鋰電池?zé)崾Э責(zé)煔獗O(jiān)測儀氣路設(shè)計(jì)研究

何瑾 郭海東 楊旭 朱垚垚

摘要：

為準(zhǔn)確監(jiān)測鋰電池?zé)崾Э責(zé)煔庵械奈ｋU(xiǎn)氣體濃度，為鋰電池?zé)崾Э靥峁┰缙谔綔y手段，設(shè)計(jì)了泵吸式煙氣監(jiān)測儀的一體化采樣氣路。對氣路整體結(jié)構(gòu)、反應(yīng)腔氣室、變徑開口處形狀進(jìn)行研究，采用可調(diào)泵速控制電路，保持監(jiān)測儀樣氣流速、壓力恒定。測試結(jié)果表明，煙氣監(jiān)測儀的示值誤差和重現(xiàn)性均<15%，滿足鋰電池?zé)崾Э責(zé)煔獗O(jiān)測儀的定量要求。

關(guān)鍵詞：鋰電池；熱失控；煙氣；監(jiān)測儀；氣路設(shè)計(jì)

引言

鋰離子電池本身具有潛在的安全隱患，其熱失控產(chǎn)生的氣體具有燃爆和毒害性，極易造成火災(zāi)爆炸事故[1]。研究表明，產(chǎn)氣檢測對熱失控進(jìn)行早期預(yù)警可能更為靈敏和準(zhǔn)確[2]。因此，對鋰離子電池在熱失控時(shí)釋放氣體情況進(jìn)行監(jiān)測有助于更加準(zhǔn)確、深入理解熱失控機(jī)理，為鋰離子電池本質(zhì)安全提供科學(xué)依據(jù)，為熱失控早期預(yù)警提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為鋰電池火災(zāi)滅火救援危險(xiǎn)氣體現(xiàn)場偵檢提供可靠技術(shù)。

鋰電池?zé)崾Э蒯尫艧煔獾闹饕煞钟蠬2、CO、CO2、O2、碳?xì)浠衔?、氟化物等[3]。其煙氣成分監(jiān)測手段主要有氣相色譜技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)、氣體傳感器技術(shù)。其中氣體傳感器技術(shù)具有價(jià)格便宜、操作簡單、小巧便攜等優(yōu)點(diǎn)，在鋰電池?zé)崾Э卦缙谔綔y中應(yīng)用廣泛，主要存在的問題是預(yù)警精度不夠、設(shè)備造價(jià)較高，未在工程中得到大面積普及[4]。為監(jiān)測鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生氣體的濃度實(shí)時(shí)變化情況，必須提高氣體檢測儀的定量精度。

氣路是氣體流通的通路，氣路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響測試結(jié)果的精度和重復(fù)性[5]。多組分氣體檢測時(shí)，氣路系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)有助于簡化氣路結(jié)構(gòu)，提高氣體分析組分?jǐn)?shù)量及分析精度。筆者通過設(shè)計(jì)適用于多組分氣體在線監(jiān)測的一體化氣路，對氣路材質(zhì)選擇、流量控制進(jìn)行研究，通過氣路優(yōu)化，提升基于氣體傳感器技術(shù)的便攜式氣體分析儀的定量精度。

一、氣路宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣體檢測儀的氣路主要用于輸送待檢氣體。通過對待檢氣體進(jìn)行過濾、分流、引流，送入氣體傳感器檢測其成分及濃度，然后將廢氣排出設(shè)備，最后用干凈空氣對氣路進(jìn)行吹掃。通過良好的氣路設(shè)計(jì)，可提高檢測靈敏度和響應(yīng)時(shí)間，降低檢測噪聲，使檢測結(jié)果更準(zhǔn)確、快速。在危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故和火災(zāi)的危險(xiǎn)氣體偵檢中，消防員往往面臨復(fù)雜混合氣體環(huán)境，被測氣體具有腐蝕性、吸附性，環(huán)境氣體中含有大量煙塵和焦油，由于救援難度大，儀器在使用過程中易面臨持續(xù)震動(dòng)、墜落或液體浸泡等危險(xiǎn)。同時(shí)，氣體檢測精度受被測氣體壓力、溫度的影響較大，需要保證流路上的被測氣體恒流、恒壓、恒溫。

氣路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：在確定管路直徑時(shí)，應(yīng)盡量保持管路中的樣氣氣壓相同或者相近；在確定管路連接、轉(zhuǎn)折及進(jìn)出口形態(tài)時(shí)應(yīng)選擇流量損失小的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使氣體流動(dòng)順暢，減少死體積；傳感器氣室設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循同類型多個(gè)廠家多種傳感器通用的原則，拓寬設(shè)計(jì)的適用性、通用性；氣路整體設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮工業(yè)加工的整體難度和成本。

筆者設(shè)計(jì)的氣路包括過濾氣路、采樣泵、主通道氣路、分流通道氣路、引流檢測氣路。其中過濾氣路主要用于過濾樣品氣體中的煙塵顆粒和水滴，保護(hù)氣路及傳感器不被污染；主通道氣路主要用于將樣品氣體導(dǎo)入分流通道氣路，分流通道氣路主要用于將樣品氣均勻分配給各傳感器；引流檢測氣路主要用于保證進(jìn)入傳感器中的樣品氣流量及維持壓力穩(wěn)定，如圖1所示。

二、整體氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

整體氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要為確定主氣路及各分流氣路直徑、氣室形狀與體積、氣路及氣室排布、各變徑端口及出口形狀。筆者采用理論估算、仿真計(jì)算、復(fù)核修正的方式，對氣路的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

反應(yīng)腔氣室為模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)傳感器配一個(gè)獨(dú)立的氣室模塊共8個(gè)，為保證樣氣不受損失，氣室采用并聯(lián)的形式組成；每個(gè)氣室模塊均設(shè)計(jì)為氣體直吹傳感器反應(yīng)面的形式，以加快傳感器反應(yīng)速度；采用微流控芯片設(shè)計(jì)一體化氣室，避免震動(dòng)引起的氣路脫落、漏氣。

壓力損失系數(shù)是指流體在通過管道或器件時(shí)，由于摩擦、彎曲、收縮等因素而導(dǎo)致的能力損失引起的壓力降。為保證測試精度，須保持氣路中氣體壓力盡量一致，筆者在氣路設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮不同開口形狀對氣體壓力損失的影響，在氣路變徑、彎折、開口處選擇壓損系數(shù)較小的喇叭口和圓形轉(zhuǎn)彎形狀來設(shè)計(jì)節(jié)流及開口，如圖2所示。

采用MentorGraphics公司的Floefd通過計(jì)算流體力學(xué)軟件，對氣路各端口的相對壓力進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算輸入結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，流路工況為溫度25℃，壓力101kPa，氣室出口與大氣聯(lián)通，出口相對壓強(qiáng)0kPa。仿真結(jié)果顯示，主通路前端壓力高于分氣路出口壓力近2倍，同時(shí)各分氣路出口壓力相差較大，筆者通過調(diào)整各氣路的直徑及端口處的彎曲程度，經(jīng)過參數(shù)修正優(yōu)化后，采用3D打印的方法，制作出一體化氣室和采樣氣路。

三、可調(diào)泵速控制電路

為了得到精確的測量值，必須保證樣氣的流量和壓力穩(wěn)定。由于鋰電池?zé)崾Э蒯尫艧煔庵锌赡芎写罅繜焿m和焦油，采樣過程中易導(dǎo)致過濾器堵塞，造成氣路中氣體流量不穩(wěn)定，從而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)采樣流量降低到氣體傳感器最低工作流量后，氣體傳感器將無法輸出氣體濃度數(shù)據(jù)。為解決這一問題，筆者設(shè)計(jì)了可調(diào)泵速控制電路，通過壓力傳感器的反饋值自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣泵泵速，通過增加或減少采樣泵泵速，實(shí)現(xiàn)采樣流量的控制，保證氣路中樣氣流量處于恒定狀態(tài)。

采用直流電機(jī)采樣泵，通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)泵速調(diào)整。脈沖寬度調(diào)制有兩個(gè)很重要的參數(shù)：頻率和占空比。通過改變占空比可以實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)制，占空比越大，所得到的平均電壓越大；占空比越小，所得到的平均電壓也就越小。芯片接受壓力傳感器信號，當(dāng)樣氣壓力增大時(shí)，芯片給出增大占空比的信號，使采樣泵獲得的平均電壓增大，提高采樣泵的采樣頻率，如圖3所示。

四、氣路材料對檢測結(jié)果的影響

鋰電池?zé)崾Э蒯尫艧煔庵泻写罅恳妆晃降臍怏w組分，為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求氣路能盡量減少對被測氣體的吸附?？赏ㄟ^選擇吸附能力較弱的氣體材料、提高氣路壁面光滑度的方法來降低氣體對被測氣體的吸附。選取易被吸附氣體SO2和HCl來驗(yàn)證不同氣路材料對樣氣的吸附情況?？紤]到3D打印的可實(shí)現(xiàn)性，使用的氣路材料分別為耐高溫樹脂、尼龍和不銹鋼。

將濃度為552μL/L的SO2和1198μL/L的HCl標(biāo)準(zhǔn)氣體通入氣路，后端連接傅立葉紅外氣體分析儀，檢測經(jīng)過氣路后的氣體濃度，以衡量氣路對氣體的吸附作用。表X為氣路材質(zhì)對氣體吸附的影響。從表中可以看出，不同氣路材質(zhì)對不同氣體的吸附大小不同，樹脂和尼龍材質(zhì)對SO2的吸附較小，對HCl氣體的吸附樹脂>尼龍>不銹鋼，在設(shè)計(jì)氣路時(shí)，盡量采用對樣氣吸附較小的材料來制作氣路，同時(shí)在實(shí)際檢測時(shí)，應(yīng)將氣路通入氣體充分飽和后再進(jìn)行檢測，減小吸附對檢測結(jié)果的影響。

五、氣體分析儀精度測試

將儀器送至第三方檢測機(jī)構(gòu)，依據(jù)JJG551-2021，JJG635-2011，JJG695-2019，JJG915-2008，JJG365-2008，JJF1172-2007規(guī)定的要求，采用O2、SO2、CO、NO2、H2S、異丁烯標(biāo)準(zhǔn)氣體，測試了儀器對三種氣體測試的示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間。測試結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)出的氣路用于在氣體測量時(shí)，其示值誤差和重現(xiàn)性均良好，CO2和NO2氣體的響應(yīng)時(shí)間為30s和28s，可以通過進(jìn)一步減小氣路體積、增加樣氣流量進(jìn)行提升。

結(jié)語

鋰電池?zé)崾Э蒯尫艢怏w監(jiān)測，可為早期預(yù)警、燃爆火災(zāi)救援提供有力支撐。由于氣體監(jiān)測手段的缺乏，雖然目前國內(nèi)外學(xué)者針對電池的燃燒特性做了大量研究，但是目前對于鋰電池?zé)崾Э氐难芯窟€主要局限于溫度場和救援戰(zhàn)術(shù)的研究，對于火災(zāi)的產(chǎn)氣特性研究甚少。筆者對基于氣體傳感器原理的便攜式氣體分析儀的氣路設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，通過理論計(jì)算、仿真模擬，設(shè)計(jì)出可同時(shí)監(jiān)測8種氣體組分的一體化氣路，并對氣路材質(zhì)、壓力穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的一體化氣路吸附性小、樣氣壓力穩(wěn)定、測試精度高、重復(fù)性好，為鋰電池?zé)崾Э責(zé)煔忉尫乓?guī)律、氣體早期探測提供有效手段。

參考文獻(xiàn)

[1]Feng X N， Ren D S， He X M， et al. Mitigating thermal runaway of lithium-ion batteries[J]. Joule， 2020， 4（04）： 743-770.

[2]Sturk D， Rosell L， Blomqvist P， et al. Analysis of Liion battery gases vented in an inert atmosphere thermal test chamber[J]. Batteries， 2019， 5（03）： 61.

[3]Fernandes Y， Bry A， de Persis S. Identification and quantification of gases emitted during abuse tests by overcharge of a commercial Li-ion battery[J]. Journal of Power Sources， 2018， 389： 106-119.

[4]李正力， 李肖輝， 王京， 等. 鋰離子電池儲能電站熱失控預(yù)警與防護(hù)研究進(jìn)展[J/OL].高壓電器.

[5]劉偉玲， 楊彩雙， 冉多鋼.基于傳感器陣列的惡臭氣體檢測[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2017，2：66-69.