一种锂电池火灾模拟及危害分析方法与流程

1.本发明涉及火灾模拟预警技术领域，具体为一种锂电池火灾模拟及危害分析方法。


背景技术：

2.锂离子电池作为21世纪最环保、清洁的能源之一被广泛应用在各个方面，但当锂离子电池在受到机械滥用、电滥用、热滥用情况下，电池内部发生化学放热反应，电池温度将迅速上升。升高的温度进一步加速化学反应，产生的热量远远超过消散的热量，在极短的时间内释放出大量的热量和有毒、可燃气体，严重的甚至引发电池的燃烧和爆炸的现象。
3.为了减少锂离子电池燃烧的危害性，除了采取被动措施减小锂电池热失控的可能性外，主动分析锂电池火灾燃烧特性及危害尤为重要，通过分析电池燃烧热释放速率得出电池燃烧时间节点、剧烈程度、能量释放规律等，在电池热失控时，采取最佳措施减少热失控的影响。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种锂电池火灾模拟及危害分析方法。
6.(二)技术方案
7.为实现上述混合均匀，且制备橡胶效率高的目的，本发明提供如下技术方案：一种锂电池火灾模拟及危害分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.s1、利用锥形量热仪开展锂电池小尺度火灾实验，具体如下：基于能量释放及耗氧原理获得电池热释放速率，使用加热棒加热导致电池热失控和火灾，使用锥形量热仪测量电池火灾热释放速率；
9.s2、基于s1的实验结果，采用t平方火模型构建单个锂电池火灾热释放速率模型；
10.s3、将热释放速率模型模拟结果与实验结果进行对比，验证模型可靠性；
11.s4、构建锂电池模组火灾热释放和电池数量的定量关系；
12.s5、建立锂电池模组单元电池点火时间与模组间单元电池间距的定量关系；
13.s6、基于步骤s2、s3、s4结果，建立锂电池火灾模型；
14.s7、将锂电池火灾模型导入火灾模拟软件fire dynamics simulator(fds version 5)；
15.s8、应用锂电池火灾模型，利用fds开展3维场景下锂电池火灾模拟及危害分析。
16.进一步的，在所述步骤s1中，其小尺度火灾实验电池为任意通用锂离子电池，采用过热方法使锂电池发生热失控和火灾；通过烟气分析仪分析氧气、一氧化碳和二氧化碳浓度，基于氧耗法计算锂电池热释放速率；
17.热释放速率计算如下：
18.19.其中为热释放速率,m为可燃物的质量燃烧速率(kg/s)；
20.δh是该可燃物的热值；
21.是燃烧效率因子，反应燃烧不完全的程度
22.得到热释放速率
23.进一步的，在所述步骤s2中，热释放速率随时间变化；对于大范围的火灾，火焰的增长可以用幂次函数关系精确地表示：
[0024][0025]
其中为热释放速率，a为火灾强度系数，t为时间；通过公式得到火灾强度系数a；
[0026]
锂电池的燃烧适用于t平方火模型；通过预先设定火灾生长阶段、最大热释放速率和火灾衰减阶段，建立特定火灾的完整火灾模型，其数学公式表示为：
[0027][0028][0029][0030]
式中a1为火灾增长速率系数，为最大热释放速率,a2为火灾衰减率系数，t1为最大热释放速率时间，t2为火灾结束时间；
[0031]
其中，t1和t2通过实验数据取得，计算得到a1和a2。
[0032]
进一步的，在所述步骤s3中，燃烧过程中释放的能量应与具有一定的燃烧效率的燃料用量成比例增加，锂电池燃烧是一个快速和喷射的燃料过程，释放的能量与燃烧的完全程度有关，假设释放的热能与电池数量呈一定的函数关系，其表达式为：
[0033]
qm＝q1·
f(n)
[0034]
其中n代表n块锂电池，qn为n块锂电池释放的能量，q1为一个锂电池释放的能量，q1用t平方火描述。
[0035]
进一步的，在所述步骤s4中，在数学计算过程中应考虑锂电池组内单个电池着火时间间隔t；由于单个电池火灾释放的热量是固定的，因此由火灾电池引发未失控电池燃烧的时间间隔由电池间距d决定，假设着火时间间隔和电池间距存在一定的函数关系，其表达式为：
[0036]
td＝t0·
f(d)
[0037]
其中td为着火时间间隔，t0为两个电池距离为0cm时着火时间间隔，d为电池间距。
[0038]
进一步的，在所述步骤s6中，将热释放速率模型、热释放速率增长定量关系和着火时间间隔定量关系耦合，建立锂电池火灾数学仿真模型，具体步骤如下：
[0039]
(3)n个电池热释放速率为其中单元电池着火间隔时间td根据td＝t0·
f(d)公式描述；
[0040]
(4)用matlab软件进行热释放速率曲线构筑，形成的热释放速率曲线即为数学仿真模型。
[0041]
进一步的，在所述步骤s7中，将上述锂电池火灾数学仿真模型作为热释放速率参
量依据，导入火灾模拟软件fds中。
[0042]
进一步的，在所述步骤s8中，通过fds构建动力电池火灾模拟三维场景，从而可以获得锂电池火灾危险性结果。
[0043]
(三)有益效果
[0044]
与现有技术相比，本发明提供了一种锂电池火灾模拟及危害分析方法，具备以下有益效果：
[0045]
建立了锂电池火灾热释放速率模拟分析方法，可以数值模拟不同情况下锂电池火灾热释放速率，可以作为对锂电池大尺度火灾模拟的初步分析，为可预见大尺度锂电池火灾的危害提供参考。。
附图说明
[0046]
图1为本发明的流程图；
[0047]
图2为本发明实施例中的电池火灾热释放速率实验与模拟数据对比图；
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
本发明实施例中所采用的火灾模拟软件为fire dynamics simulator(fds version 5)，该软件为现有技术，在此不做赘述。本发明实施例中所采用的matlab软件为现有软件，在此不做赘述。
[0050]
实施例
[0051]
一种锂电池火灾模拟及危害分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0052]
s1、利用锥形量热仪开展锂电池小尺度火灾实验，具体如下：基于能量释放及耗氧原理获得电池热释放速率，使用加热棒加热导致电池热失控和火灾，使用锥形量热仪测量电池火灾热释放速率；
[0053]
s2、基于s1的实验结果，采用t平方火模型构建单个锂电池火灾热释放速率模型；
[0054]
s3、将热释放速率模型模拟结果与实验结果进行对比，验证模型可靠性；
[0055]
s4、构建锂电池模组火灾热释放和电池数量的定量关系；
[0056]
s5、建立锂电池模组单元电池点火时间与模组间单元电池间距的定量关系；
[0057]
s6、基于步骤s2、s3、s4结果，建立锂电池火灾模型；
[0058]
s7、将锂电池火灾模型导入火灾模拟软件fire dynamics simulator(fds version 5)；
[0059]
s8、应用锂电池火灾模型，利用fds开展3维场景下锂电池火灾模拟及危害分析。
[0060]
进一步的，在所述步骤s1中，其小尺度火灾实验电池为任意通用锂离子电池，采用过热方法使锂电池发生热失控和火灾；通过烟气分析仪分析氧气、一氧化碳和二氧化碳浓度，基于氧耗法计算锂电池热释放速率；
[0061]
热释放速率计算如下：
[0062][0063]
其中为热释放速率,m为可燃物的质量燃烧速率(kg/s)；
[0064]
δh是该可燃物的热值；
[0065]
是燃烧效率因子，反应燃烧不完全的程度；
[0066]
得到热释放速率
[0067]
进一步的，在所述步骤s2中，热释放速率随时间变化；对于大范围的火灾，火焰的增长可以用幂次函数关系精确地表示：
[0068][0069]
其中为热释放速率，a为火灾强度系数，t为时间；通过公式得到火灾强度系数a；
[0070]
锂电池的燃烧适用于t平方火模型；通过预先设定火灾生长阶段、最大热释放速率和火灾衰减阶段，建立特定火灾的完整火灾模型，其数学公式表示为：
[0071][0072][0073][0074]
式中a1为火灾增长速率系数，为最大热释放速率,a2为火灾衰减率系数，t1为最大热释放速率时间，t2为火灾结束时间；
[0075]
其中，t1和t2通过实验数据取得，计算得到a1和a2。
[0076]
进一步的，在所述步骤s3中，燃烧过程中释放的能量应与具有一定的燃烧效率的燃料用量成比例增加，锂电池燃烧是一个快速和喷射的燃料过程，释放的能量与燃烧的完全程度有关，假设释放的热能与电池数量呈一定的函数关系，其表达式为：
[0077]qn
＝q1·
f(n)
[0078]
其中n代表n块锂电池，qn为n块锂电池释放的能量，q1为一个锂电池释放的能量，q1用t平方火描述。
[0079]
进一步的，在所述步骤s4中，在数学计算过程中应考虑锂电池组内单个电池着火时间间隔t；由于单个电池火灾释放的热量是固定的，因此由火灾电池引发未失控电池燃烧的时间间隔由电池间距d决定，假设着火时间间隔和电池间距存在一定的函数关系，其表达式为：
[0080]
td＝t0·
f(d)
[0081]
其中td为着火时间间隔，t0为两个电池距离为0cm时着火时间间隔，d为电池间距。
[0082]
进一步的，在所述步骤s6中，将热释放速率模型、热释放速率增长定量关系和着火时间间隔定量关系耦合，建立锂电池火灾数学仿真模型，具体步骤如下：
[0083]
(5)n个电池热释放速率为其中单元电池着火间隔时间td根据td＝t0·
f(d)公式描述；
[0084]
(6)用matlab软件进行热释放速率曲线构筑，形成的热释放速率曲线即为数学仿
真模型。
[0085]
进一步的，在所述步骤s7中，将上述锂电池火灾数学仿真模型作为热释放速率参量依据，导入火灾模拟软件fds中。
[0086]
进一步的，在所述步骤s8中，通过fds构建动力电池火灾模拟三维场景，从而可以获得锂电池火灾危险性结果。
[0087]
表1、电池火灾热释放速率实验与模拟数据对比
[0088][0089]
本实施例中所计算的数据，n为1，即一个电池的模拟结果。
[0090]
根据本实施例所得出的的实验数据对比显示，电池火灾热释放速率实验与模拟数据相似度较高，电池火灾热释放速率模拟数据可靠。
[0091]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。