CN116298975A - 一种电池热失控的早期烟气特征测试平台及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测试仪器领域，具体涉及一种电池热失控的早期烟气特征测试平台以及早期烟气特征的测量方法。该测试平台用于测量待测电池在不同引发条件造成的热失控状态下对应的早期烟气特征。平台内包括：试验容器、气流组织***、风速传感器、声压传感器、气压传感器、失控引发机构、烟道气体在线分析组件、采样装置、电学测量组件，以及上位机。其中，试验容器包括燃烧室和烟道。气流组织***向试验容器内通入背景气体，并使得背景气体从燃烧室底部进入，并在电池下方向上抬升，最后沿烟道末段排出。烟道气体在线分析组件包括第一热电偶传感器、气体分析仪、VOC监测仪。本发明解决了电池热失控的早期烟气特征研究难度大，危险性高的问题。

Description

一种电池热失控的早期烟气特征测试平台及其测量方法
技术领域
本发明属于测试仪器领域，具体涉及一种电池热失控的早期烟气特征测试平台以及电池热失控早期烟气特征的测量方法。
背景技术
锂电池等可充电电池技术的快速进步使得电子产业和新能源汽车产业的发展进入了快车道。在环保观念日益深入的今天，以电动汽车为代表的新能源汽车大有直接取代燃油汽车发展势头。在这种趋势中，提高电池能量密度和充电性能，以及提升电池的安全性正成为技术人员亟需解决的技术难题。
但电池热失控引发的火灾严重威胁用电设备的安全，安全性成为制约其发展的重要因素。考虑到电池热失控导致的火灾事故具有发展速度快、难以逆转和危害性大的特点，因此，对电池热失控进行早期探测，为电池安全防护或火情防护预留反应时间，是电池安全领域的一个重要研究方向。
对于锂电池等一系列可充电电池而言，在电池发生热失控后，一般会释放出氢气、甲烷、一氧化碳等气体，当发生爆燃或产生明火后也会产生烟颗粒。因此，如果分析电池热失控早期的烟气特征，并以此设计相应的探测器，应当可以实现及时监测电池的热失控风险的目标。此外，考虑到可充电电池的种类的多样性，以及引发热失控的原因众多；因此，对不同类型电池在不同条件引发的热失控状态下的早期特征进行分类研究也是非常有必要的。特别地，电池在发生热失控甚至是爆燃后，不同时期的烟气特征和燃烧状态存在明显差异，因此对不同时期的特征信息进行准确分类也很有必要。
然而，在现有的技术条件下，电池的热失控研究并没有专门的测试平台。技术人员通常采用现有的各类工业品性能测试所用的燃烧测试设备来实施各类测试，或是自主搭建小型的测试平台来实施测试实验。这不仅具有很高的安全风险，也难以获得有效的高精度数据。综上所述，现有的锂电池热失控实验的装置无法满足有效识别锂电池热失控早期烟气特征的问题。本领域技术人员亟需一套安全性高，且性能更加全面的电池热失控烟气试验装平台，对电池热失控早期的特征规律进行研究。
发明内容
为了解决电池热失控的早期烟气特征研究难度大，危险性高，缺乏专用的测试仪器的问题；本发明提供一种电池热失控的早期烟气特征测试平台以及电池热失控早期烟气特征的测量方法。
本发明采用以下技术方案实现：
一种电池热失控的早期烟气特征测试平台，其用于测量待测电池在不同引发条件造成的热失控状态下对应的早期烟气特征。该型早期烟气特征测试平台包括：试验容器、气流组织***、风速传感器、声压传感器、气压传感器、失控引发机构、烟道气体在线分析组件、采样装置、电学测量组件，以及上位机。
其中，试验容器包括燃烧室和烟道。燃烧室的中央设置一个电池夹具；燃烧室的底部设有气体入口，顶部设置呈倒漏斗状的集烟罩，集烟罩顶部的气体出口与一根水平放置的烟道连通。烟道中与燃烧室的接口处设置稳流管，烟道的外壁上设置多个设备安装用通孔。
气流组织***用于向试验容器内通入背景气体，并形成一个使得背景气体从燃烧室底部进入，并在电池夹具下方向上竖直抬升，最后沿烟道末段的出口排出的气体对流环境。
风速传感器安装在烟道中稳流管后10cm处。声压传感器安装在燃烧室内并用于测量电池热失控过程的噪声信息。气压传感器安装在燃烧室内并用于测量电池热失控过程中环境瞬时气压的状态数据。
失控引发机构安装在电池夹具处，失控引发机构包括针刺执行器、挤压执行器和加热装置，三者分别用于对待测试的电池进行针刺、挤压和加热操作。
烟道气体在线分析组件包括第一热电偶传感器、气体分析仪、VOC监测仪。烟道气体在线分析组件中的各项仪器安装在烟道外壁上的各个通孔中，且检测元件***到烟道内。第一热电偶传感器位于烟道前端最靠近稳流管的一侧，气体分析仪和VOC监测仪位于相对第一热电偶传感器靠后的一侧。
采样装置包括烟雾颗粒采样装置和烟气采样装置；采样装置中的各项仪器安装在烟道外壁上的通孔中，并位于靠近烟道末端的位置。
电学测量组件安装在电池夹具中。电学测量组件通过电极片与待测量的电池电连接，电学测量组件用于模拟出待测电池的充电、放电和自然状态，并获取电池在测量过程中的电参数。此外，电学测量组件还用于模拟电池的短路故障。
上位机与气流组织***、风速传感器、声压传感器、气压传感器、失控引发机构、在线分析机构、采样装置和电学测量组件电连接。上位机是整个测试平台的控制中心和数据处理中心，上位机可以向其它仪器或执行器下达控制指令，或采集仪器、传感器的检测数据，并对各类数据进行分析和处理，最终得出电池热失控的早期特征的分析报告。在本发明中，上位机分别用于：
一、控制气流组织***在燃烧室内产生满足预设条件的均匀对流的背景气体环境，并保证初始状态下风速传感器的实测值为0.2±0.02m/s。
二、控制失控引发机构或电学测量组件按照测量任务引发待测电池热失控，并结合声压传感器的采样数据确定热失控的触发时刻。
三、获取在线监测组件、电学测量组件和气压传感器的实时测量数据。
四、获取采样装置采集到的样本在离线设备中的样本检测结果。
五、对在线测量的样本数据和样本离线分析的检测结果进行综合分析，并生成一份完整的电池热失控早期烟气特征分析报告。
作为本发明进一步的改进，试验容器中还包括至少一个可开合的密封门以及至少一个透明的观察窗。试验容器的内部设置防火层。
此外，在试验容器的观察窗外设置同时具有红外和全彩摄像头的双目相机，双目相机用于记录热失控实验过程中的影像数据。
作为本发明进一步的改进，气流组织***包括：高压气瓶、阀体、气体流量计、离心风机，以及低速轴流风机。高压气瓶内盛装有所需的背景气体。阀体用于控制高压气瓶向燃烧室排放背景气体的阀门开度。气体流量计分别安装在燃烧室气体入口和烟道出口的位置，用于测量两处流经的气体流量；离心风机安装在烟道的末端，用于将燃烧室内的气体从试验容器中排出。低速轴流风机安装在燃烧室底部正对电池夹具的位置，并用于产生竖直向上的升力。
作为本发明进一步的改进，背景气体采用氮气，或采用氮气与氧气按照8:2的物质的量比经混气阀混匀后的混合气体。
作为本发明进一步的改进，电池夹具上还设置有第二热电偶传感器和压力计，第二热电偶传感器用于测量待测电池在热失控过程中的表面温度。压力计用于测量待测电池在热失控过程中的膨胀压力。
作为本发明进一步的改进，电池夹具中包括一个安装槽，加热装置中的电加热管安装在电池夹具内部靠近安装槽底壁的位置。挤压执行器安装在电池夹具正上方，并可相对电池夹具沿水平方向转动。挤压执行器采用向下进给的液压机构；且在液压机构的压头前端安装钢针后，构成所需的针刺执行器。
作为本发明进一步的改进，烟雾颗粒采样装置采用铜网碳膜。获取的烟雾颗粒物样本采用TEM电子显微镜进行分析，以获取烟气中含有的颗粒物的成分、结构信息(如形貌和粒径)和浓度信息。
烟气采样装置包括采样泵、取样管和真空气袋；采样泵通过取样管从烟道内抽取样本气体，并储存在真空气袋内。采集到的气体样本通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行样本分析。
作为本发明进一步的改进，早期烟气特征测试平台中还包括安全***，安全***用于在测试结束后向燃烧室内喷射全氟己酮或液氮，以实现防火降温。
本发明还包括一种电池热失控早期烟气特征的测量方法，其用于利用前述的电池热失控的早期烟气特征测试平台完成电池在不同热失控状态的早期烟气特征分析；所述测量方法包括如下步骤：
一、调试阶段：
S1：将待测电池安装在燃烧室内的电池夹具上，并密封燃烧室。
S2：通过背景气体置换试验容器内部气体，并形成稳定均匀的气体对流环境，同时控制烟道内的气体流速。
S3：采用检测仪器或传感器对燃烧室与烟道内各处的环境参数进行持续监测，并对电池的电参数进行监测。
环境参数包括：燃烧室声压、燃烧室瞬时气压、烟道气体温度，烟道风速、烟道气体的成分及浓度。
二、实测阶段
S4：按照预设的测量任务采取加热、挤压、针刺、短路中的一种或任意多种操作引发待测电池热失控。
S5：结合燃烧室内声压测量数据与加热、挤压、针刺或短路操作的执行时间综合判断待测电池的热失控发生时刻。
S6：根据各检测仪器或传感器的精确响应时间，将检测数据划分为热失控前阶段和热失控后阶段。并在窗口期通过采样装置对烟道中的烟雾颗粒和烟气进行采样；其中，窗口期指电池热失控产生的早期烟气流经采样装置处的时段。
S7：在获取所需的测试数据后，停止向燃烧室内通气，对待测电池进行灭火和降温，直到电池爆燃风险消除。
S8：对采样装置获取的烟雾颗粒和烟气样本进行离线检测。
S9：结合在线检测过程获得的热失控前阶段和热失控后阶段的过程数据以及离线检测的实验数据，分析得到待测电池在热失控状态下的早期烟气特征。
作为本发明进一步的，在步骤S3中，采用VOC监测仪和气体分析仪协同监测烟道气体的成分及浓度，并采用第一热电偶传感器监测烟道气体温度。
步骤S6中，VOC监测仪的精确响应时间为：
Figure BDA0004141150360000051
上式中，tVOC为VOC监测仪的初始响应时间；s1为VOC监测仪与稳流管之间的距离；f为待测电池热失控状态下控稳流管后10cm处的风速。
气体分析仪的精确响应时间为：
Figure BDA0004141150360000052
上式中，tgas为气体分析仪的初始响应时间；s2为气体分析仪与稳流管之间的距离；d为气体分析仪中的采样管的管径，l为气体分析仪中的采样管的长度，Q为气体分析仪单位吸力对应的流量值。
第一热电偶传感器的精确响应时间为：
Figure BDA0004141150360000053
上式中，tT为热电偶的初始响应时间；s3为第一热电偶传感器与稳流管之间的距离。
本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的电池热失控的早期烟气特征测试平台中集成了电池热失控测量所需的各项指标的测量仪器，并对测试平台的结构设计和控制***进行优化，进而可以高度自动化地完成电池热失控实验过程中各项复杂的操作和繁杂的数据处理工作。最终降低了实验过程的安全隐患，并提高了各项指标数据的采集精度和效果。该型测试平台性能强大，可以适用于对多种不同型号电池，以及不同热失控引发条件下的测试任务，因而具有极高的实用价值。
本发明设计的测试平台中采用了一种特殊的气流组织***，该***可以在测试容器内部产生由背景气体形成的均匀、单一的温度气流环境，既可以带动电池热失控产生烟气向后端的监测仪器流动，又可以降低环境气体对测试试验的干扰。并且在烟气产量流量较小时采用正压送风作为载气的模式组织气流，解决了由于烟气流动不均匀对于电池热失控烟气测量准确性的影响；因而非常适合用于对电池热失控早期的烟气特征进行研究。
相对传统测试方案，本发明的测试平台还可以有效控制气流的对流过程，进而便于精准控制各个检测仪器的响应时间，有效可以避免烟气流动速度不均或在燃烧室内滞留对测试结果的影响，并最终显著提高各项数据指标的检测精度和可靠性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1中提供的一种电池热失控的早期烟气特征测试平台的结构及设备安装布局图。
图2为本发明实施例1中的电池热失控的早期烟气特征测试平台中控制***的模块连接框图。
图3为电池热失控的早期烟气特征测试平台中试验容器的结构示意图。
图4为电池热失控的早期烟气特征测试平台中烟道的结构设计图。
图5为电池热失控的早期烟气特征测试平台中，气流组织***在测试容器中的结构布局图。
图6为实施例1中待测试的圆柱形电池及其电池夹具的装配示意图。
图7为本发明实施例2中提供的一种电池热失控早期烟气特征的测量方法的步骤流程图。
图中标记为：
1、试验容器；10、密封门；11、电池夹具；12、烟道；13、风速传感器；14、声压传感器；15、气压传感器；16、失控引发机构；17、烟道气体在线分析组件；19、电学测量组件；20、第二热电偶传感器；21、压力计；22、气流组织***；100、上位机；101、观察窗；110、集烟罩；120、稳流管；121、吊环螺栓；171、第一热电偶传感器；172、气体分析仪；173、VOC监测仪；181、采样泵；182、烟雾颗粒采样装置；201、双目相机；221、高压气瓶；222、阀体；223、气体流量计；224、低速轴流风机；225、离心风机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种电池热失控的早期烟气特征测试平台，其用于测量待测电池在不同引发条件造成的热失控状态下对应的早期烟气特征。本实施例提供的测试平台是一种由操作人员监督运行的自动化测试平台，电池热失控过程的操作控制由测试平台自动执行，或在操作人员的遥控下按计划执行。试验数据的采集与分析工作则交由平台自动完成。操作人员只需要按照操作手册的要求远程下达测试指令即可。具体地，该测试平台支持测试电池热失控引发条件包括电池被利器针刺、电池被钝器挤压、电池体过热、电池短路，以及上述不同引发条件的组合状态导致的电池热失控故障。
如图1所示，本实施例提供的早期烟气特征测试平台包括：试验容器1、气流组织***22、风速传感器13、声压传感器15、气压传感器、失控引发机构16、烟道气体在线分析组件17、采样装置、电学测量组件19，以及上位机100。如图2所示，上位机100与气流组织***22、风速传感器13、声压传感器15、气压传感器、失控引发机构16、在线分析机构、采样装置和电学测量组件19电连接。上位机100是整个测试平台的控制中心和数据处理中心。上位机100可以向其它仪器或执行器下达控制指令，或采集仪器、传感器的检测数据，并对各类数据进行分析和处理，最终得出电池热失控的早期特征的分析报告。
具体地，如图3所示，试验容器1包括燃烧室和烟道12。燃烧室的中央设置一个电池夹具11，并通过支撑杆连接在试验容器1中燃烧室的内壁上。电池夹具11用来对待测电池进行夹持，并保持电池在试验过程中与电学测量组件19之间处于电连接状态。电池夹具11的结构可以根据待测试的电池的形状进行设计，例如对于软包电池或方形电池则适合放置在带有安装槽的电池夹具11上，同时提高测试平台对不同类型电池的通用性，电池夹具11应当采用可更换的设计。燃烧室的底部设有气体入口，顶部设置呈倒漏斗状的集烟罩110，集烟罩110顶部的气体出口与一根水平放置的烟道12连通。此外，本实施例的试验容器1中还包括至少一个可开合的密封门10以及至少一个透明的观察窗101。密封门10的作用是便于测试人员在测试开始和结束时对燃烧室内部进行安全检查，以及将待测电池正确安装在电池夹具11上。观察窗101采用耐高温的防爆玻璃制备而成，观察窗101则可以允许测试人员在测试过程中观察燃烧室内部电池热失控状态的全过程。当然，为了支持测试人员观察燃烧室内的情景，燃烧室内还应当还具有照明***。同时，本实施例在试验容器1的内壁以及一些特殊的线缆或设备仪器表面还设置了防火层，以防止待测电池的爆燃对相关仪器设备造成损坏。
具体地，在本实施例提供的方案中，采用具有耐高温和抗爆性能的不锈钢板材制备所需的试验容器1。在试验容器1中，电池燃烧室的尺寸根据实际的实验空间需求进行设计。本实施例中建议内腔体为方形的结构，尺寸为1.8m×1.8m×1.8m。观察窗101的建议尺寸为0.4m×0.3m，密封门10的建议尺寸为1m×1.5m。顶部集烟罩110的上端截面的建议尺寸为0.8m，建议高度为0.9m。
在本实施例中，如图4所示，排烟管采用方形管道，本实施例中提供的建议长度为3m，截面尺寸建议为0.4m×0.4m。烟道12中与燃烧室的接口处设置稳流管120，稳流管120为一个内部包含均匀的网孔状通道的管体，稳流管120可以通过均匀排布的一系列网孔状通道将集烟罩110处的“湍流”转换成均匀地且运动速度的方向平行于排烟管延伸方向的“稳流”。本实施例在烟道12的外壁上均匀开设有多个用于安装各类检测仪器的通孔；在通孔未使用时，可采用吊环螺栓121对通孔进行密封。
本实施例中提供的气流组织***22主要用于向试验容器1内通入背景气体，并形成一个使得背景气体从燃烧室底部进入，并在电池夹具11下方向上竖直抬升，最后沿烟道12末段的出口排出的气体对流环境。
具体地，如图5所示，气流组织***22包括：高压气瓶221、阀体222、气体流量计223、离心风机225，以及低速轴流风机224。高压气瓶221内盛装有所需的背景气体。阀体222用于控制高压气瓶221向燃烧室排放背景气体的阀门开度。气体流量计223分别安装在燃烧室气体入口和烟道12出口的位置，用于测量两处流经的气体流量；离心风机225安装在烟道12的末端，用于将燃烧室内的气体从试验容器1中排出。低速轴流风机224安装在燃烧室底部正对电池夹具11的位置，并用于产生竖直向上的升力。
在试验过程中，高压气瓶221不断从燃烧室底部的气体入口处向燃烧室内释放背景气体，气体达到底部后，在低速轴流风机224处的作用下会被向上抬升，并将电池夹具11中的电池体热失控状态下产生的烟气“裹挟”到上部的集烟罩110处。与此同时，烟道12末端离心风机225的抽吸作用会使得烟道12内部气压低于燃烧室内气压，进而导致集烟罩110内的混合烟气被不断通过稳流管120“抽入”到烟道12内，并最终从烟道12末端的出口处排出。
在本实施例中，通过对阀体222开度、离心风机225和低速轴流风机224的联合控制可以有效调控气体在烟道12内的流速。具体地，本实施例的测试平台在测试过程中要求烟道12内的风速维持在0.2±0.02m/s的状态。为了对烟气气体流速进行监测，本实施例在烟道12内安装的风速传感器13，具体地，风速传感器13安装在烟道12中稳流管120后10cm处。
在本实施例的气流组织***22中，两个气体流量计223分别用于测量通入到***内部的背景气体的流量，以及从***内部排出的气体的流量。两者统计的气体流量在非测试状态下应当大致相同，而在测试状态下出现的流量差异则是电池体热失控后的燃烧状态产生的烟气导致的。
本实施例的测试平台在测试阶段通入到燃烧室内的背景气体的作用主要包括以下两点：
一是对燃烧室内的气体进行“净化”，避免燃烧室内原有的或通入到燃烧室内的复杂的外界气体的成分对电池热失控或燃烧进程产生影响，同时避免燃烧室内原有的复杂气体成分对分析燃烧后的早期烟气特征造成干扰。
二是针对电池热失控早期产生的烟气含量较小的特点，利用背景气体作为载气的模式组织气流，保证烟气成本可以全部被“载入”到烟道12中，实现对早期烟气特征的准确测量；避免早期烟气在燃烧室内“蓄积”并与其它时期的烟气混流，进而影响最终测试结果的可靠性。
在本实施例中，针对上述目标，背景气体应当选择与空气的成分和密度较为接近，且不会产生明显的阻燃或助燃增益的气体。同时背景气体应当易于分辨和检测，且在后期的数据分析过程中易于进行信号过滤。在这种条件下，本实施例选择纯净的氮气作为背景气体。此外，其它实施例中，也可以选择将氮气与氧气按照8:2的物质的量比混匀后的混合气体作为背景气体。当采用混合气体时，气流组织***22应当采用双气瓶分别盛装氮气和氧气，并通一个混气阀将两个气瓶中释放气体均匀混合后从燃烧室底部的气体入口出通入。
在本实施例提供的方案中，声压传感器15安装在燃烧室内，并用于测量电池热失控过程的噪声信息。气压传感器安装在燃烧室内并用于测量电池热失控过程中环境瞬时气压的状态数据。失控引发机构16安装在电池夹具11处，失控引发机构16包括针刺执行器、挤压执行器和加热装置，三者分别用于对待测试的电池进行针刺、挤压和加热操作。
在本实施例的早期烟气特征测试平台的产品结构设计中，电池夹具11中包括一个安装槽，加热装置中的电加热管安装在电池夹具11内部靠近安装槽底壁的位置，通过电加热管可以将电池夹具11中的安装槽加热至预设的温度，进而导致待测电池因为表面温度过高而出现热失控状态。挤压执行器和针刺执行器实际上都是由一台立式的液压机构实现的，液压机构安装在电池夹具11的正上方。当液压机构向下进给时，下端的压头会对安装槽内的待测电池施加压应力，此外技术人员还可以通过更换不同性质或结构的压头，实现对压应力的作用点和挤压方式进行调整。此外，只需要在液压机构的压头前端安装钢针后，即可构成所需的针刺执行器，对电池进行针刺试验。
同时，需要特别说明的是：为了避免液压机构对电池热失控产生的烟气的对流路径造成干扰，在更加优化的方案中，本实施例中液压机构的机台可以采用可相对电池夹具11沿水平方向转动的活动连接方式。在执行挤压或针刺动作时，液压机构被转动到电池夹具11正上方。当针刺或挤压动作执行完毕后，液压机构向上抬升，并重新转动到偏离电池夹具11的正上方的位置。
电学测量组件19安装在电池夹具11中。电学测量组件19通过电极片与待测量的电池电连接，电学测量组件19用于模拟出待测电池的充电、放电和自然状态，并获取电池在测量过程中的电参数。此外，电学测量组件19还用于模拟电池的短路故障。
在其它更加优化的技术方案中，电池夹具11上还可以设置第二热电偶传感器20和压力计21，第二热电偶传感器20用于测量待测电池在热失控过程中的表面温度。压力计21用于测量待测电池在热失控过程中的膨胀压力。第二热电偶传感器20和压力计21的测量数据主要电池本体的温度和形态变化，这一特征数据具有如下的不同用途：(1)电池本体的表面温度和形变本身就电池热失控过程中的目标观测参数之一。(2)在电池热失控的早期烟气特征的测量过程中，还可以将上述两种特征作为评估电池是否发生热失控的判据之一。
在本实施例提供的方案中，不同引发条件下的电池热失控是否发生的判据是各不相同的。例如对于锂电池而言，由于电池的耐针刺性普遍较差，因而只要待测的电池包被贯穿，那么大概率会直接引发电池热失控。而对挤压或加热导致的电池热失控故障，则会受到压应力的形变量和表面温度的温升影响，只有形变量或温升超出预设的限度后才会出现热失控现象。此时，需要结合声压传感器15的数据来对是否发生电池热失控进行综合判断。通常来说，电池在热失控后一般会伴随着剧烈的化学反应并导致电池鼓包甚至***，因此在这种试验中只要检测到了一个短暂却较为剧烈的声压信号，则可以判定电池在对应时刻发生了热失控。
而在本实施例进一步获取到电池表面温度和膨胀压力后，可以将声压数据、电池表面温度和膨胀压力共同用来更加可靠地分析出电池热失控现象在何时发生。这对于后期更加精准地判定采集到的烟气特征是否属于电池热失控的早期特征而言具有重要的意义。
本实施例中的烟道气体在线分析组件17包括第一热电偶传感器171、气体分析仪172、VOC监测仪173。烟道气体在线分析组件17中的各项仪器安装在烟道12外壁上的各个通孔中，且检测元件***到烟道12内。第一热电偶传感器171位于烟道12前端最靠近稳流管120的一侧，第一热电偶主要用来测试烟道12中的烟气温度。气体分析仪172和VOC监测仪173位于相对第一热电偶传感器171靠后的一侧，气体分析仪172和VOC检测仪对不同气体的敏感度不同，且对其它的定量分析能力也存在差异。本实施例将两种在线式气体成分及浓度分析仪器同时安装后，二者可以互为补充，对电池热失控过程中产生的复杂气体成分和浓度进行共同检测。当然，对于本实施例中上述两种在线分析仪器仍然无法有效分辨出的气体成分，则需要通过性能更加强大的气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对采集到的气体样本进行离线分析后得出。
采样装置包括烟雾颗粒采样装置182和烟气采样装置；烟雾颗粒采样装置182采用铜网碳膜。获取的烟雾颗粒物样本采用TEM电子显微镜进行分析，以获取烟气中含有的颗粒物的成分、结构信息(如形貌和粒径)和浓度信息。
烟气采样装置包括采样泵181、取样管和真空气袋；采样泵181通过取样管从烟道12内抽取样本气体，并储存在真空气袋内。采集到的气体样本通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行样本分析。
采样装置中的各项仪器安装在烟道12外壁上的通孔中，并位于靠近烟道12末端的位置。采样装置安装位置的特殊设计主要考虑是希望降低对烟道气体在线分析组件17中各个仪器检测精度的影响，因而选择在前述各仪器已经完成数据采集后再进行采样，进入而利用采集到的烟雾或烟气样本获取更加丰富的样本数据。
在本实施例的早期烟气特征测试平台执行测试任务的过程中，上位机100的作用大致可分为如下几点：
一、控制气流组织***22在燃烧室内产生满足预设条件的均匀对流的背景气体环境，并保证初始状态下风速传感器13的实测值为0.2±0.02m/s。
二、控制失控引发机构16或电学测量组件19按照测量任务的需要引发待测电池热失控，并结合声压传感器15的采样数据确定热失控的触发时刻。
三、获取在线监测组件、电学测量组件19和气压传感器的实时测量数据。
四、获取采样装置采集到的样本在离线设备中的样本检测结果。
五、对在线测量的样本数据和样本离线分析的检测结果进行综合分析，并生成一份完整的电池热失控早期烟气特征分析报告。
在本实施例提供的方案中，早期烟气特征测试平台中还可以包括安全***，安全***用于在测试结束后向燃烧室内喷射液态全氟己酮或液氮，以实现防火降温。安全***的作用实际上就是在测试完成后，对待测电池的热失控状态进行抑制，降低电池进一步的爆燃或***风险，或者是对已经发生爆燃或***的待测电池的危害进行最小化控制。本实施例考虑到燃烧室内布置了大量的仪器和设备，因而选择全氟己酮和液氮这类既可以进行降温，又可以抑制燃烧的防灾气体。
此外，在本实施例更加优化的方案中，试验容器1的观察窗101外还可以设置一台同时具有红外和全彩摄像头的双目相机201，双目相机201可以记录待测电池在热失控实验全程中的影像数据。以便研究人员进一步研究电池热失控后不同阶段的视觉特征。
以下结合上述电池热失控的早期烟气特征测试平台的实际操作方法和运行过程，对本实施例提供的方案进行更加细致的阐述：
假设用户需要对圆柱形的18650电池进行针刺条件下的热失控测试，则可以先打开燃烧室的舱门，将电池直接固定在如图6所示的一个类似U型锁的电池夹具11上；然后关闭舱门。接下来，设备会自动通过气流组织***22对试验容器1内部的气体进行置换，并控制烟道12内的气流速度达到预设的指标。在此过程中，烟道气体在线分析组件17会开始工作，确定在电池未发生热失控状态下，测试环境内各项监测指标的初始数据。待各项数据稳定，测试平台提醒操作人员可以开始针刺。
测试人员结束到提示信息后，向测试平台下达针刺指令，测试平台通过失控引发机构16对电池进行针刺，针刺动作完成后，失控引发机构16自动复位。与此同时，控制器根据失控针刺执行器的动作执行时刻，以及声压传感器15、第二热电偶传感器20、或压力计21的监测数据变化准确判定电池发生热失控的精准时刻。
电池热失控发生后，剧烈地化学反应产生的烟气在背景气体的“负载”下从燃烧室进入到烟道12内，烟道12中依次安装的各个测量仪器的检测信号会发生变化，这些检测数据均会输出给上位机100。当电池热失控早期产生的烟气到达采样状态的安装位置时，控制器对控制这些采样状态在各自的采用窗口时期完成样本采集，并在测试结束后送到后方的专业仪器处进行离线分析。
上位机100在测试试验结束后会根据电池热失控的发生时刻以及不同测量仪器的精确响应时间，确定测试信号中对应热失控早期的各项数据；并利用前期获取的电池在未发生热失控条件下的相关信号对采集到的热失控早期数据进行校正。
实施例2
本实施例提供一种电池热失控早期烟气特征的测量方法，该测量方法主要用于利用实施例1的电池热失控的早期烟气特征测试平台，完成电池在不同热失控状态的早期烟气特征分析。具体地，如图7所示，本实施例提供的测量方法包括如下步骤：
一、调试阶段：
S1：将待测电池安装在燃烧室内的电池夹具上，并密封燃烧室。
S2：通过背景气体置换试验容器内部气体，并形成稳定均匀的气体对流环境，同时控制烟道内的气体流速。
S3：采用检测仪器或传感器对燃烧室与烟道内各处的环境参数进行持续监测，并对电池的电参数进行监测。
本步骤采用VOC监测仪和气体分析仪协同监测烟道气体的成分及浓度，并采用第一热电偶传感器监测烟道气体温度。采集到的环境参数包括：燃烧室声压、燃烧室瞬时气压、烟道气体温度，烟道风速、烟道气体的成分及浓度。
二、实测阶段
S4：按照预设的测量任务采取加热、挤压、针刺、短路中的一种或任意多种操作引发待测电池热失控。
S5：结合燃烧室内声压测量数据与加热、挤压、针刺或短路操作的执行时间综合判断待测电池的热失控发生时刻。
S6：根据各检测仪器或传感器的的精确响应时间，将检测数据划分为热失控前阶段和热失控后阶段。
并在窗口期通过采样装置对烟道中的烟雾颗粒和烟气进行采样；其中，窗口期指电池热失控产生的早期烟气流经采样装置处的时段。
具体地，本步骤中VOC监测仪的精确响应时间为：
Figure BDA0004141150360000131
上式中，tVOC为VOC监测仪的初始响应时间；s1为VOC监测仪与稳流管之间的距离；f为待测电池热失控状态下控稳流管后10cm处的风速。
气体分析仪的精确响应时间为：
Figure BDA0004141150360000132
上式中，tgas为气体分析仪的初始响应时间；s2为气体分析仪与稳流管之间的距离；d为气体分析仪中的采样管的管径，l为气体分析仪中的采样管的长度，Q为气体分析仪单位吸力对应的流量值。
第一热电偶传感器的精确响应时间为：
Figure BDA0004141150360000133
上式中，tT为热电偶的初始响应时间；s3为第一热电偶传感器与稳流管之间的距离。
S7：在获取所需的测试数据后，停止向燃烧室内通气，对待测电池进行灭火和降温，直到电池爆燃风险消除。
S8：对采样装置获取的烟雾颗粒和烟气样本进行离线检测。
S9：结合在线检测过程获得的热失控前阶段和热失控后阶段的过程数据以及离线检测的实验数据，分析得到待测电池在热失控状态下的早期烟气特征。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于，其用于测量待测电池在不同引发条件造成的热失控状态下对应的早期烟气特征；所述早期烟气特征测试平台包括：
试验容器，其包括燃烧室和烟道；所述燃烧室的中央设置一个电池夹具；所述燃烧室的底部设有气体入口，顶部设置呈倒漏斗状的集烟罩，集烟罩顶部的气体出口与一根水平放置的烟道连通；所述烟道中与燃烧室的接口处设置稳流管，烟道的外壁上设置多个设备安装用通孔；
气流组织***，其用于向试验容器内通入背景气体，并形成一个使得背景气体从燃烧室底部进入，并在电池夹具下方向上竖直抬升，最后沿烟道末段的出口排出的气体对流环境；
风速传感器，其安装在所述烟道中稳流管后10cm处；
声压传感器，其安装在燃烧室内并用于测量电池热失控过程的噪声信息；
气压传感器，其安装在燃烧室内并用于测量电池热失控过程中环境瞬时气压的状态数据；
失控引发机构，其安装在所述电池夹具处，所述失控引发机构包括针刺执行器、挤压执行器和加热装置，三者分别用于对待测试的电池进行针刺、挤压和加热操作；
烟道气体在线分析组件，其包括第一热电偶传感器、气体分析仪、VOC监测仪；所述烟道气体在线分析组件中的各项仪器安装在烟道外壁上的各个通孔中，且检测元件***到所述烟道内；所述第一热电偶传感器位于烟道前端最靠近稳流管的一侧，所述气体分析仪和VOC监测仪位于相对第一热电偶传感器靠后的一侧；
采样装置，其包括烟雾颗粒采样装置和烟气采样装置；所述采样装置中的各项仪器安装在烟道外壁上的通孔中，并位于靠近烟道末端的位置；
电学测量组件，其安装在所述电池夹具中；所述电学测量组件通过电极片与待测量的电池电连接，用于模拟出待测电池的充电、放电和自然状态，并获取电池在测量过程中的电参数；所述电学测量组件还用于模拟电池的短路故障；
上位机，其与所述气流组织***、风速传感器、声压传感器、气压传感器、失控引发机构、在线分析机构、采样装置和电学测量组件电连接；所述上位机分别用于：一、控制气流组织***在燃烧室内产生满足预设条件的均匀对流的背景气体环境，并保证初始状态下风速传感器的实测值为0.2±0.02m/s；二、控制失控引发机构或电学测量组件按照测试任务引发待测电池热失控，并结合声压传感器的采样数据确定热失控的触发时刻；三、获取在线监测组件、电学测量组件和气压传感器的实时测量数据；四、获取采样装置采集到的样本在离线设备中的样本检测结果；五、对在线测量的样本数据和样本离线分析的检测结果进行综合分析，并生成一份完整的电池热失控早期烟气特征分析报告。
2.如权利要求1所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于：所述试验容器中还包括至少一个可开合的密封门以及至少一个透明的观察窗；所述试验容器的内部设置防火层；
或者
在所述试验容器的观察窗外设置同时具有红外和全彩摄像头的双目相机，所述双目相机用于记录热失控实验过程中的影像数据。
3.如权利要求2所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于：所述气流组织***包括：高压气瓶、阀体、气体流量计、离心风机，以及低速轴流风机；所述高压气瓶内盛装有所需的背景气体；阀体用于控制高压气瓶向所述燃烧室排放背景气体的阀门开度；气体流量计分别安装在燃烧室气体入口和烟道出口的位置，用于测量两处流经的气体流量；所述离心风机安装在烟道的末端，用于将燃烧室内的气体从试验容器中排出；所述低速轴流风机安装在燃烧室底部正对电池夹具的位置，并用于产生竖直向上的升力。
4.如权利要求3所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于：所述背景气体采用氮气，或采用氮气与氧气按照8:2的物质的量比经混气阀混匀后的混合气体。
5.如权利要求1所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于：所述电池夹具上还设置有第二热电偶传感器和压力计，所述第二热电偶传感器用于测量待测电池在热失控过程中的表面温度；所述压力计用于测量待测电池在热失控过程中的膨胀压力。
6.如权利要求1所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于：所述电池夹具中包括一个安装槽，所述加热装置中的电加热管安装在所述电池夹具内部靠近安装槽底壁的位置；所述挤压执行器安装在电池夹具正上方，并可相对电池夹具沿水平方向转动；挤压执行器采用向下进给的液压机构；且在所述液压机构的压头前端安装钢针后，构成所需的针刺执行器。
7.如权利要求1所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于：在所述采样装置中，所述烟雾颗粒采样装置采用铜网超薄碳膜，获取的烟雾颗粒物样本采用TEM电子显微镜进行分析，以获取烟气中含有的颗粒物的成分、结构信息和浓度信息；
所述烟气采样装置包括采样泵、取样管和真空气袋；所述采样泵通过取样管从烟道内抽取样本气体，并储存在真空气袋内；采集到的气体样本通过气相色谱-质谱联用仪进行样本分析。
8.如权利要求1所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台，其特征在于：所述早期烟气特征测试平台中还包括安全***，所述安全***用于在测试结束后向燃烧室内喷射全氟己酮或液氮，以实现防火降温。
9.一种电池热失控早期烟气特征的测量方法，其特征在于：其采用如权利要求1-8中任意一项所述的电池热失控的早期烟气特征测试平台完成电池在不同热失控状态的早期烟气特征分析；所述测量方法包括如下步骤：
一、调试阶段：
S1：将待测电池安装在燃烧室内的电池夹具上，并密封所述燃烧室；
S2：通过背景气体置换试验容器内部气体，并形成稳定均匀的气体对流环境，同时控制烟道内的气体流速；
S3：采用检测仪器或传感器对燃烧室与烟道内各处的环境参数进行持续监测，并对电池的电参数进行监测；
所述环境参数包括：燃烧室声压、燃烧室瞬时气压、烟道气体温度，烟道风速、烟道气体的成分及浓度；
二、实测阶段
S4：按照预设的测量任务采取加热、挤压、针刺、短路中的一种或任意多种操作引发待测电池热失控；
S5：结合燃烧室内声压测量数据与加热、挤压、针刺或短路操作的执行时间综合判断待测电池的热失控发生时刻；
S6：根据各检测仪器或传感器的精确响应时间，将检测数据划分为热失控前阶段和热失控后阶段；并在窗口期通过采样装置对烟道中的烟雾颗粒和烟气进行采样；
其中，所述窗口期指电池热失控产生的早期烟气流经采样装置处的时段；
S7：在获取所需的测试数据后，停止向燃烧室内通气，对待测电池进行灭火和降温，直到电池爆燃风险消除；
S8：对采样装置获取的烟雾颗粒和烟气样本进行离线检测；
S9：结合在线检测过程获得的热失控前阶段和热失控后阶段的过程数据以及离线检测的实验数据，分析得到待测电池在热失控状态下的早期烟气特征。
10.如权利要求9所述的电池热失控早期烟气特征的测量方法，其特征在于：在步骤S3中，采用VOC监测仪和气体分析仪协同监测烟道气体的成分及浓度，并采用第一热电偶传感器监测烟道气体温度；
步骤S6中，所述VOC监测仪的精确响应时间为：
Figure FDA0004141150350000041
上式中，tVOC为VOC监测仪的初始响应时间；s1为VOC监测仪与稳流管之间的距离；f为待测电池热失控状态下控稳流管后10cm处的风速；
所述气体分析仪的精确响应时间为：
Figure FDA0004141150350000042
上式中，tgas为气体分析仪的初始响应时间；s2为气体分析仪与稳流管之间的距离；d为气体分析仪中的采样管的管径，l为气体分析仪中的采样管的长度，Q为气体分析仪单位吸力对应的流量值；
所述第一热电偶传感器的精确响应时间为：
Figure FDA0004141150350000043
上式中，tT为热电偶的初始响应时间；s3为第一热电偶传感器与稳流管之间的距离。
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