本发明涉及锂电池实验测试技术领域，尤其涉及一种应用原位测量技术的电池火灾安全实验系统，可用于模拟电池在过热、过充和受载条件下的热灾害事件，从而更好的理解电池热灾害特性并指导电池安全设计。
背景技术：
在能源紧缺和环境污染的背景下，电动汽车正在快速发展，具有高能量和功率密度、循环寿命较长、综合性能优良等优点的锂电池，作为动力电池广泛地应用于电动汽车上。在对锂电池性能及寿命的要求日益提高的同时，锂电池的火灾安全性受到高度关注，其安全问题是影响锂电池发展的关键环节。
电动汽车的火灾安全事故接连不断，碰撞、过充、过热等不良工况都有可能引起电池的短路、起火、燃烧、爆炸等热灾害。尤其在电动汽车上，锂电池成组使用，一个锂电池的火灾事故影响其周围的电池，引起整个电池组的火灾安全事故，导致火灾安全事故的传播。
由于锂电池是一个复杂的电化学系统，在发生火灾事故的过程中，不仅伴随着内部短路、所含活性物质的放热副反应，而且电池在发生火灾时，能量瞬时释放，直接导致起火或爆炸。探究锂电池的火灾安全性，需要对其热学特性、力学性能、反应动力学参数进行综合的测量和评估。
目前，国内外不乏电池实验仪器，例如电池循环测试仪可以探究电池的充放电特性，针刺试验机可以探究电池在机械载荷下的响应特性，加速量热仪可以测量电池的热反应动力学参数，并可收集电池反应释放的气体利用气体分析仪进行电池的成分检测，等等。但是，仍缺少综合的应用原位测量的电池火灾安全研究实验系统，这对电池火灾安全性能探究有着很大的局限。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种应用原位测量技术的电池火灾安全实验系统及实验方法，能够模拟电池单体或电池模块在过充、过热、受载的滥用条件下产生的热灾害现象，实现电池在发生火灾事故过程中的力学特性、热学特性、反应动力学参数的原位测量。
本发明采用的技术方案为：一种应用原位测量技术的电池火灾安全实验系统，其特点在于：以力学试验机为基础平台，力学试验机具有传动机构、伺服机构、加载机构、应力测量系统、位移测量系统；所述加载机构为可变换的针头盘和压盘；通过导轨在力学试验机中引入防爆箱，防爆箱的箱体为可控密封结构设计，实现不同实验过程的密封性及保证实验人员的操作安全性；防爆箱顶部开孔以使所述加载机构通过；防爆箱的一个侧面、正面及顶部装有红外视窗，红外视窗耐高温高压，同时可透可见光和红外光，高速摄影仪、红外热像仪通过红外视窗实现原位图像采集和原位温度采集；防爆箱的另一侧面设有耐高温的kapton窗，可供外接热风枪对防爆箱内的实验电池进行加热；防爆箱背面安装有排气风扇、排气管道，实现实验过程中废气的处理，其中排气管道通过止流阀实现可控分流设计，测试通道安装有流量计和气体分析仪，用于电池实验气体的收集及检测分析；防爆箱具有防爆安全装置，包括隔温层、泄压阀和排气扇，保证实验安全性；防爆箱内部设有发热电阻丝，对电池进行加热；防爆箱下的力学试验机底座上放置有充放电设备、温度测试仪、压力测试仪、简易量热计，均通过防爆箱背面的线孔与防爆箱中的实验电池相连；充放电设备、温度测试仪、压力测试仪、简易量热计均设有基本操作按键可进行简单操作，屏幕可实时显示测量数据，同时有数据传输接口可以与电脑连接。
所述实验系统应用范围为电池单体或电池模块。
所述防爆箱的底部设有滑动抽取底板，便于实验残骸清理；。
所述实验系统可用于模拟电池单体或电池模块在过充、过热、受载的滥用条件下产生的热灾害现象，实现电池在发生火灾事故过程中的力学特性、热学特性、反应动力学参数的原位测量。
所述实验系统的可变换针头盘和压盘所用材料为屈服强度大于300mpa，抗拉强度大于450mpa的高强度钢。
所述实验系统的可变换针头盘和压盘采用铸造、冷拔或热处理的加工方法制造。
所述实验系统的防爆箱体所用材料为钢、隔温材料、防爆玻璃、透红外玻璃。
所述实验系统的防爆箱体采用冲压、焊接的加工方法制造。
所述实验系统的力学试验机、高速摄影仪、红外热像仪、热风枪、排气风扇、排气管道、流量计、气体分析仪、电阻丝、充放电设备、温度测试仪、压力测试仪、简易量热计无需独立设计，根据实际实验要求匹配。
本发明提供的一种应用原位测量技术的电池火灾安全实验方法，步骤为：在力学试验机的基础上拓展实现对电池应用原位测量的多功能同平台实验功能，包括过充实验和过热实验；其中过充实验为：将电池置于防爆箱中，电池正负极通过导线与充放电设备连接，在充放电设备可以设置电池的充电倍率、充电时间，完成对电池的过充实验；过热实验为：两种加热方式，一是点加热，利用热风枪透过kapton窗对准电池表面的某个点，加热功率通过热风枪的功率调节，二是整体加热，加热电阻丝呈线圈状并缠绕在电池表面，电阻丝与简易量热计相接并通过量热计调节发热功率；其中，可以进行简易量热功能，利用可变换的压盘把防爆箱顶部的开孔封闭，防爆箱体夹层为隔温材料，形成密闭的绝热空间，利用电阻丝对电池加热，通过温度测试仪的热电偶测量电池温度，完成热学特性的测量，通过简易量热计分析电池的温度数据可测量电池的反应动力学参数。受载实验：可进行压缩实验和针刺实验，加载机构为可变换针头盘和压盘，压盘和针头盘可以互换，固定于加载机构上，通过压盘对电池压缩，通过针头对电池针刺；以上实验过程，均可通过温度测试仪测量电池温度、红外热像仪采集温度场分布，实现热学特性的原位测量；压力测试仪测量压力、高速摄影仪捕捉动态响应、力学试验机上的力传感器与位移传感器实现加载力和位移的测量，实现力学特性的原位测量；利用简易量热计通过热电偶测得电池样品的温度，并通过加热电阻丝进行加热电池，可实现简易的电池量热功能，实现反应动力学参数的测量；排气管道中设有测试通道以收集、检测和分析电池实验气体。
本发明与现有技术的有益效果：
(1)相比于现有的电池测量技术，本发明实验系统以力学试验机为基础实验平台，能够在同一实验平台上完成电池在过充、过热、受载条件下，热灾害事故模拟，触发产生的火灾事故；
(2)应用了原位测量技术，能够在同一实验平台上实现对电池在发生火灾事故过程中的力学特性、热学特性、反应动力学参数的实时的原位测量，可运用于电池单体和电池模块的实验技术。
(4)本发明属于一种多功能的电池实验测量系统，能够实现诱发电池发生热灾害事故、原位测量、量热功能、废气处理及电池反应气体分析等功能。
(5)本发明最大的技术特征是采用现有的力学试验机为基础平台，通过加载机构、防爆箱体的设计以及多个设备附件的拓展，可以实现电池火灾安全研究的原位测量多功能平台。
(6)利用本发明的原位测量技术完成应力、应变、热学参数、温度、压力、红外热像数据、高速成像、气体分析数据的实时监测，利用防爆箱提高实验系统的安全性。
附图说明
图1为本发明中实验系统装置简图。
具体实施方式
下面结合附图及示例对本发明进行详细说明。
本发明以力学试验机为基础平台，加载机构为可变换的针头盘和压盘；通过导轨在力学试验机中引入防爆箱，箱体为可控密封结构设计，实现不同实验过程的密封性，及保证实验人员的操作安全性；防爆箱顶部开孔以使加载机构通过；防爆箱的一个侧面、正面及顶部装有红外视窗，红外视窗耐高温高压，同时可透可见光和红外光，高速摄影仪、红外热像仪可通过红外视窗实现原位图像采集和原位温度采集；防爆箱的另一侧面设有耐高温的kapton窗，可供外接热风枪对防爆箱内的实验电池进行加热；防爆箱背面安装有排气风扇、排气管道，实现实验过程中废气的处理；其中排气管道通过止流阀实现可控分流设计，测试通道安装有流量计、气体分析仪等，可用于电池实验气体的收集及检测分析；防爆箱具有隔温层、泄压阀等防爆安全装置，保证实验安全性；防爆箱内部设有发热电阻丝，可对电池进行加热；防爆箱的底部设有滑动抽取底板，便于实验残骸清理；防爆箱下力学试验机底座上放置有充放电设备、温度测试仪、压力测试仪、简易量热计，均通过防爆箱背面的线孔与防爆箱中的实验电池相连；充放电设备、温度测试仪、压力测试仪、简易量热计均设有基本操作按键可进行简单操作，屏幕可实时显示测量数据，同时有数据传输接口可以与电脑连接。通过铸造、热处理的工艺加工出可变换针头盘和压盘，通过冲压、焊接的工艺加工防爆箱体，并拓展电池的充放电系统、加热系统、排气处理系统，以及各原位测量技术，以满足本发明要求的工况和测试。
本发明的力学试验机、高速摄影仪、红外热像仪、热风枪、排气风扇、排气管道、流量计、气体分析仪、电阻丝、充放电设备、温度测试仪、压力测试仪、简易量热计无需独立设计，根据实际实验要求匹配。
本发明的具体实施例如下：
如图1所示，本发明的电池火灾安全实验系统，是以力学试验机为基础拓展的应用原位测量技术的多功能实验平台。通过高强度钢经过铸造、冷拔、热处理的工艺制成可变换针头盘和压盘，通过钢、隔温材料、防爆玻璃、透过红外玻璃经过冲压、焊接工艺制成防爆箱体。
如图1所示，力学试验机的底座1内包含有驱动电机、驱动齿轮、数据采集系统等，力学试验机的量程、速率等可根据实验需求调节。底座1上放置有充放电设备2、温度测试仪3、压力测试仪4、简易量热计5，其中，充放电设备2通过导线与电池相连，从而为电池充放电，能使电池样品达到特定电量，或可用于电池过充实验工况设置；温度测试仪3通过热电偶根据接触式测量原理测得电池表面点温度；压力测试仪4通过压力传感器测得电池在发生火灾安全事故时电池的喷溅压力；简易量热计5通过热电偶测得电池样品的温度，并通过置于防爆箱7的加热电阻丝进行加热电池，可实现简易的电池量热功能或用于电池过热工况的设置；其中，充放电设备2、温度测试仪3、压力测试仪4、简易量热计5均设有基本操作按键可进行简单操作，屏幕可实时显示测量数据，同时有数据传输接口可以与电脑连接。防爆箱7搁置在导轨6上，可移动调整位置，并可锁止。防爆箱7由内外两层钢板组成，中间填充隔温材料；防爆箱体于正前方、顶部、左侧面安装有耐高温高压的透可见光的红外视窗8，可供高速摄像仪9、红外热成像仪10拍摄电池的实验过程影像，获得电池发生火灾安全事故时的瞬间响应和温度场分布；防爆箱体右侧设有耐高温kapton视窗12，可通过该视窗使用热风枪11对电池进行点加热，从而诱发电池的内部短路和热失控；底部安装有可抽出底板，便于清理实验残骸。防爆箱体的顶部开孔13，能够使可变换针头盘和压盘14、15在箱体内部自由移动，可变换针头盘14可以更换不同直径不同端头类型的针头，可变换压盘15可以与针头盘14互换，以螺旋卡扣固定于加载滑块17上。力学试验机两侧柱壁16内安装有传动机构，将底座1中驱动电机的驱动力传输到加载滑块17，从而使可变换针头盘14和压盘15以设定的速率加载，加载滑块17内安装有力传感器，可以测量加载时候的受力情况。防爆箱背面设有泄压阀和排气扇，可以将废气通过排气管道18排出，其中气体可以通过止流阀19、21控制，进入测试通道20中进行成分检测，测试通20中包含有流量计、气体分析仪等，可用于电池实验气体的收集及检测分析。
本发明的实验系统可以完成电池在过充、过热、受载条件下触发产生的火灾事故模拟。过充实验时，实验电池置于防爆箱7中，电池正负极通过导线与充放电设备2连接，在充放电设备2可以设置电池的充电倍率、充电时间，实现对电池的过充过程。过热实验时，两种加热方式，一是点加热，利用热风枪11透过kapton窗12对准电池表面的某个点，加热功率通过热风枪11调节，二是整体加热，加热电阻丝呈线圈状并缠绕在电池表面，电阻丝与简易量热计5相接并通过量热计调节发热功率；其中，可以进行简易量热功能，利用可变换的压盘15把防爆箱顶部的开孔13封闭，防爆箱体夹层为隔温材料，形成密闭的绝热空间，利用电阻丝对电池加热，通过温度测试仪3的热电偶测量电池温度，通过简易量热计5分析电池的温度数据可测量电池的反应动力学参数。受载实验可分为压缩实验和针刺实验，加载机构为可变换针头盘14和压盘15，压盘15和针头盘14可以互换，固定于加载滑块17上，通过压盘15对电池压缩，通过针头14对电池针刺，针头14可变换不同直径不同端头类型。以上实验过程，均可通过温度测试仪3测量电池温度、红外热像仪10采集温度场分布，完成热学特性的测量，压力测试仪4测量压力、高速摄影仪9捕捉动态响应、力学试验机上的力传感器与位移传感器实现加载力和位移的测量，完成力学特性参数的测量；利用简易量热计5通过热电偶测得电池样品的温度，并通过置于防爆箱7的加热电阻丝进行加热电池，可实现简易的电池量热功能，实现反应动力学参数的测量；排气管道18中设有测试通道20以收集、检测和分析电池实验气体。
提供以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而不是限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。