具有自动灭火装置的锂电池试验箱设计

赵黎华，贾晓川，栗建永，张 慧，李 翔

（天津市出入境检验检疫局，天津 300191）

具有自动灭火装置的锂电池试验箱设计

赵黎华，贾晓川，栗建永，张 慧，李 翔

（天津市出入境检验检疫局，天津 300191）

随着锂电池越来越广泛的应用，其生产与检验领域的研究也随之增多。锂电池环境性能测试（高温试验、低温试验、热冲击、温度循环）是针对其安全性能的系列测试项目，锂电池环境性能试验箱作为检验领域广泛使用的装置，安全特性是一个重要指标。针对目前锂电池试验箱在安全设计上的不足，提出并设计了一套具有自动灭火装置的锂电池环境性能试验箱，以电接点温度计、七氟丙烷灭火剂瓶等组成自动灭火装置。经试验验证，该试验箱性能稳定，效果良好，弥补了现有锂电池试验箱在安全方面的技术缺陷。

锂电池试验箱；自动灭火；电接点温度计；七氟丙烷

锂电池为人们日常工作、生活中广泛使用的电子产品，其安全性能在世界范围内也受到了普遍重视，几乎所有发达国家对锂电池产品的生产、运输、使用等都有严格的限制。制定了相关的法律法规和相应检测标准，国际民航组织（ICAO）和国际海事组织（IMO）都将锂电池作为危险品，规定电池必须通过某些性能测试才能进行运输。在锂电池检测中，环境适应性能是其重要检测项目，包括高温试验、低温试验、热冲击、温度循环等系列测试项目，测试电池在使用、装卸或运输中遭受极端温湿度环境，是否会引起着火、爆炸或泄漏，以对电池安全性能做出客观评价。

目前，应用于锂电池环境性能检测领域的温湿度控制试验箱结构一般具有良好的温湿度控制效果以及较高的密封性能。然而，锂电池在进行高温、湿度循环等检测时容易发生爆炸、起火等情况，当其中一块电池发生危险情况，常引起连锁反应，而现有的温湿度试验箱通常不具备快速降温和灭火功能，如果在保温效果、密封性能良好的箱体起火，极易使试验箱内温度剧增，出现爆燃等情况，后果十分危险。所以，在箱内温度异常剧增时，及时降温、泻压，特别是灭火功能十分重要[3]。

因此，针对现有温湿度控制试验箱在安全设计上的不足与缺陷，提出并设计了一种具有自动灭火装置的锂电池试验箱。它能够在试验箱内由于试验锂电池出现爆燃导致箱内温度剧增时，控制启动灭火装置进行灭火，避免危险的发生。

1 系统总体结构

具有自动灭火装置的锂电池试验箱是在原有温湿度控制试验箱体的基础之上增加一套自动灭火装置，该自动灭火装置主要由灭火控制箱、七氟丙烷灭火剂瓶组[4]、电接点温度计[5]等构成。当试验箱内由于试验锂电池出现爆炸、燃烧等特殊情况时，试验箱内温度剧增时，控制装置启动电磁阀，使七氟丙烷钢瓶中的七氟丙烷灭火剂喷出实现灭火，其相应的系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 系统外观结构组成

具有自动灭火装置的锂电池试验箱的外观结构主要包括试验箱体及其附属器件、灭火控制箱系统、七氟丙烷灭火剂瓶组等部分，其相应的外观示意图如图2所示。

图2 系统外观示意图

2.1 试验箱体结构

试验箱体的箱壁由外壳钢板、保温层和内胆钢板构成；在试验箱体的侧壁加工有两个穿壁孔，两个穿壁孔分别贯穿外壳钢板、保温层和内胆钢板；传感器探头导管的外径、钢管套管的外径分别与对应的穿壁孔直径紧密配合。

传感器探头导管从外部依次穿过试验箱体的外壳钢板、保温层和内胆钢板，嵌装在对应的穿壁孔内，传感器探头导管与外壳钢板、内胆钢板的结合处通过焊接的方法固定密封，传感器探头导管处于试验箱体的外侧一端的管口设有内螺纹。

电接点温度计的传感器探头部分以传感器探头导管为导管，穿入试验箱体内部，电接点温度计通过其表头下端的外螺纹与传感器探头导管的内螺纹配合，紧固安装在传感器探头导管上。

钢管套管从外部依次穿过试验箱体的外壳钢板、保温层和内胆钢板，嵌装在对应的穿壁孔内，钢管套管与外壳钢板、内胆钢板的结合处通过焊接的方法固定密封。

钢管以钢管套管为导管，穿入试验箱体内部，钢管外径与钢管套管内径间隙配合，在钢管套管处于试验箱体箱壁外侧一端的管口处，钢管与钢管套管的管口焊接固定；钢管穿入试验箱体内的一端通过接头连接嘴喷；另一端通过接头连接胶管，经胶管连接到灭火剂钢瓶上的电磁容器阀出口。

2.2 灭火控制箱系统

灭火控制箱系统的控制由手动控制电路和自动控制电路组成，通过三位选择开关SA选择和切换，其结构分别与电磁容器阀、电接点温度计连接，通过电接点温度计采集温度信号，控制电路根据采集的温度信号控制电磁容器阀动作。

2.3 七氟丙烷灭火剂瓶组

七氟丙烷灭火剂瓶组包括灭火剂钢瓶、电磁容器阀和压力表。当试验箱内部腔室的试验电池出现爆燃导致箱内温度剧增时，电磁容器阀动作，灭火剂从灭火剂钢瓶的瓶口流出，经由依次连接的电磁容器阀、胶管、钢管到喷嘴，从喷嘴喷出，释放灭火剂灭火，其实物连接图如图3所示。

图3 灭火剂瓶组实物连接图

3 硬件系统电路设计

3.1 电接点温度计

温度检测是灭火装置的重要部分，是实现自动灭火的基础。在本装置中，采用WSSX-400型，可以直接测量各种生产过程中-80～500℃范围内体、蒸汽和气体介质的温度，利用温度变化时带动触点变化，当其与上下限触点接触或断开的同时，使电路中的继电器动作，从而自动控制及报警。WSSX-400型广泛应用于生产现场对温度需自动控制和报警的领域。

该锂电池试验箱内的试验温度为-40～150℃，完全符合WSSX-400型的控制范围，其电路连接图如图4所示。

图4 电接点温度计电路连接图

3.2 灭火控制箱电路设计

在该试验箱中，硬件系统电路设计主要指灭火控制箱的控制电路部分，由手动控制和自动控制电路组成，通过三位选择开关SA选择和切换，其电路原理图如图5所示。

图5 灭火控制箱电路原理图

4 自动灭火实现原理及过程

该试验箱的自动灭火功能主要由3.2节所述的灭火控制箱来完成，其相应的工作过程如下：（1）当选择手动控制时，选择开关SA将电源相线与常闭按钮SBR接通，常闭按钮SBR依次串接常开按钮SBF、中间继电器KA的线圈，最后接零线；

（2）按下常开按钮SB，中间继电器KA吸合，中间继电器KA的常开触点KA-1、常开触点KA-2、常开触点KA-3吸合，常闭触点KA-4、常闭触点KA-5断开，电路通过常开触点KA-1自保持导通状态；电源相线通过常开触点KA-2连接到电磁容器阀的开阀端子，电磁容器阀动作，灭火剂从灭火剂钢瓶的瓶口流出，经由依次连接的电磁容器阀、胶管、钢管到喷嘴，从喷嘴喷出；

（3）当选择自动控制时，选择开关SA将电源相线与中间继电器KA的常开触点KA-2的一端连接，常开触点KA-2的另一端连接电接点温度计的动触点M端，电接点温度计的上限触点H端连接中间继电器KA的线圈一端，线圈另一端接零线；

（4）当试验箱内部腔室温度处在设定范围时，电接点温度计的动触点M端与上限触点H端处于断开状态，中间继电器KA不动作，常开触点KA-2保持常开，常闭触点KA-4保持常闭，电源相线通过常闭触点KA-4连接到电磁容器阀的关阀通路，电磁容器阀处于关闭状态；

（5）当试验箱内部腔室的试验电池出现爆燃导致箱内温度剧增时，电接点温度计的动触点M端与上限触点H端接通，中间继电器KA吸合，中间继电器KA的常开触点KA-1、常开触点KA-2、常开触点KA-3吸合，常闭触点KA-4、常闭触点KA-5断开，电源相线通过常开触点KA-2连接到电磁容器阀的开阀端子，电磁容器阀动作，灭火剂从灭火剂钢瓶的瓶口流出，经由依次连接的电磁容器阀、胶管、钢管到喷嘴，从喷嘴喷出，释放灭火剂灭火。

5 结束语

锂电池由于具有电压高、能量大等优点,是目前化学电源行业最新发展方向之一。用于锂电池生产与检测的设备不断出现，但绝大部分不具备自动灭火功能。本文设计实现的具有自动灭火装置的锂电池试验箱经过改革创新，在试验箱的基础上增加自动灭火装置，结构简单，直观方便，具有自动切断电源和报警功能，既保证了安全需要，又延长了设备的使用寿命。

[1] 陈洪超,李相东.锂离子电池原理、研究现状与应用前景[J].军事通信技术,2001,22(1):55-58.

[2] 魏宇锋,张继东,费旭东,等.锂离子电池产业政策研究及检测标准分析[J].电池工业,2011,16(3):189-192.

[3] 朱宏声,来磊,石雷兵.锂电池测试及智能系统的应用[J].上海计量测试,2011（4）:33-35.

[4] 陈泽希.七氟丙烷自动灭火系统安装工艺研究[J].铁道工程学报, 2012（1）:78-82.

[5] 崔玉峰,王恩.电接点温度计接点测试及自动采样装置:中国，CN201653590U[P].2010-11-24.

Design of lithium battery chamberw ith automatic fire extinguishing device

ZHAO Li-hua,JIA Xiao-chuan,LIJian-yong,ZHANG Hui,LIXiang
（Tianjin Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Tianjin 300191,China）

With the wide application of lithium battery,its research on production and testing is increased.Lithium battery chamber as the production and testing equipment has widely been used,and its safety features are important indicators.For the design deficiencies of the current lithium battery chamber in the security,a set of lithium batteries chamber with automatic fire extinguishing device was proposed and designed,which is composed of electric-contact thermometer,fire extinguishing agent bottle,and so on.The test proves that the chamber has stable performance and good effect,and can make up the security flaws of the existing battery chamber technology.

lithium battery chamber;automatic fire extinguishing;electric-contact thermometer;HFC-227ea/FM200

TM 912.9

A

1002-087 X(2013)11-1956-03

2013-04-05

赵黎华（1975—），男，山西省人，高级工程师，主要研究方向为电池及相关产品产品检测。