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摘要：通过对二次电池化成设备的防爆设计，减少设备危险区域，提高二次电池化成工序的安全性能，促进电池检测设备达到全球化安全认证的标准。以爆炸性环境系列标准为依据，结合化成工艺时序表，进行了异常和极端异常情况的电解液挥发浓度计算，分析了点燃源风险和危险区域。对设备的排风风道和风量进行仿真优化分析，通过软件系统监控设备的排风、环境温度、烟雾、液位、真空压力、电池充放电电压、电流、温度等参数，并进行及时地反馈与控制。详细规范了防爆监控相关元器件的安装、接地、隔离、校准及点检的要求。通过系统与规范的防爆设计使设备的安全区增大，危险点减少，提高了设备的安全性能。采用烟雾发生器对样机设备排风风道进行测试，验证表明设备的排风排烟效果与仿真一致，库位内无危险气体残留死角存在，满足防爆设计要求。分析、优化和规范方法对电池检测设备的防爆设计具有现实的指导意义。
关键词：电池；充电；防爆；化成设备；电池检测；风道设计；密闭结构；散热
0引言
随着二次电池后处理设备海外订单的日益增长，全球化安全认证资质显得尤为重要。特别是进驻欧美市场的产品需要满足CE和UL的安全强制认证要求。二次电池化成设备的防爆认证是CE认证的重要部分。
二次电池的安全生产与安全使用是国内外学者研究的重点。电解液作为锂电池的关键组成材料之一，一直是研究者们考虑电池安全性隐患的着眼点[1]。由于电解液组分中大部分为易燃的小分子[2],有机碳酸醋是其主要成分，大部分的碳酸醋是可燃的，拥有着较高的挥发性、低闪点、介电常数高、离子电导率高、更易燃[3-5]。
电池外部环境温度过高，使得电池内部的可热物质达到着火点，引起电池内部发热[6]、燃烧和爆炸[7]。电解液燃烧释放的热量占电池火灾总热释放量的40%以上[8],释放出有机碳酸盐，与空气混合时，极易发生火灾和爆炸事故[9]。引发电池安全问题最重要的原因就是电解液的可燃性[10]。电池热失控伴随的起火和爆炸事故通常也是由泄漏的电解液点燃造成的[11]。有学者对比了含有LiPF6、LiBF4和不同ECIPC/EMC组成比例电解液，进行了燃烧实验，发现添加LiBF4并不能有效提高电解液的安全性[12-13]。Fu等[14-16]在锥形量热仪中对锂电池进行实验测试，结果表明100%SOC锂电池热失控后表面最高温度达到797℃,热释放率最大峰值达到6.8 kW,危险性远高于其他正常可燃材料。黎勇[17]和张贤凯等[18]对二次电池化成车间电池起火与爆炸消防扑救对策进行研究，根据锂离子电池火灾统计数据分析，锂离子电池起火后约8min就会引发电池爆炸。因此，电解液作为二次电池的主要成分，同时也是最危险的部分。相关研究表明，电解液的可燃性被认为是锂离子电池火灾危险性高的重要诱因[9]。综上所述，有大量学者进行了电解液的成分特性、燃烧特性和爆炸危险性的研究，但是关于化成设备的防爆设计研究极为鲜见。
为完善化成设备防爆设计领域的研究，本文通过对二次电池化成设备系统的防爆设计，利用降低电池化成设备内电解液挥发气体浓度的措施，确保二次电池化成工序的安全性。二次电池化成设备的防爆设计有助于设备的CE和UL等安全认证，促进设备达到全球化的安全标准，有利于提高我国二次电池化成设备在国际市场上的竞争力。
1化成设备的危险源分析与计算
1.1化成工艺简介
化成设备包括结构部和电源部两大部分。化成工艺包含充电、放电、老化以及负压系统在每个工步过程中的抽真空动作，下文以某款二次电池的化成工艺时序图为例进行分析，如表1所示。
负压系统的工作过程包括，负压吸嘴与电芯注液口闭合密封，抽真空至指定真空度，保压检测系统气密性，化成结束后破真空，负压吸嘴与电芯注液口分离。其中负压吸嘴与电芯注液口闭合密封前与负压吸嘴与电芯注液口分离后，电芯的注液孔都是敞开的放置在化成设备库位中。电解液会从电芯注液孔挥发出来，导致库位内电解液挥发气体浓度升高。另外，电解液的集液杯的排液过程可能会存在电解液挥发气体浓度升高，导致设备区域具有一定的引燃风险。因此，负压系统动作控制的时间是影响电解液挥发气体浓度的重要因素。
1.2注液孔电解液挥发浓度计算
下面以单托盘上的48个电芯为例进行计算。库位的电芯注液口是敞开的，电解液会挥发到库位中。由实验所得，化成前后每个电芯失液量最大为2.5 g,化成时长为1.9 h。
假设在化成设备异常情况下，1 h内每个电芯达到最大失液量，且全部挥发到库位，挥发量M0为：
式中：Ｎ１为电芯的总数量；Ｌ为化成前后每个电芯的最大失液量；t为失液的实际时间。
代入数字可得M0为120 g/h。
化成设备单库位的8个排风风机的最小排风量为Q0:
Q0=N2×Q1(2)
式中：N2为风机的总数量；Q1为库位排风风机的最小风量，m3/h。
代入数字可得Q0为2045.44 m3/h。
由电解液厂商提供的测试报告可知LFL(20℃)的值为59.6 g/m3,其ΔLFL为0.002/K。可以计算出LFL(48℃)结果如下，
LFL(T2)=LFL(T1)×[1-ΔLFL·(T2-T1)](3)
式中：LFL(T2)为在T2环境温度下气体爆炸下限的浓度；ΔLFL为爆炸下限浓度随温度变化的变化系数，T1为自然环境温度，此处以20℃为例，T2为化成设备库位内最高的环境温度为48℃。
代入数字可得LFL(48℃)为56.2 g/m3。库位危险气体浓度MD计算：
式中，M0为设备异常情况单位时间内的挥发总量，单位g/h,Q0为单库位的最小排风总量。
代入数字可得MD为0.058 7 g/m3。以MD≤25%LFL(48℃)作为设备安全性能的判断标准可知MD小于14.05 g/m3,其安全余量为239倍。
1.3极端异常情况的电解液挥发浓度计算
假设化成在设备极端异常情况，以库位底面都漏满电解液的情况进行电解液挥发量计算挥发量M1为：
M1=V1×S1(5)
式中：V1为电解液的挥发速率，g/(m2·h);S1为库位底面面积，m2。
代入数字可得M1=127.5 g/h。将M1代入式(4)中，可得极端异常情况库位内的危险气体浓度MD1=0.062 3 g/m3,其安全余量为225倍。以上假设的异常情况的危险气体浓度和25%LFL(48℃)间有200倍以上的安全余量，出现这种极端异常情况的概率非常小，每年不会超过1 h。
由于库位排风为强迫排风，每个排风扇都有开启监控。根据库位流体的仿真结果，库位内不会有聚集危险气体的死角存在。基于以上计算结果分析，可将库位内的区域定义为安全区。
2化成设备的防爆分区分析
2.1点燃源风险分析
根据《爆炸性环境第1部分：设备通用要求(GBT3836.1—2021);《爆炸性环境第28部分：爆炸性环境用非电气设备基本方法和要求》(GB/T 3836.28—2021);《爆炸性环境第29部分：爆炸性环境用非电气设备结构安全型“c”、控制点燃源型“b”、液浸型“k”》(GB/T 3836.29—2021)三份爆炸性环境国家标准分析电解液的特性，以碳酸亚乙酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)三种常用的碳酸酯溶剂和离子电池电解液中常用的锂盐六氟磷酸锂(LiPF6)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)为原料的电解液为例进行分析，如表2所示。
注：部分危险物质特性值未获取到，评估使用以上表格中各个最危险的值作为评估依据。若使用的电解液或溶液有不同，应根据具体值来做进一步评估，以确定此报告的有效性。表中，K值为气体／蒸汽与空气的相对密度，M(B)为摩尔质量，P20为20℃下的蒸汽压力。2.2危险区域分析
根据表2点燃源风险分析，进一步确定化成设备的释放源分析及区域范围确定，主要确定电解液的集液杯、集液杯的手动阀和电解液的接液盘是危险区域，并进一步分析，如表3所示。
注：a处C为连续，P为1级，S为2级；b处引用第一部分表中的序号；c处G为气体，L为液体，LG为液化气体，S为固体；d处N为自然，AG为普通工人，AL为特殊工人；e处参考标准示例的代号，如未参考不引用。2.3防爆分区图
根据点燃源风险分析和危险区域分析，可知化成设备的主要危险释放源分布在化成系统部分的集液杯内部区域定义为Zone0区，集液杯手动阀的出口半径为0.05 m的球体区域和接液盘内部区域及上方0.05 m区域定义为Zone2区，由注液孔电解液挥发浓度计算和极端异常情况的电解液挥发浓度计算结果可知库位危险气体浓度的安全余量在200倍以上，因此化成设备的压床部和电源部均为安全区域。防爆分区布局图，如图1所示。
3排风及流体仿真分析
3.1排风要求
根据前述分析可知，化成设备单库位内划定为安全区域，前提条件是库位的8个排风风机的通风有效性评估为良好，即库位内没有会聚集危险气体的死角存在，并且风扇能够有效地持续稳定的运行。
因此，对风机的设计选型需要考虑以下几点：(1)每个风机要有监控和报警功能；(2)风机要保障通风的连续性和稳定性，因此要选择防爆风机，即使设备处于爆炸环境中风机仍能继续工作；(3)要求库位内的风道顺畅，即库位没有会聚集危险气体的死角存在，因此需要通过流体仿真软件分析设备的风道设计的合理性；(4)防爆风机的正确安装及接地；(5)合理的风道设计确保库位内风速较为均匀，无流道短路等回路形成。
3.2流体仿真分析
3.2.1模型简化
化成设备的柜体模型简化为一个空心的六面体，忽略了4个边角的型材空间、门缝产生的间隙、模型中的圆角、倒角和与散热无关的孔。开设了托盘入库位的门孔和库位排风风机的安装孔。化成设备的压床模型简化，主要忽略了螺栓、垫片、螺母、销钉、缓冲块、各种报警传感器、行程开关、气动控制件、气动接头、风机滤网、电气线缆和消防管路等，在计算机算力允许的情况下，尽量保留其他零件，以更好地仿真风阻的影响。对保留的结构件主要做一些模型局部简化，如模型中的圆角、倒角、薄壁、拔模角度、装配孔、加强筋和与散热无关的孔。
3.2.2初始边界条件的设置
由于散热选择的是强迫风冷散热方式，空气流体域的设计遵循排风端的长度大于模型的2倍原则设置，防止热积累，更好地保证仿真的精度。
模型数据的边界条件设置，解算类型选择流和传热，分析类型为瞬态，流体流动类型选择层流与湍流，空气初始温度设定为45℃,导热系数设置为30.000 W/(m2·K),参考压力1.013 25 MPa,默认辐射面发射率为0.8,外部辐射温度45℃。考虑到化成工艺充电最长时长为60 min左右，故设置电池发热时间为3600 s瞬态进行瞬时仿真。锂电池模型参数为最大内阻大于或等于0.5 mΩ、密度为2145 kg/m3、比热容为1650.0 J/(kg·K)、导热系数(W/(m·K))为λz=0.9和λx=λy=26,最大充放电电流为120 A。各热源的功率设置，两个串控盒的发热功率设定为1.1 kW,单个锂电池的发热功率设置为7.5 W,单个正负极探针接触热功率设置成2W,压床线缆等发热功率等效为600 W,以及风机本身的发热功率，设置单库位内的发热功率总和为2023 W。风机的选型为轴流风扇，风向为法向，风机的具体参数：压床底部12个风机的最小风量为176.8 m3/h,噪声为40 dB,尺寸为120 mm×120 mm×25 mm。库位的8个排风风机的最小风量为255.68 m3/h,噪声为56 dB,其具体尺寸为120 mm×120 mm×38 mm;两个串控盒的12个风机的最大风量为30.6 m3/h,噪声为40 dB,尺寸为40 mm×40 mm×24 mm。
网格划分，对热源（电池和PCB电路板等）、风机和正负极探针设置局部网格细化加密重要对象的网格数量，提高仿真的准确性。网格的总数量为10 687 815,流体单元数量为5916 501,固体单元数量为4771 314个。求解设置，瞬态时间设置3600 s,分1800步进行求解，计算由计算机自动完成，无需干涉。当达到最大计算步数后，计算自动停止。
3.2.3模拟结果及分析
根据排风要求选择合适的排风风机，简化模型进行风道的仿真分析，并考虑到化成过程中电芯组及设备电气组件的发热对流体的影响，仿真分析的风道粒子流向图，如图2所示，分析结果表面该风量风机排风效果良好，库位内无危险气体的死角存在，无短路回路等死循环发生。采用烟雾发生器对样机设备排风风道进行测试，验证表明设备的排风排烟效果与仿真一致，设备的排风排烟效果和散热效果良好。
4防爆设计及设备的监控和控制
4.1化成设备的监测
(1)排风风机的监测。库位内的串控盒电气部分的防护罩上有散热孔，当设备停机后，电气设备内部可能有挥发的电解液蒸汽存在，因此在设备开机之前要先将库位的排风扇打开，确保库位内换气大于4次以后才能开启其他电气设备。另外，当排风、温度、烟感故障被监测到的时候，库位内的电气设备要立即断电停机，但是防爆风机可以继续运行。监测每个库位8个轴流风机是否开启排风，监测到风机没启动时，化成设备会报警并停机。
(2)电芯电压与电流的监控。电池生产过程中主要安全隐患有电池热失控、短路、过压、欠压。设备针对以上几点设计了专门的保护控制逻辑。设备在运行状态中通过中位机实时监控电池电压、电池容量、环境温度、电池温度、线路板温度等信号，并执行相关保护，将运行结果显示在软件界面上。当电芯上的电压、电流、温度传感器异常时，化成设备报警并停机。
(3)消防监控。每个库位有12个环温传感器，顶部有2个烟雾传感器，当环境温度传感器和烟感异常时，设备进入消防状态，库位门在烟感报警时，开关是掉电状态，库位门在重力下自动关闭，并报警与停机。只有排风风机和消防设备会继续运行，其他设备都会掉电停止。
(4)负压系统监控。每条负压管路有1个真空表监测回路的泄漏（真空）情况，负压异常，会停止充放电，报警，抽真空不会停止。
(5)电芯温度监控。设备通过热仿真设计，将压床库位内的环境温度控制在厂家工艺要求的温度区域范围内，并通过库位内安装的环境温度传感器对温度进行实时监测，实现库位内环境温度的监测和反馈，当温度超出设计范围，设备会报警停机，防爆风机仍持续运行。
(6)集液杯监控。每个集液杯中有1个液位传感器，集液杯内的电解液到容量限位刻度时，设备会报警并停机，通知生产部门进行排液维护。液位计要选择非激光式传感器，传感器发射源不能有热量产生。集液杯的材质采用石英玻璃或者金属材质，导电材质需要防静电接地处理。
4.2涉及防爆的接地与检查
(1)化成柜外壳门板，电源柜负压系统外壳门板接液盘，到地排，这些接地跨接线采用4mm2的CE认证地线，并绘制接地连续性图纸，供接线与检查接地线使用。
(2)检查接地线与接地点的连接方式，与接地器件接触面依次使用花垫、平垫、弹垫和螺栓连接地线。
(3)检查接地标识，并每年检查一次，在干燥的季节测量一次接地电阻。
(4)检查接液盘为防腐蚀的导电材质，不能喷漆和出现被油污、粉尘覆盖等，影响其导电性能。
4.3隔离处理
(1)化成柜体、电气设备要有隔板与库位做隔离，穿线孔要有密封措施，密封胶要阻燃等级报告。
(2)强电、弱电和气路管要设计独立的通道走线，并做好区分标识。
4.4防爆监控设备校准及点检要求
(1)排风风机需定期用有校准的风速仪测风速，计算风量是否满足分区报告风量的要求。
(2)真空负压表需要校准和点检，校准周期为1年，校准负压值的误差范围。
(3)定期校准排风风机、真空负压表、液位计、温度、电流电压等这些监控设备的异常报警停机功能是否正常。
5结束语
本文以某型二次电池化成设备系统的防爆设计为例，通过降低电池化成设备内电解液挥发气体浓度的措施来确保二次电池化成工序处于安全区内，实现设备安全生产的目标。文中进行了异常和极端异常情况的电解液挥发浓度计算以确定危险区域；利用流体仿真优化分析了设备的排风设计并利用烟雾发生器进行测试，验证表明设备的排风排烟效果与仿真一致；通过软件系统监控设备的防爆相关参数并进行及时反馈与控制实现防爆设计；详细规范了防爆监控相关元器件的安装、接地、隔离、校准及点检的要求。通过系统地防爆设计与规范使设备的安全区增大，危险点减少，提高了设备的安全性能。该项目已经通过德国TUV安全认证机构测试要求，并已经颁发CE证书。
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人参与 2024-12-30 10:46:58 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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