空運(yùn)鋰電池火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

顏為芹++馬元朋++馬鐘麗++廖維維++劉甜芳++姜乃文++張青松

摘 要：鋰電池火災(zāi)的燃爆和易復(fù)燃等特征使得目前飛機(jī)貨艙內(nèi)配備的哈龍滅火系統(tǒng)無法進(jìn)行有效的抑制，如不能及時(shí)探測(cè)、報(bào)警和控制，后果極為嚴(yán)重。該研究結(jié)合鋰電池火災(zāi)特征，選擇最佳溫度以及合適的探測(cè)、滅火裝置，用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)聯(lián)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該聯(lián)動(dòng)控制裝置可實(shí)現(xiàn)鋰電池火災(zāi)的有效控制。不僅可為控制空運(yùn)鋰電池火災(zāi)提供理論依據(jù)，還可為空運(yùn)鋰電池滅火聯(lián)動(dòng)控制裝置提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：空運(yùn) 鋰電池火災(zāi) 自動(dòng)報(bào)警 聯(lián)動(dòng)控制裝置

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（b）-0005-02

鋰電池在常溫下物理性質(zhì)穩(wěn)定，其內(nèi)部組成成分與其化學(xué)反應(yīng)是鋰電池火災(zāi)發(fā)生的主要原因，在使用過程中，由于電解物質(zhì)對(duì)熱不穩(wěn)定等原因，導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部組成元件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致鋰電池發(fā)生燃燒。外部的因素也是引起鋰電池火災(zāi)發(fā)生的原因之一，外部環(huán)境（測(cè)試方法錯(cuò)誤、錯(cuò)誤的充放電、碰撞、進(jìn)水等）的影響會(huì)導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部條件發(fā)生變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部失去平衡，從而導(dǎo)致鋰電池起火燃燒，進(jìn)而發(fā)生火災(zāi)。

鋰電池在受熱后的燃燒過程中存在初爆和二次燃燒兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而且在空運(yùn)環(huán)境下一節(jié)鋰電池發(fā)生起火會(huì)導(dǎo)致周圍全部鋰電池發(fā)生熱失控，鋰電池中發(fā)生的各類分解反應(yīng)均發(fā)生在溫度較高的環(huán)境中，整個(gè)燃燒過程很短，僅為2 s左右且燃燒十分劇烈，因此為及時(shí)對(duì)鋰電池火災(zāi)進(jìn)行有效控制，應(yīng)重點(diǎn)抓住合適的溫度進(jìn)行響應(yīng)。

筆者通過研究鋰電池燃燒機(jī)理與火災(zāi)特征，采用有針對(duì)性的探測(cè)手段和滅火裝置，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)鋰電池火災(zāi)的有效自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制滅火，從而控制鋰電池火災(zāi)及其復(fù)燃，以減少鋰電池火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)性與危害性。

1 鋰電池火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制裝置參數(shù)選取

若在發(fā)生反應(yīng)前后有效地降低溫度，可以使反應(yīng)終止或防止反應(yīng)的發(fā)生，從而達(dá)到抑制鋰電池燃燒爆炸的目的。同時(shí)，在滅火完成后，由于電池內(nèi)部溫度依然在其自燃點(diǎn)之上，仍然存在發(fā)生復(fù)燃的風(fēng)險(xiǎn)。因此，溫度是鋰電池火災(zāi)控制的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)基于溫度選取各種探測(cè)滅火裝置。

基于鋰電池的火災(zāi)特征，滅火劑不僅需要對(duì)鋰電池火災(zāi)進(jìn)行有效的滅火，同時(shí)還要通過降低電池溫度，預(yù)防復(fù)燃的發(fā)生。

通過不同滅火劑特性之間的比較，細(xì)水霧滅火劑具有如下優(yōu)點(diǎn)：冷卻效果好、可屏蔽熱輻射、可部分吸收煙塵和毒氣，最主要的是，細(xì)水霧能夠有效地控制火災(zāi)的溫度，從而達(dá)到滅火、防止復(fù)燃的效果，并且細(xì)水霧價(jià)格低廉、來源廣、實(shí)用性高，所以實(shí)驗(yàn)選取細(xì)水霧作為滅火劑。

K型熱電偶使用溫度范圍在0 ℃～800 ℃，測(cè)溫精度為±1 ℃。鋰電池初爆響應(yīng)溫度約為185 ℃，燃爆響應(yīng)溫度約為570 ℃，為準(zhǔn)確地探測(cè)鋰電池的溫度，減小誤差，選擇K型熱電偶作為溫度探測(cè)器。

裝置選用常閉繼電器進(jìn)行動(dòng)作。在通電后，若溫度沒有達(dá)到設(shè)定溫度，不拉高電壓，兩觸點(diǎn)是斷開的，即不噴水；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，通過拉高電壓使兩觸點(diǎn)閉合，即噴水，溫度降低時(shí)電壓再回到低電位。為實(shí)現(xiàn)探測(cè)與滅火的聯(lián)動(dòng)，選取C51單片機(jī)，通過單片機(jī)上的編程來判定系統(tǒng)是否動(dòng)作。

2 鋰電池火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制原理

2.1 自動(dòng)報(bào)警的實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)使用C51單片機(jī)，選用K型熱電偶作為敏感元件，利用AD轉(zhuǎn)換器和溫度報(bào)警電路，在溫度較高時(shí)使蜂鳴器動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。C51單片機(jī)相當(dāng)于一個(gè)橋梁，聯(lián)系著傳感器和報(bào)警電路設(shè)備。當(dāng)周圍環(huán)境溫度達(dá)到我們?cè)O(shè)定的數(shù)值時(shí)，溫度傳感器把被測(cè)的物理量作為傳輸參數(shù)，轉(zhuǎn)換為電量（電壓）輸出。傳感器將物理信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可以利用識(shí)別的電信號(hào)并傳輸給單片機(jī)，接收到信號(hào)的單片機(jī)經(jīng)過程序的設(shè)定直接啟動(dòng)報(bào)警電路。此時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，就達(dá)到了溫度報(bào)警的效果。

2.2 自動(dòng)滅火的實(shí)現(xiàn)

鋰電池燃燒時(shí)，K型熱電偶探測(cè)到溫度后返回一個(gè)0～5 V的電壓，根據(jù)探測(cè)器上A/D轉(zhuǎn)換器的精度不同，將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值傳到C51單片機(jī)上，再由單片機(jī)中傳感器元器件模塊的資料，將不同的數(shù)值對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為不同的溫度。通過單片機(jī)上的主程序判斷是否到達(dá)滅火溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的滅火溫度時(shí)，發(fā)出警報(bào)，并拉高電壓，使繼電器動(dòng)作，噴出細(xì)水霧，降低溫度，以達(dá)到控制鋰電池火災(zāi)的目的。

3 鋰電池火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制裝置實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的可行性，在100 L實(shí)驗(yàn)艙中我們將8節(jié)30%電量的電池正極朝上，緊貼加熱棒，用3×3卡套固定，并選擇150 W加熱棒，設(shè)定溫度的上限和下限，對(duì)3×3分布的鋰電池組的一角進(jìn)行加熱，通過加熱棒使鋰電池溫度升高。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

初爆停止加熱不分離加熱棒，當(dāng)溫度達(dá)到389.2 ℃時(shí)，警報(bào)裝置發(fā)出警報(bào)，并噴水霧，電池溫度明顯迅速下降，在噴水霧的間隔時(shí)間，溫度有回升跡象，通過實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)艙內(nèi)視頻回放可知，溫度回升是電池發(fā)生爆燃以及電池熄火前的持續(xù)燃燒所致；各節(jié)電池按照到加熱棒距離的增加依次降低，且進(jìn)行噴水霧后，各節(jié)電池溫度較之前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均有明顯下降，降溫效果明顯，而且整個(gè)過程沒有人為干預(yù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程依靠聯(lián)動(dòng)控制自動(dòng)完成，說明該裝置可以實(shí)現(xiàn)鋰電池火災(zāi)的自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制。

4 結(jié)語

該研究通過理論和實(shí)驗(yàn)分析，選取細(xì)水霧作為鋰電池火災(zāi)的滅火劑，選用合適的探測(cè)裝置，最后利用單片機(jī)設(shè)計(jì)完成聯(lián)動(dòng)控制滅火裝置。（1）經(jīng)鋰電池火災(zāi)特征分析，細(xì)水霧噴射與其他方式相比，能夠有效控制火災(zāi)溫度，從而達(dá)到滅火效果。（2）探測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確把握鋰電池火災(zāi)特征溫度，探測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效，單片機(jī)能夠快速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，動(dòng)作迅速，噴水效果明顯，該套聯(lián)動(dòng)控制裝置具有可行性。雖然該研究提供的裝置能夠有效控制鋰電池火災(zāi)，但該研究在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在投入實(shí)際應(yīng)用方面還有待考證，還需在具體應(yīng)用中不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹立波，樂中耀，白中浩，等.鋰離子動(dòng)力電池燃燒機(jī)理及其防護(hù)措施[J].汽車工程，2003，25（6）：566-568.

[2] 趙飛.對(duì)鋰電池安全問題的風(fēng)險(xiǎn)管理[D].華東理工大學(xué)，2012.

[3] 戚瀚鵬.空運(yùn)鋰電池ULD集成滅火系統(tǒng)研究[D].中國(guó)民航大學(xué)，2015.