空运锂电池火灾自动报警与联动控制装置设计

颜为芹++马元朋++马钟丽++廖维维++刘甜芳++姜乃文++张青松

摘 要：锂电池火灾的燃爆和易复燃等特征使得目前飞机货舱内配备的哈龙灭火系统无法进行有效的抑制，如不能及时探测、报警和控制，后果极为严重。该研究结合锂电池火灾特征，选择最佳温度以及合适的探测、灭火装置，用单片机技术实现联动，结合实验对联动控制装置设计的可行性进行研究。实验结果表明，该联动控制装置可实现锂电池火灾的有效控制。不仅可为控制空运锂电池火灾提供理论依据，还可为空运锂电池灭火联动控制装置提供技术参考。

关键词：空运 锂电池火灾 自动报警 聯动控制装置

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0005-02

锂电池在常温下物理性质稳定，其内部组成成分与其化学反应是锂电池火灾发生的主要原因，在使用过程中，由于电解物质对热不稳定等原因，导致锂电池内部组成元件发生化学反应，从而导致锂电池发生燃烧。外部的因素也是引起锂电池火灾发生的原因之一，外部环境（测试方法错误、错误的充放电、碰撞、进水等）的影响会导致锂电池内部条件发生变化，这种变化会导致锂电池内部失去平衡，从而导致锂电池起火燃烧，进而发生火灾。

锂电池在受热后的燃烧过程中存在初爆和二次燃烧两个关键节点，而且在空运环境下一节锂电池发生起火会导致周围全部锂电池发生热失控，锂电池中发生的各类分解反应均发生在温度较高的环境中，整个燃烧过程很短，仅为2 s左右且燃烧十分剧烈，因此为及时对锂电池火灾进行有效控制，应重点抓住合适的温度进行响应。

笔者通过研究锂电池燃烧机理与火灾特征，采用有针对性的探测手段和灭火装置，通过单片机实现联动控制，实现锂电池火灾的有效自动报警与联动控制灭火，从而控制锂电池火灾及其复燃，以减少锂电池火灾的风险性与危害性。

1 锂电池火灾自动报警与联动控制装置参数选取

若在发生反应前后有效地降低温度，可以使反应终止或防止反应的发生，从而达到抑制锂电池燃烧爆炸的目的。同时，在灭火完成后，由于电池内部温度依然在其自燃点之上，仍然存在发生复燃的风险。因此，温度是锂电池火灾控制的关键参数，应基于温度选取各种探测灭火装置。

基于锂电池的火灾特征，灭火剂不仅需要对锂电池火灾进行有效的灭火，同时还要通过降低电池温度，预防复燃的发生。

通过不同灭火剂特性之间的比较，细水雾灭火剂具有如下优点：冷却效果好、可屏蔽热辐射、可部分吸收烟尘和毒气，最主要的是，细水雾能够有效地控制火灾的温度，从而达到灭火、防止复燃的效果，并且细水雾价格低廉、来源广、实用性高，所以实验选取细水雾作为灭火剂。

K型热电偶使用温度范围在0 ℃～800 ℃，测温精度为±1 ℃。锂电池初爆响应温度约为185 ℃，燃爆响应温度约为570 ℃，为准确地探测锂电池的温度，减小误差，选择K型热电偶作为温度探测器。

装置选用常闭继电器进行动作。在通电后，若温度没有达到设定温度，不拉高电压，两触点是断开的，即不喷水；当温度达到设定温度时，通过拉高电压使两触点闭合，即喷水，温度降低时电压再回到低电位。为实现探测与灭火的联动，选取C51单片机，通过单片机上的编程来判定系统是否动作。

2 锂电池火灾自动报警与联动控制原理

2.1 自动报警的实现

该实验使用C51单片机，选用K型热电偶作为敏感元件，利用AD转换器和温度报警电路，在温度较高时使蜂鸣器动作进行自动报警。C51单片机相当于一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围环境温度达到我们设定的数值时，温度传感器把被测的物理量作为传输参数，转换为电量（电压）输出。传感器将物理信号经过A/D转换器转换为可以利用识别的电信号并传输给单片机，接收到信号的单片机经过程序的设定直接启动报警电路。此时，扬声器发出声音，就达到了温度报警的效果。

2.2 自动灭火的实现

锂电池燃烧时，K型热电偶探测到温度后返回一个0～5 V的电压，根据探测器上A/D转换器的精度不同，将电压值转换为相应的数值传到C51单片机上，再由单片机中传感器元器件模块的资料，将不同的数值对应转换为不同的温度。通过单片机上的主程序判断是否到达灭火温度，当达到设定的灭火温度时，发出警报，并拉高电压，使继电器动作，喷出细水雾，降低温度，以达到控制锂电池火灾的目的。

3 锂电池火灾自动报警与联动控制装置实验

3.1 实验设计

为验证联动控制系统的可行性，在100 L实验舱中我们将8节30%电量的电池正极朝上，紧贴加热棒，用3×3卡套固定，并选择150 W加热棒，设定温度的上限和下限，对3×3分布的锂电池组的一角进行加热，通过加热棒使锂电池温度升高。

3.2 实验分析

初爆停止加热不分离加热棒，当温度达到389.2 ℃时，警报装置发出警报，并喷水雾，电池温度明显迅速下降，在喷水雾的间隔时间，温度有回升迹象，通过实验试验舱内视频回放可知，温度回升是电池发生爆燃以及电池熄火前的持续燃烧所致；各节电池按照到加热棒距离的增加依次降低，且进行喷水雾后，各节电池温度较之前实验数据均有明显下降，降温效果明显，而且整个过程没有人为干预，整个实验过程依靠联动控制自动完成，说明该装置可以实现锂电池火灾的自动报警及联动控制。

4 结语

该研究通过理论和实验分析，选取细水雾作为锂电池火灾的灭火剂，选用合适的探测装置，最后利用单片机设计完成联动控制灭火装置。（1）经锂电池火灾特征分析，细水雾喷射与其他方式相比，能够有效控制火灾温度，从而达到灭火效果。（2）探测装置能够准确把握锂电池火灾特征温度，探测数据真实有效，单片机能够快速准确地转换数据，动作迅速，喷水效果明显，该套联动控制装置具有可行性。虽然该研究提供的装置能够有效控制锂电池火灾，但该研究在实验室进行，在投入实际应用方面还有待考证，还需在具体应用中不断完善。

参考文献

[1] 曹立波，乐中耀，白中浩，等.锂离子动力电池燃烧机理及其防护措施[J].汽车工程，2003，25（6）：566-568.

[2] 赵飞.对锂电池安全问题的风险管理[D].华东理工大学，2012.

[3] 戚瀚鹏.空运锂电池ULD集成灭火系统研究[D].中国民航大学，2015.