汪书苹;陈伟;陈国宏;徐丽;金翼;缪永华;盛鹏
【摘 要】为研究锂离子电池在充电过程中的火灾危险性,以电动汽车最常用的磷酸铁锂电池为研究对象,利用ISO 9705全尺寸房间火标准测试平台的燃烧间搭建试验平台,对竖直和水平放置方式下不同充电倍率的锂离子电池进行燃烧试验,获得不同工况下锂离子电池的火灾行为、表面温度和周围温度场分布、质量损失速率等;根据燃烧结果分析不同充电模式下锂离子电池的燃烧特性,由此评估电池的火灾危险性.结果表明:快速充电的锂离子电池点燃时间短且燃烧强度强,火灾危险性较大;竖直放置的锂离子电池易发生爆燃现象,其火灾危险性比水平放置的要大.
【期刊名称】《电力安全技术》
【年(卷),期】2019(021)003
【总页数】7页(P40-46)
【关键词】锂离子电池;燃烧特性;放置方式;充电倍率;火灾危险性
【作 者】汪书苹;陈伟;陈国宏;徐丽;金翼;缪永华;盛鹏
【作者单位】国网安徽省电力有限公司电力科学研究院,安徽合肥230022;国网安徽
省电力有限公司,安徽合肥230022;国网安徽省电力有限公司电力科学研究院,安徽合肥230022;全球能源互联网研究院有限公司,北京102209;中国电力科学研究院有限公司,北京 100085;中天储能科技有限公司,江苏南通226406;全球能源互联网研究院有限公司,北京102209
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912
0 引言
作为电动汽车主要动力系统之一的锂离子动力电池,一方面,因其具有能量密度高、快速充放电产热量大等特点,存在很大的火灾风险和危害性,是电动汽车发生火灾的主要危险源；另一方面,锂离子电池在火灾特性、消防设施的运用和管理方面都有自身的特点,与一般传统的仓库的火灾危险性不同。这导致目前电动汽车运营场所内配置的火灾探测系统、灭火系统等,不能起到早期报警和控制锂离子电池火灾的作用。因此,研究锂离子电池火灾特性,分析其危险性,对提高锂离子动力电池的安全性和电动汽车充换电站的安全性,是具有重要意义的。
目前,在动力电池安全性方面,美国、加拿大、法国及我国一些学者已开展了相关研究,但研究主要集中在电池材料热稳定性及单体电池热安全性方面。其中,锂离子电池材料热安全性的研究主要集中在电解液、电解液与正极活性物质、电解液与负极活性物质体系。对于竖直和水平放置方式时不同充电倍率模式下锂离子电池的火灾特性及危险性研究相对
较少。因此,利用ISO 9705全尺寸房间火标准测试平台的燃烧间搭建试验平台,对竖直和水平放置方式下不同充电倍率的锂离子电池进行燃烧试验,获得不同工况下锂离子电池的火灾行为、表面温度和周围温度场分布、质量损失速率等,并根据燃烧结果分析不同充电模式下锂离子电池的燃烧特性,由此评估电池的火灾危险性,揭示锂离子动力电池在火灾孕育阶段的征兆特征,为提出电池组早期火灾探测预警方法提供参考依据。
1 试验设计
1.1 试验装置
为了能够反映锂离子动力电池在真实火灾环境中的燃烧行为,在ISO 9705的标准燃烧室内自助设计并搭建了锂离子动力电池火灾特性实验装置。实验装置由燃烧室、货架、引燃装置、电池固定装置、测试系统和排烟系统等组成,如图1所示。标准燃烧室内部长、宽、高为3.6 m,2.4 m,2.4 m,钢制货架长、宽、高为2 m,0.6 m,2.0 m,共有3层,每层铺有钢制隔板。引燃装置主要由乙醇燃料、镍铬电热丝、无线遥控插座和开关电源等组成,使用无线遥控插座控制开关电源的通断,利用点燃乙醇来引燃锂离子电池。电池的固定装置由角钢、防火板和铁丝等组成。
测试系统包括温度采集、质量采集、气体采集和图像采集等模块。
(1) 温度采集模块包含3组1 mm的K型铠装热电偶。如图1b所示,第1组热电偶位于火源正上方,共有9支热电偶,从下往上分别位于油池火表面的正上方5 cm,10 cm,15 cm,20 cm,25 cm,30 cm,35 cm,45 cm和55 cm处,用于记录火焰温度的变化；第2组位
于货架的左侧面,距离电池中心15 cm,共有6支热电偶,热电偶竖直方向的间距为10 cm,用于记录火源周围的温度场。第3组是位于电池的上下表面用铁丝固定的2支热电偶,用于记录电池表面的温度变化。测量结果传输至数据采集设备上实时显示并保存记录。
(2) 质量采集模块用于记录火源燃烧过程中的质量损失。
(3) 气体测量模块用于测试电池燃烧过程中释放的气体浓度。
(4) 在火源的正面布置摄像机,即图像采集模块,用于记录电池燃烧过程中的火灾行为。
排烟系统包括变频风机,实验结束后打开变频风机,排出实验产生的烟气。
图1 试验燃烧装置结构示意
1.2 试验方案
采用电动汽车常用的磷酸铁锂电池作为试验对象。通过试验,研究不同充电倍率下单个锂离子动力电池竖直和水平放置时的真实火灾行为和燃烧特性,从而确定电池合理的存放方式,具体的试验工况如表1所示。
为保证实验数据的可靠性,在试验过程中条件相同的实验均重复3次。将锂离子电池在室温下以不同充电倍率(0.5C,1.0C及1.5C)充到满电状态；在电池上下表面的中心位置分别布置1个热电偶测量电池的表面温度；然后将电池固定在试验台上,在距离电池下表面15 cm位置处放置6 cm边长的正方形油盘；油盘中放入60 g±2 g乙醇；镍铬丝放置
在乙醇的上表面。对测试系统进行校准；打开电子点火器,点燃乙醇,开始试验。试验过程中,用天平记录测试过程中的质量损失,用秒表记录电池点燃和爆炸时间,用温度测试仪实时记录电池组表面温度。
表1 试验工况试验编号 充电倍率 排列方式 测量值工况1 1.5C 竖直放置工况2 1.0C 竖直放置工况3 0.5C 竖直放置工况4 1.5C 水平放置工况5 1.0C 水平放置工况6 0.5C 水平放置质量损失、火焰宽度和火焰高度、表面温度和周围温度场、气体浓度
2 试验结果与分析
2.1 燃烧行为
2.1.1 竖直放置
根据记录的试验过程,可将该工况下的锂离子电池火灾行为划分为5个阶段,具体如表2所示。其中,在阶段2,电池出现射流火喷发现象,1.5C,1.0C和0.5C充电倍率的电池射流火喷发时间(即电池点燃时间）分别为187 s,779 s和890 s；在阶段3,电池出现爆燃现象,1.5C,1.0C和0.5C充电倍率的电池爆燃时间分别为360 s,880 s和980 s。
表2 竖直放置的锂离子电池燃烧行为阶段 现象阶段1 表面受热膨胀阶段2 电解液喷射形成间断性射流火燃烧和刺激性气体释放阶段3 电解液喷射形成强烈的连续射流火并发生爆燃阶段4 稳定燃烧阶段5 火焰减弱至熄灭
2.1.2 水平放置
根据试验记录,水平放置的锂离子电池火灾行为可划分为4个阶段,具体如表3所示。其中,在阶段2,也发生电解液射流火燃烧现象,1.5C,1.0C和0.5C充电倍率的电池点燃时间分别为506 s,529 s和 585 s。
表3 水平放置的锂离子电池燃烧行为阶段 现象阶段1 表面受热膨胀阶段2 电解液喷射形成间断性射流火燃烧阶段3 电解液喷射形成强烈的连续射流火同时有大量的刺激性气体产生阶段4 火焰减弱至熄灭
根据电池燃烧行为记录,可以得到如下分析。
(1) 同一放置模式下的电池,在不同充电倍率时的燃烧行为基本相似,但其点燃、爆炸时间、周围温度场、火焰强度和爆燃强度明显不同。
(2) 不同充电倍率水平放置的锂离子电池与竖直放置的锂离子电池在阶段1的火灾行为相似,表面均出现不同程度的膨胀。
(3) 阶段2均发生电解液射流火燃烧,但因水平放置的电池受热均匀,所以在这一阶段水平放置的电池射流火燃烧强度比竖直放置的强,特别是1.0C充电倍率水平放置的锂离子动力电池一旦发生电解液喷射,就直接形成强烈的射流火。此外,由于水平放置锂离子电池受热面大,因此不同充电倍率下,其点燃时间差距很小,相对于竖直放置的锂离子电池火灾危险性更大些。
(4) 不同充电倍率的锂离子电池在阶段3的射流火燃烧强度都会加强,但竖直放置的电池燃烧强度比水平放置的更强,其中竖直放置的电池会出现爆燃现象,且1.5C充电倍率下电
池出现暴燃所需的时间最短。因此,竖直放置的电池火灾危险性比水平放置的强,且1.5C充电倍率的电池火灾危险性相对更大些。
(5) 竖直放置的电池发生爆燃后,进入了稳定燃烧的阶段4,但仍然有一些白色气雾伴随着燃烧从电池释放出来。这种现象同样发生于1.0C和0.5C充电倍率的电池燃烧测试中,但0.5C充电倍率的电池在稳定燃烧47 s后,射流火火焰会第2次猛烈增大,释放出大量的刺激性气体,一直持续60 s。从这个角度来说,0.5C充电倍率竖直放置的锂离子电池危险性相对与1.0C充电倍率的火灾危险性更大些。
2.2 电池表面温度场分布
2.2.1 竖直放置
与火灾变化行为相似,竖直放置的锂离子电池表面温度变化曲线也分为5个阶段,但温度相对于火灾行为来说有20 s左右的滞后,如图2(a)所示。
以1.5C充电倍率为例。
(1) 阶段1,由于电池前表面和侧表面与火焰接触面大,所以电池的前表面和侧表面的温度比后表面的温度升高得快。
(2) 阶段2,电池前表面的温度达到360 ℃(点燃温度)时,电池的表面温度迅速增加。原因是电池的隔膜分解放热,发生化学反应放出热量和可燃气体,放出的热量使电池表面的温度升高；可燃气体与空气混合后发生燃烧,形成射流火焰,火焰又会对电池表面产生辐射,使
电池的表面温度进一步的升高。
（3） 阶段3,释放的热量和气体不断增加引起热失控,导致爆燃现象的发生,在389 s前表面达到最大温度925 ℃。一段时间后,后表面达到最大温度500 ℃。
(4) 阶段4,爆燃后的稳定射流火燃烧,使温度有小范围的降低。
(5) 阶段5,随着火焰的逐渐减弱,表面温度也在逐渐降低。
竖直放置时,1.0C和0.5C充电倍率的电池表面温度变化曲线,与其火灾行为类似。但1.0C充电倍率的电池在905 s前表面达到最大温度962 ℃,侧表面达到最大温度818 ℃,后表面达到最大温度398 ℃。0.5C充电倍率的电池在1 031 s前表面达到最大温度700 ℃。可见,1.0C充电倍率竖直放置的电池比1.5C充电倍率的电池最高温度高。另外,1.5C,1.0C和0.5C充电倍率竖直放置的电池最高温度出现的时刻分别为389 s,905 s,1 031 s,并未与爆燃时刻(分别为360 s,880 s和980 s)一致,最大温度均迟于爆燃发生的时刻。这表明,即使爆炸发生后,电池表面没有火焰了,它的表面温度依然在升高；这在一定程度上增加了电池的火灾危险性。
2.2.2 水平放置
与其火灾变化行为相似,水平放置的锂电池表面温度变化曲线也分为4个阶段,如图2(b)所示。
以1.5C充电倍率的电池为例。
(1) 阶段1,500 s之前热电偶的温度基本上是乙醇火焰的温度。
(2) 阶段2,500 s之后受到强烈射流火的影响温度迅速上升,但由于出现不连续喷射的射流火,导致550 s时电池的前表面温度出现短暂的升高,之后又迅速降低。
(3) 阶段3,650 s左右由于连续强烈的射流火的喷射,前表面、后表面和侧面温度均升高,697 s前表面达到最大温度671 ℃。
(4) 阶段4,射流火喷射强度逐渐减弱,温度也在缓慢下降。
0.5 C充电倍率水平放置的电池与1.0C的类似,前表面温度在745 s达到最大值845 ℃,0.5C充电倍率水平放置的电池比1.5C充电倍率的电池最高温度高。1.5C,1.0C和0.5C充电倍率水平放置的电池的最高温度出现的时刻分别为697 s,695 s和745 s,并未与水平放置的电池点燃时刻(分别为529 s,506 s和585 s)一致。
图2 锂离子电池表面温度
2.3 电池周围温度场分布
图3 (a)和3(b)分别给出了1.0C充电倍率竖直放置和水平放置时位于火源正上方的电池周围温度变化曲线和电池距离火源15 cm处竖向温度分布曲线。
2.3.1 电池火源正上方温度
(1) 竖直放置时,不同充电倍率的电池周围温度变化趋势基本相似,开始时电池正下方和正上方的温度均随着时间缓慢增加,基本上都是乙醇的火焰温度。随后,随着射流火的强烈连续喷发,电池上方温度迅速增加,并随着火焰的脉动,电池上方的温度均表现为在小范围波动中稳定增加的趋势。而爆燃之前有大量的气体产生,燃烧强度有一定的降低,电池的正上方和正下方的温度出现一定程度的降低。爆燃发生时,电池周围的温度急剧升高至最高,并随着射流火的稳定燃烧,电池周围的温度在小范围波动。但因受射流火喷射方向和蔓延位置影响,不同倍率的电池最高温度位置点不同。1.0C充电倍率的电池射流火喷射方向为左上方,对与电池下表面接触的15 cm的热电偶影响较大,此处温度最高,为805 ℃。
(2) 水平放置时,周围温度变化曲线基本趋势和竖直放置的一致,但受射流火喷射方向的影响(均是在受热面破裂,向下喷射),10 cm和20 cm处热电偶温度相对于其他位置较高,1.0C充电倍率水平放置的动力电池火源正上方最大温度为440 ℃。
2.3.2 水平距离火源15 cm处竖向温度
(1) 竖直放置时,不同充电倍率的电池水平距离火源15 cm处的竖向温度变化趋势基本类似。开始时,除40 cm位置处的热电偶受乙醇燃烧的火焰辐射使得温度上升以外,其他位置的热电偶温度基本上与环境温度相同；之后发生爆燃,引起热电偶温度的迅速升高；进入稳定阶段后,受火焰波动的影响,温度呈现一定程度的波动。从图3(b)可以看出,10—30 cm处的热电偶温度变化趋势和温度变化幅度基本一致,表明横向距离电池表面15 cm处受电池射流火辐射影响程度基本一致；50 cm处基本不受射流火的影响,温度基本没有变化。1.0C充电倍率下竖直放置的电池水平距离火源15 cm处的竖向最高温度为130 ℃。
图3 锂离子电池表面温度
(2) 与竖直放置不同,水平放置的1.0C和1.5C充电倍率的电池水平距离火源15 cm处的竖向温度随着距地面位置的增加而增加,40 cm处达到最大(0.5C充电倍率的在30 cm处达到最大)；50 cm处基本不受射流火的影响,温度基本没有变化。1.0C充电倍率下水平放置的锂离子动力电池水平距离火源15 cm处的竖向最高温度为265 ℃。
2.4 电池质量损失率
图4给出了0.5C充电倍率下的电池质量损失率。竖直放置和水平放置的锂离子电池质量损失率与其火灾行为对应,分别经历5个阶段和4个阶段,具体如下。
(1) 第1阶段,因电池没有射流火火焰的产生,质量损失主要为电池外壳的塑料薄膜和乙醇燃烧的消耗,质量损失率缓慢上升且很小。
(2) 第2阶段,由于射流火的不连续喷射燃烧,质量损失率开始缓慢增加,主要为乙醇的燃烧和不连续喷射的电解液射流火的燃烧造成的。但水平放置的电池在这一阶段质量损失会出现小于0的情况,这是由于水平放置的电池射流火会在喷射口向下喷射,向下喷射的火焰会对天平产生冲击力,造成天平质量示值增加。
(3) 第3阶段,质量损失占电池总质量损失的绝大部分。但对于竖直放置的电池,因发生射流火的强烈喷射燃烧和爆燃,所以电池质量急剧下降,而且达到最大质量损失率的时间滞后于温度的变化。这表明即使火势已经减小,但火焰温度依然很高,增加了火灾危险性。对于水平放置的电池,射流火的强烈连续喷射燃烧会造成质量损失率忽增忽减的变化。
(4) 第4阶段,为竖直电池射流火的稳定燃烧阶段,质量损失速率随着喷射火强度的大小而上下波动。随着喷射火的强度减弱至熄灭,竖直和水平放置的电池质量损失也分别在第5、第4阶段缓慢减少。
另外,不管是竖直放置的电池还是水平放置的电池,其电池质量损失与充电倍率之间无明显比例的关系,但1.5C充电倍率的电池质量损失明显高于1.0C和0.5C充电倍率下的电池。
图4 电池质量损失率
3 结论
通过对不同充电倍率和布置方式的锂离子动力电池进行燃烧试验,得出如下结论。
(1) 不论水平放置还是竖直放置,1.5C充电倍率锂离子动力电池的点燃时间和燃烧强度都比1.0C和0.5C的短和强,因此快速充电的火灾危险性更大。
(2) 竖直放置的锂离子动力电池特殊的爆燃现象,使其火灾危险性比水平放置的要大。
(3) 不同充电倍率下竖直或者水平放置的锂离子动力电池燃烧时,其表面温度可达到650—1 000 ℃,超过了大多数物质的燃点(铝的燃点560 ℃),足以引燃相邻的锂离子动力电池。火焰温度最大至1 000 ℃,对电池箱会造成极大的损坏；1.0C充电倍率下竖直放置的电池水平距离火源15 cm处的竖向最高温度为370 ℃,会对周围的电池储能系统、动力体系及设备、消防灭火设备等设施以及现场的人员造成危害。
(4) 不同充电倍率下,竖直或者水平放置的锂离子动力电池的最大表面温度出现时间均迟于最大质量损失率出现的时间,这表明：即使电池表面没有火焰了,它的表面温度依然在升高。这在一定程度上增加了电池的火灾危险性。
【相关文献】
1 李 毅,于东兴,张少禹,等.锂离子电池火灾危险性研究[J].中国安全科学学报,2012,22(11)：36-41.
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3 李 毅,于东兴,张少禹,等.典型锂离子电池火灾灭火试验研究[J].安全与环境学报,2015,25(6)：120-125.
4 谢潇怡,王 莉,何向明,等.锂离子动力电池安全性问题影响因素[J].储能科学与技术,2017,6(1)：43-51.
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