锂电池热失控烟气监测仪气路设计研究

为准确监测锂电池热失控烟气中的危险气体浓度，为锂电池热失控提供早期探测手段，设计了泵吸式烟气监测仪的一体化采样气路。对气路整体结构、反应腔气室、变径开口处形状进行研究，采用可调泵速控制电路，保持监测仪样气流速、压力恒定。测试结果表明，烟气监测仪的示值误差和重现性均<15%，满足锂电池热失控烟气监测仪的定量要求。关键词：锂电池；热失控；烟气；监测仪；气路设计引言锂离子电池本身具有潜在的安全隐患，其热失控产生的气体具有燃爆和毒害性，极易造成火灾爆炸事故[1]。研究表明，产气检测对热失控进行早期预警可能更为灵敏和准确[2]。因此，对锂离子电池在热失控时释放气体情况进行监测有助于更加准确、深入理解热失控机理，为锂离子电池本质安全提供科学依据，为热失控早期预警提供准确数据，为锂电池火灾灭火救援危险气体现场侦检提供可靠技术。锂电池热失控释放烟气的主要成分有H2、CO、CO2、O2、碳氢化合物、氟化物等[3]。其烟气成分监测手段主要有气相色谱技术、傅里叶变换红外光谱技术、气体传感器技术。其中气体传感器技术具有价格便宜、操作简单、小巧便携等优点，在锂电池热失控早期探测中应用广泛，主要存在的问题是预警精度不够、设备造价较高，未在工程中得到大面积普及[4]。为监测锂电池热失控产生气体的浓度实时变化情况，必须提高气体检测仪的定量精度。气路是气体流通的通路，气路设计的好坏将直接影响测试结果的精度和重复性[5]。多组分气体检测时，气路系统的合理设计有助于简化气路结构，提高气体分析组分数量及分析精度。笔者通过设计适用于多组分气体在线监测的一体化气路，对气路材质选择、流量控制进行研究，通过气路优化，提升基于气体传感器技术的便携式气体分析仪的定量精度。一、气路宏观结构设计气体检测仪的气路主要用于输送待检气体。通过对待检气体进行过滤、分流、引流，送入气体传感器检测其成分及浓度，然后将废气排出设备，最后用干净空气对气路进行吹扫。通过良好的气路设计，可提高检测灵敏度和响应时间，降低检测噪声，使检测结果更准确、快速。在危险化学品泄漏事故和火灾的危险气体侦检中，消防员往往面临复杂混合气体环境，被测气体具有腐蚀性、吸附性，环境气体中含有大量烟尘和焦油，由于救援难度大，仪器在使用过程中易面临持续震动、坠落或液体浸泡等危险。同时，气体检测精度受被测气体压力、温度的影响较大，需要保证流路上的被测气体恒流、恒压、恒温。气路设计应遵循以下原则：在确定管路直径时，应尽量保持管路中的样气气压相同或者相近；在确定管路连接、转折及进出口形态时应选择流量损失小的结构形态，使气体流动顺畅，减少死体积；传感器气室设计时，应遵循同类型多个厂家多种传感器通用的原则，拓宽设计的适用性、通用性；气路整体设计，应考虑工业加工的整体难度和成本。笔者设计的气路包括过滤气路、采样泵、主通道气路、分流通道气路、引流检测气路。其中过滤气路主要用于过滤样品气体中的烟尘颗粒和水滴，保护气路及传感器不被污染；主通道气路主要用于将样品气体导入分流通道气路，分流通道气路主要用于将样品气均匀分配给各传感器；引流检测气路主要用于保证进入传感器中的样品气流量及维持压力稳定，如图1所示。二、整体气路结构设计及实现整体气路结构设计主要为确定主气路及各分流气路直径、气室形状与体积、气路及气室排布、各变径端口及出口形状。笔者采用理论估算、仿真计算、复核修正的方式，对气路的整体结构进行详细设计。反应腔气室为模块化设计，每个传感器配一个独立的气室模块共8个，为保证样气不受损失，气室采用并联的形式组成；每个气室模块均设计为气体直吹传感器反应面的形式，以加快传感器反应速度；采用微流控芯片设计一体化气室，避免震动引起的气路脱落、漏气。压力损失系数是指流体在通过管道或器件时，由于摩擦、弯曲、收缩等因素而导致的能力损失引起的压力降。为保证测试精度，须保持气路中气体压力尽量一致，笔者在气路设计时，综合考虑不同开口形状对气体压力损失的影响，在气路变径、弯折、开口处选择压损系数较小的喇叭口和圆形转弯形状来设计节流及开口，如图2所示。采用MentorGraphics公司的Floefd通过计算流体力学软件，对气路各端口的相对压力进行仿真计算，计算输入结构模型如图3所示，流路工况为温度25℃，压力101kPa，气室出口与大气联通，出口相对压强0kPa。仿真结果显示，主通路前端压力高于分气路出口压力近2倍，同时各分气路出口压力相差较大，笔者通过调整各气路的直径及端口处的弯曲程度，经过参数修正优化后，采用3D打印的方法，制作出一体化气室和采样气路。三、可调泵速控制电路为了得到精确的测量值，必须保证样气的流量和压力稳定。由于锂电池热失控释放烟气中可能含有大量烟尘和焦油，采样过程中易导致过滤器堵塞，造成气路中气体流量不稳定，从而影响检测结果的准确性。当采样流量降低到气体传感器最低工作流量后，气体传感器将无法输出气体浓度数据。为解决这一问题，笔者设计了可调泵速控制电路，通过压力传感器的反馈值自动调节采样泵泵速，通过增加或减少采样泵泵速，实现采样流量的控制，保证气路中样气流量处于恒定状态。采用直流电机采样泵，通过脉冲宽度调制技术实现泵速调整。脉冲宽度调制有两个很重要的参数：频率和占空比。通过改变占空比可以实现电压调制，占空比越大，所得到的平均电压越大；占空比越小，所得到的平均电压也就越小。芯片接受壓力传感器信号，当样气压力增大时，芯片给出增大占空比的信号，使采样泵获得的平均电压增大，提高采样泵的采样频率，如图3所示。四、气路材料对检测结果的影响锂电池热失控释放烟气中含有大量易被吸附的气体组分，为保证测试结果的准确性，要求气路能尽量减少对被测气体的吸附。可通过选择吸附能力较弱的气体材料、提高气路壁面光滑度的方法来降低气体对被测气体的吸附。选取易被吸附气体SO2和HCl来验证不同气路材料对样气的吸附情况。考虑到3D打印的可实现性，使用的气路材料分别为耐高温树脂、尼龙和不锈钢。将浓度为552μL/L的SO2和1198μL/L的HCl标准气体通入气路，后端连接傅立叶红外气体分析仪，检测经过气路后的气体浓度，以衡量气路对气体的吸附作用。表X为气路材质对气体吸附的影响。从表中可以看出，不同气路材质对不同气体的吸附大小不同，树脂和尼龙材质对SO2的吸附较小，对HCl气体的吸附树脂>尼龙>不锈钢，在设计气路时，尽量采用对样气吸附较小的材料来制作气路，同时在实际检测时，应将气路通入气体充分饱和后再进行检测，减小吸附对检测结果的影响。五、气体分析仪精度测试将仪器送至第三方检测机构，依据JJG551-2021，JJG635-2011，JJG695-2019，JJG915-2008，JJG365-2008，JJF1172-2007规定的要求，采用O2、SO2、CO、NO2、H2S、异丁烯标准气体，测试了仪器对三种气体测试的示值误差、重复性、响应时间。测试结果如表2所示。结果显示，设计出的气路用于在气体测量时，其示值误差和重现性均良好，CO2和NO2气体的响应时间为30s和28s，可以通过进一步减小气路体积、增加样气流量进行提升。结语锂电池热失控释放气体监测，可为早期预警、燃爆火灾救援提供有力支撑。由于气体监测手段的缺乏，虽然目前国内外学者针对电池的燃烧特性做了大量研究，但是目前对于锂电池热失控的研究还主要局限于温度场和救援战术的研究，对