1、收稿日期 2023 02 03基金项目锂动力电池防爆安全测试技术与装备研究(0739820)作者简介刘鑫宇(1985)，男，工程师，主要研究方向为防爆电气安全认证。锂动力电池防爆安全测试技术与装备研究刘鑫宇，倪春明(上海煤科检测技术有限公司，上海201400)关键词 锂电池;隔爆;泄压;安全 摘要 采用一种网状的隔爆网片来进行隔爆以及泄压，可实现大容量锂电池隔爆箱的快速泄压，减少大容量锂电池隔爆箱外壳承受的耐压强度。中图分类号TM9129 文献标识码A 文章编号 1004 9118(2023)01 0043 04DOI:10 14023/j cnki dqfb 2023 01 011esear
2、ch on Explosionproof Safety Test Technology and Device of Lithium Power BatteryLiu Xin-yu1，Ni Chun-ming2(Shanghai Coal Technology Testing Technology Co，Ltd，Shanghai，201400)Key words:lithium battery;flameproof;pressure relief;securityAbstract:A mesh flameproof pressure relief device is designed which
3、 can help pressure reliefand reduce the pressure strength of the large capacity lithium battery flameproof box0引言目前，大容量防爆锂电池箱主要采用的是隔爆技术结构，当大容量电锂电池发生内部爆炸后，产生的爆炸压力远远大于混合气体产生的爆炸压力，所以需要有一个隔爆型的泄压装置来使得爆炸压力快速地进行释放，同时这种压力装置既要起到隔爆作用，又要起到泄压作用。1大容量防爆锂电池箱泄压装置设计在现有技术中，具备隔爆功能的电池的壳体结构上通常设置有灭火装置，以在电池箱内产生爆炸时，对泄压的气体进
4、行灭火，然而这一结构存在如下诸多缺陷:结构较为复杂，需要牢固地设置于壳体上，以避免在泄压的过程中被爆炸气体炸掉，同时需要足够的空间设置阻火器等结构，对燃烧的气体进行灭火降温，而这势必会占据一定量的电池箱的空间，影响电池的储电容量，而且还极大地增加了电池的生产成本。另外，电池箱通常会处于满载电池模组的情况下，其壳体结构能够给予安装防爆泄压构件的空间有限，因而造成防爆隔离的效果不佳。根据国标 GB/T 3836 22021 的 相 关 规定1，本文设计的装置采用一种网状的隔爆网片来对大容量锂电池箱进行隔爆以及泄压，该防爆泄压构件主要是开设有泄压口的安装构件、覆盖所述泄压口的多孔结构、隔爆接合面等构
5、成。并且，安装构件通过自身的隔爆接合面与隔爆产品的壳体紧固安装，以连通隔爆壳体的内部空间，多孔结构是爆炸气体通过的泄压通道。泄压构件上附有薄膜，正常使用时阻碍隔爆外壳内外的气体交换，以及保证构件的 IP 防护要求。其中，所述泄压通道的周向界面用于接触并冷却所述爆炸气体。在有限的尺寸空间范围之内，实现隔爆泄压装置的安装和有效的泄压。本隔爆泄压装置采用独特的长方形泄压结34防爆试验锂动力电池防爆安全测试技术与装备研究构，长 140 mm，宽 80 mm，该装置由压板(见图1)、底座(见图 2)、泄压隔离栅片(见图 3)等部件组成，如装配图 4、5 所示，泄压隔离栅片通过压板压在底座上，隔离栅片与固
6、定压板之间放入聚乙烯薄膜。图 1压板图 2底座图 3泄压隔离栅片图 4装配图图 5装配图其中，泄压隔离栅片的材质为不锈钢，采用钢网骨架以及上下多层钢丝网压制形成。骨架是由钢丝网的结构支撑，骨架由一层不锈钢丝交叉编织而成，这样的设计增强了装置整体的抗压能力，钢丝网上下各有多层叠片压覆在骨架上，形成一个整体。在隔离栅片与泄压外壳之间采用胶粘的方式固定2。该装置的实物安装图见图 6，该装置设计可承受0 MPa 2 0 MPa 的爆炸气体压力，且对任何体积容量的隔爆壳体都有效果。图 6实物安装图示该隔爆泄压装置结构小巧，能够有效地利用隔爆电池腔内狭小的长方形结构的泄压空间，符合隔爆要求，可以大大地提升
7、隔爆泄压装置的泄压效率，并且可以有效地降低内部爆炸对隔爆外壳的冲击力，减少了对隔爆外壳造成的压力变形。同时，该装置可以减少在传统煤矿井下锂离子电池箱外壳的钢板厚度，有利于大容量锂电池隔爆箱进行轻量化设计，在满足安全性能的前提下，带来了很好的经济价值。2泄压设计效果测试由于爆炸过程是一个极其复杂的物理化学反应过程，当爆炸相关条件发生变化时候，爆炸参数随之变化，且影响较大。控制变量法是实验里常用的一种方法，当一个量随多个量变化而变化时，想要研究这个量与其中一个量的关系时，先控制其他几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响3。对爆炸泄压设计效果的评定即使用该种方法进行，评定主要是依据在试验
8、环境下，限定爆炸相关条件，只改变有无安装隔爆泄压装置这一条件，获取有无隔爆泄压装置时的时间 爆炸压力曲线，对比有无隔爆泄压装置时的爆炸性参数。其中最大爆炸压力、压力上升速率等参数是反映爆炸猛烈程度的重要参数，也是判定隔爆泄压设计效果的重要依据4。44电气防爆 2023 年 2 月第 1 期最大爆炸压力，即在爆炸过程中达到的相对于着火时容器中压力的最大过压值，即 Pmax;压力上升速率，即在爆炸过程当中测得的爆炸 压 力 随 时 间 变 化 曲 线 的 最 大 斜 率，即(dp/dt)max。爆炸压力越大、压力上升速率越大，则爆炸产生的破坏性越大。相对于无隔爆泄压装置时，安装隔爆泄压装置后，爆炸
9、压力越低、压力上升速率越小，泄压装置的效果越好。为了验证该隔爆泄压装置的泄压效果，设计如图 7 所示的实验装置，在隔爆外壳上安装本泄压装置，并在同一隔爆外壳上安装 2 个压力传感器，一个压力传感器安装在泄压装置的对面，另外一只压力传感器安装在泄压装置旁边，以测试爆炸压力，并获取爆炸时的时间 压力曲线。图 7泄压实验装置图示本实验分两部分来进行，首先需测试在没有该泄压装置的情况下，隔爆外壳内发生爆炸时的时间 压力曲线，该步实验的进行是将该泄压装置进行封堵来实现的，即该泄压装置不产生泄压作用;第二步是在不封堵该泄压装置的情况下进行，即测得该隔爆泄压结构件发挥作用情况下，隔爆外壳内发生爆炸时的爆炸时
10、间 压力曲线。2 1封堵泄压装置的爆炸实验将该泄压装置封堵，进行爆炸实验，在测试外壳内测得 2 个部位的压力 时间曲线如图 8 所示，其中 A2 为压力传感器 1 测得的爆炸时间 压力曲线，A3 为压力传感器 2 测得的爆炸时间 压力曲线，从图 8 中可以看出，压力传感器 1 测得的最大爆炸压力为 0 8 MPa，压力传感器 2 测得的最大爆炸压力为 0 55 MPa。2 2不封堵泄压装置的爆炸实验将泄压装置不封堵，隔爆泄压结构件开始产生泄压作用。在同一测试外壳内测得相同 2 个部位的爆炸压力参数。为了验证该隔爆泄压结构件的有效性及泄压效果的稳定性，本实验进行三次重复性实验。图 8封堵泄压装置
11、的爆炸压力曲线未封堵泄压装置的第一次爆炸压力曲线如图9 所示。从图 9 中可以看出:未封堵泄压装置的第一次爆炸实验，压力传感器 1 测得的最大爆炸压力为 0 28 MPa，压力传感器 2 测得的最大爆炸压力为 0 31 MPa。图 9未封堵泄压装置的第一次爆炸压力曲线未封堵泄压装置的第二次爆炸压力曲线如图10 所示。从图 10 中可以看出:未封堵泄压装置的第二次爆炸实验，压力传感器 1 测得的最大爆炸压力为 0 29 MPa，压力传感器 2 测得的最大爆炸压力为 0 29 MPa。未封堵泄压装置的第二次爆炸压力曲线如图11 所示。从图 11 中可以看出:未封堵泄压装置的第三次爆炸实验，压力传感
12、器 1 测得的最大爆炸压力为 0 31 MPa，压力传感器 2 测得的最大爆炸压力为 0 325 MPa。三次试验的爆炸压力对比如表 1 所示。通过封堵泄压装置的爆炸实验和三次不封堵泄压装置的爆炸实验时得到的爆炸压力，对比分析可以得出如下结论:54防爆试验锂动力电池防爆安全测试技术与装备研究(1)不封堵泄压装置时，经过 3 次爆炸测试，在 2 个压力传感器的位置得到的最大爆炸压力基本一致，即隔爆泄压结构件的实际泄压效果具有很好的重复性，泄压效果稳定;(2)不封堵泄压装置时的最大爆炸压力明显低于封堵泄压装置时的最大爆炸压力，其中不封堵泄压装置时压力传感器 1 测得的最大爆炸压力的平均值为封堵泄压
13、装置时的 36 6%，不封堵泄压装置时压力传感器 2 测得的最大爆炸压力的平均值为封堵泄压装置时的 56%。同时不封堵泄压装置时压力上升速率明显低于封堵泄压装置时的压力上升速率，说明该隔爆泄压装置的泄压效果明显。图 10未封堵泄压装置的第二次爆炸压力曲线图 11未封堵泄压装置的第三次爆炸压力曲线表 1爆炸压力对比压力传感器 1压力传感器 2封堵时0 8 MPa0 55 MPa未封堵第一次028 MPa0 31 MPa未封堵第二次029 MPa0 29 MPa未封堵第三次031 MPa0325 MPa未封堵时平均值0 293 MPa0308 MPa3结论目前煤矿井下大容量锂电池箱中，由于内部已经
14、安装有了锂电池，已经占据了较大的电池箱的容量，能够留给安装泄压装置的空间十分有限，常规的泄压装置一般采用了阻火器的结构，结构较大，不适用于煤矿井下的设备安装5。本文设计的隔爆泄压装置有如下特点:(1)本隔爆泄压装置采用一种网状的隔爆网片来进行隔爆以及泄压的作用;(2)本隔爆泄压装置的安装有效地降低了内部爆炸对隔爆外壳的冲击力，减少了对隔爆外壳造成的压力变形。参考文献 1 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会爆炸性环境 第 2 部分:由隔爆外壳“d”保护的设备:GB/T 3836 22021S 北京:中国标准出版社，2022:05 2 姚源 煤矿在用大容量锂离子蓄电池安全性分析及管理措施 J 煤矿安全，2020，51(07):143 146 3 林辉庆 用控制变量法分析多变量问题 J 物理教学，2021，43(06):45 47+55 4 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会爆炸性环境 第1 部分:设备 通用要求:GB/T 383612021 S 北京:中国标准出版社，2022:05 5 姬祥，贠卫国，徐国华，等 矿用大容量锂电池组实时均衡方案设计J 电源技术，2017，41(06):852 85464电气防爆 2023 年 2 月第 1 期