，考虑飞机货运锂离子电池的情景，本文选取比较常见 18650 型三元锂离子电池作为试验对象。电池容量为 2 600 mAh，标称电压为 3.6 V，外形尺寸的直径为 1.8 cm，高度为 6.5 cm，并分别选取 50%和100%两种荷电状态进行测试;利用外形尺寸与电池相同的加热棒，以加热的方式诱发锂离子电池热失控。综上所述，选取的火灾烟雾见表 1。SAE AS8036A 中 6.2 条规定:测试粉尘应该选用 ISO 12103 1 超细粉尘或同等规格。因此，本文选取了满足标准 ISO 12103 1 的美国亚利桑那
12、试18222023 年 7 月周勇，等:飞机货舱锂离子电池火灾烟雾光散射特性Jul，2023验表 1火灾烟雾类型Table 1Fire smoke type序号试验对象烟雾类型用量1榉木阴燃一块，7.5 cm 4.0 cm 1.0 cm(长 宽 高)2棉绳阴燃3 根，长 8 cm3聚氨酯明火一块，8.0 cm 6.0 cm 2.0 cm(长 宽 高)4正庚烷明火体积，5 mL518650(50%荷电)锂离子电池一节，1.8 cm(直径)6.5 cm618650(100%荷电)锂离子电池一节，1.8 cm(直径)6.5 cm粉尘 A1 和满足标准 DIN EN 60312 的粒径小于 90m 的
13、 白 云 石 砂(Dolomite sand，D90)试 验 粉尘20 21，作为非火灾干扰气溶胶。这两种类型标准试验粉尘分别由美国 PTI(Powder TechnologyInc)公 司 和 德 国DMT(DeutscheMontanTechnologie)公司提供，主要参数见表 2。2结果与讨论2.1阴燃烟雾图 3 和 4 分别展示了 405 nm 和 850 nm 波长入射光源情况下 2 种阴燃烟雾的试验结果，其中每个子图上半部分为烟雾探测器前后向接收器的光电流信(I)及烟密度计的消光率(S)信号随时间的变化曲线，下半部分为前后向散射信号的比值 A(即不对称比)和相对标准差(SD)的变
14、化曲线。根据图 3和 4 中曲线变化情况可知，阴燃烟颗粒能够持续稳定地进入环形通道，从而使前后向散射信号及消光率保持稳定，且前后向散射信号之间具有非常好的一致性。当烟雾浓度上升到一定程度时，不对称比开始趋于稳定，相对标准差会保持较低水平，此时不对称比可用来区分识别气溶胶类型，这种不对称比与气溶胶的对应关系也被 Philipp 等22 23 称为“指纹”对应关系。由于阴燃烟雾通常为灰白色烟雾，对入射光的吸收作用较明火烟雾明显低，因此前后向散射不对称比较大，且短波长(405 nm)入射光的不对称比大于长波长(850 nm)入射光的不对称比。2.2明火烟雾图 5 和 6 分别展示了两种明火烟雾在 4
15、05 nm和 850 nm 两个波长入射光源下的散射信号及不对称比试验测量结果。与阴燃烟雾的试验结果相比，相同消光率条件下，由于明火烟雾多为燃烧不充分的黑炭颗粒，前后向散射信号明显较弱，因此相同报警阈值条件下(即散射信号强度相同)，烟雾探测器表 2标准试验粉尘Table 2Standard test dust序号粉尘类型尺寸范围/m颗粒级别1A10 10超细2D900 90粗图 3405 nm 波长条件下阴燃烟雾试验测量结果Fig 3Experimental measurement results of smolderingfire smoke at 405 nm wavelength需要更高
16、浓度的明火烟雾才能触发报警。在相同波长条件下，两种明火烟雾的不对称比2822Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期图 4850 nm 波长条件下阴燃烟雾试验测量结果Fig 4Experimental measurement results of smolderingfire smoke at 850 nm wavelength图 5405 nm 波长条件下明火烟雾试验测量结果Fig 5Experimental measurement results of flaming firesmoke at 405 nm wavelength图 6850 nm 波长条件下明火烟雾试验测量结果Fig 6Experimental measurement results of flaming firesmoke at 850 nm wavelength非常接近且明显比阴燃烟雾小，这是因为明火烟雾多为黑炭颗粒，对入射光的吸收作用更强。同时，短波长(405 nm)条件下的不对称比相对长波长(850nm)较大，这种变化趋势与阴燃烟雾一致。2.3锂离子电池烟雾图 7 和 8 分别显示
