CN105870543A - 一种提高储能器件一致性与安全性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高储能器件一致性与安全性的方法，采用换热性能好的底座保证储能器件的工作温度稳定，提高储能器件一致性，同时将应变片和温度传感器固定在底座上实时在线监控储能器件的安全性能，对单体进行精准控制与监控，对存在形变大等安全隐患的器件通过软件及时预警并采取措施，通过底座强度增加、盛放多个单体的容器内壁设计与防爆毯组合降低储能器件发生燃爆安全事故的危害，阻燃缓冲层将鼓包、燃烧、爆炸等产生的破坏能量及时吸收，防爆毯有效减少燃爆带来的伤害，不仅对事故进行有效预防控制，而且将事故危害降至最低，发明方法便于操作实施、响应时间短、维护成本低，可以对电动车、储能等电源系统实现长期无损在线可靠监控。
Description
技术领域
本发明公开了一种提高储能器件一致性与安全性的方法，为纯电动车、混合电动车、储能等电源系统的安全、分容平衡次数减少、续航里程增加等保驾护航，属于新能源安全工程及相关领域。
背景技术
随着环境污染的日益加剧（尤其城市雾霾问题变得日益严重）和传统化石资源的逐渐枯竭，纯电动车或混合电动车发展备受关注。另外，风能、太阳能、潮汐能等新能源发电受外界因素影响较大，发的电量不稳定，需要储能系统暂时储存与调峰。其中，储能器件（包括电池和超级电容器等）对电动车与新能源的快速健康发展起着举足轻重的作用。然而，经过分容处理后一致性好的储能器件单体在同样条件下运行时又会出现不一致现象，有些内阻大，有些内阻小，不仅会导致频繁的重新分容，筛选一致性的组合，极大增加运行成本，而且会导致部分储能器件过充或过放，产生鼓包、泄露、燃烧、爆炸等安全事故，严重影响电动车的安全稳定运行。因此，储能器件在运行过程中的不一致成了目前阻碍电动车广泛应用的一个重要因素。
储能器件在运行过程中的不一致受多种因素影响，其中一个关键因素是工作温度。储能器件在运行过程中由于化学或物理作用会产生比较多的热量，这些热量如果不能及时移走会极大影响器件的工作温度，导致内阻发生变化，从而导致电化学性能与循环稳定性发生变化。由于目前电动车储能器件存在容量较高（12米长纯电动公交车需要10万多Ah）、排布很少考虑单体的散热、布置不合理等原因，电源系统在运行过程中会出现有些单体散热比较好、有些散热很差的现象。散热差的单体会导致工作温度升高，严重时电解液会分解，出现胀气现象，内阻变大，电化学性能变差。另外，工作温度降低也会导致储能器件的内阻增大，不能正常发挥功效。因此，工作温度使原来分容后一致性好的单体在运行过程中变得不一致，不得不重新分容重新达到一致状态。所以，针对单体导热性不一致引起的电化学性能不一致和单体便于拆卸的问题，有必要设计一种快速插拔单体的固定底座，同时提高底座的强度，增加单体运行过程中的安全监控力度。
目前通过监控温度与电压监控储能器件运行过程中的安全性能，但是将温度传感器悬挂在两个单体之间，不仅连接不牢固，而且不能反映单个单体的表面温度；电压是储能器件的一个关键电化学性能指标，但是很难反映器件内部的温度和应力变化，也不能反映单个电池的安全性能；车在运行过程中的波动会导致传感器位置发生移动，测试效果不明显。另外，单体由于需要反复分容更换，目前底部没有固定，运行过程中会发生震动、位移等现象，当器件鼓包时摩擦或振动会导致严重的安全事故。事实上，储能器件单体发生的鼓包、泄露、燃烧、爆炸等安全事故都会经历内部的应力变化过程，这些过程会导致温度发生变化，但是温度变化比内应力变化相对要滞后，所以通过形变应力监控单体的安全性更及时可靠。我们针对电池和电容器的工作特点，发明了一种利用应力应变仪在线监控电池和电容器安全性能的方法[CN201510025487.3]，可以对这些储能器件在运行过程中的形变应力进行无损快速检测，有效及时预防安全事故发生。然而，目前储能器件单体运行的特性需要频繁更换分容，所以将应变片贴在单体上面不经济实惠，也不便于操作。
为了解决目前储能器件存在的不一致性和安全性问题，克服目前测试储能器件一致性和安全性差的技术与方法缺陷，本发明创新性的将储能器件单体固定在带有应变片和温度传感器的底座上，通过监控与单体接触良好的底座形变应力和温度监控储能器件的工作状态，通过底座的良好热交换保证储能器件的工作温度稳定，提高一致性；通过器件运行过程中的形变应力实时监控、增加底座强度、盛放储能器件容器的设计提高安全性能。该发明方法便捷、准确可靠、易操作，而且储能器件可以方便固定与插拔更换，自身没有损坏，同时也便于查找有问题的储能器件单体，当形变量超过安全阈值时，通过电脑软件自动终止或切换，将危险消除在萌芽状态，减少器件单体的分容平衡频率，降低运行成本，通过底座强度增加、盛放多个单体的容器内壁设计与防爆毯组合降低储能器件发生燃爆安全事故的危害，为提高储能器件的一致性与安全性提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有技术的不足，提供一种提高储能器件一致性与安全性的关键工艺技术，采用换热性能好的底座保证储能器件的工作温度稳定，提高单体一致性，同时将应变片和温度传感器固定在底座上实时在线监控储能器件的安全性能，通过底座强度增加、盛放多个单体的容器内壁设计与防爆毯组合降低储能器件发生燃爆安全事故的危害，阻燃缓冲层不仅阻止电解液燃烧，而且将鼓包、燃烧、爆炸产生的破坏能量及时吸收，同时防爆毯有效减少燃烧爆炸带来的伤害，发明方法准确、灵敏、可靠，响应时间短，维护成本低，可以对移动电源和储能器件长期无损在线可靠监控。
本发明的基本构思在于：储能器件单体的散热行为严重影响其工作温度，从而影响其内阻， 导致不一致，形变应力变化能快速、准确、真实反映储能器件的安全性能，利用换热效果好的底座维持储能器件单体的工作温度稳定，利用固定在底座上的应变片和温度传感器同时无损监控储能器件运行过程的安全性能，单体便于精准监控定位并方便插拔更换，通过底座强度增加、盛放多个单体的容器内壁设计与防爆毯组合降低储能器件发生燃爆安全事故的危害，系统便于操作和维护，。
本发明的目的通过以下方式实现：储能器件单体可反复插拔地放置在底座上，底座上用应变片和温度传感器分别监控器件形变应力安全性能与温度变化，底座周围有维持器件工作温度稳定的系统，底座间距不低于5mm，盛放底座的容器内衬阻燃缓冲层，上面有防爆毯，防爆毯距离器件的直线距离为100 ~ 2000 mm。
本发明中，所述的维持器件工作温度稳定的系统指底座周围的换热系统，可以将储能器件充放电过程中产生的热量及时移走，也可以给储能器件提供热量，维持器件的工作温度稳定。
本发明中，所述的能源器件单体指一个独立的供电基本单元，包括锂离子电池、铅酸电池、钒液流电池、燃料电池、超级电容器。
本发明中，所述的缓冲层指吸收爆炸能量的物质，包括柔性材料、孔材料、泡沫金属。
本发明中，所述的阻燃指燃点在300 ºC以上。
本发明中，所述的换热系统指夹套、列管、波纹板、平板。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明解决了储能器件运行过程中单体安全性能难以精准监控与便捷更换的技术难题，通过底座维持储能器件温度稳定并实时在线监控单体形变应力和温度，对形变量大和一致性差的单体及时通过软件控制进行预警并采取相应措施，提高了储能器件的不一致和安全性，减少了储能器件重新分容平衡频率，节约了储能器件维护成本，通过底座强度增加、阻燃缓冲层和防爆毯降低了储能器件发生危险时的危害，适用于储能器件的一致性与安全性能实时在线监控及危险事故应急处置。本发明解决了储能器件运行过程中一致性差和安全性能监控难的技术难题，降低了灾难事故的危害，弥补了目前储能器件分容平衡频率高和安全监管难的技术不足，具有很高的应用价值，运行环境要求低，便于操作，维护方便，经济和社会效益好。
附图说明
图1 一种提高储能器件一致性和安全性的整体布置示意图。
图2 一种提高储能器件一致性和安全性的单体夹套换热示意图。
图3 一种提高储能器件一致性和安全性的单体排布示意图。
图4 一种提高储能器件一致性和安全性的单体管式换热示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明，所述内容仅为本发明构思下的基本说明，但是本发明不局限于下面例子，依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。
实施例
1
采用尺寸为200×80×260mm的上端开口铝合金底座，外面带10mm厚的夹套，底座之间间距为5mm，固定在内衬2~5mm厚泡沫铝的带孔碳钢容器底部，夹套内盛放导热硅油循环液，循环液通过内径为10mm的铜管与容器外的恒温系统连接，底座靠近电池侧面中心位置一边贴上应变花，另一边贴上温度传感器，将应变花和温度传感器分别与应力应变仪和温度仪连接，将190×75×270mm尺寸的200Ah锂离子电池单体放入底座，正负电极朝上放置，多个单体电池组成电池包时，其他电池单体采用类似方法放入底座，利用先串联后并联方式将电池单体连接起来，电池上方距离电池直线距离100~300mm处均匀布置3个约2800rpm转速小风扇，风扇上面距离电池直线距离200~500mm处的中心位置放置一个防爆毯，整体布置示意图如图1所示，单体的夹套换热器如图2所示。夹套的导热硅油通过容器外的循环系统使电池保持在25~35ºC，防爆毯通过应力应变仪和温度仪进行控制，应力应变仪优先控制，当应变仪信号异常时温度仪控制，防爆毯接收到控制信号后打开并包裹在盛放电池的容器表面。当单体电池的工作温度稳定在25~35ºC时，分容后的电池单体一致性显著提高，经过200次循环后没有明显差异，而且形变监控的准确度比温度监控的准确度提高了50%，电池单体更换方便，维护成本低。
实施例
2
采用直径为65mm的上端开口铜合金底座，外面带直径为10mm铜管弧，底座之间间距为10mm，固定在内衬3~7mm厚的石墨毡带孔不锈钢容器底部，相邻两个单体的铜管弧构成铜管，铜管和容器外面的换热装置联通，铜管上分布散热片，维持系统温度稳定，底座靠近电池侧面中心位置一边贴上应变片，另一边贴上温度传感器，将应变片和温度传感器分别与应力应变仪连接，将直径为61mm的3000F超级电容器单体放入底座，正负电极朝上放置，多个单体超级电容器组成能源包时，其他电容器单体采用类似方法放入底座，利用先并联后串联将电容器单体连接起来，电池上方距离电池直线距离50~200mm处均匀布置4个小风扇，风扇上面距离电池直线距离100~300mm处的中心位置放置一个防爆毯，单体排布如图3所示，单体管式换热器如图4所示。单体表面的铜管弧将产生的热量移走，当电容器温度低时，铜管将外界的热量提供给电源系统，使电源系统保持在25~30ºC，防爆毯通过应力应变仪进行控制，当形变达到临界值时，防爆毯接收到控制信号后打开并包裹在电源系统表面，电容器可以反复无损更换，精准对一个单体进行监控，应变片和温度计结合牢固，便于操作，维护方便。
实施例
3
采用尺寸为480×200×400mm的上端开口钛合金底座，外面带铝合金波纹板，底座之间间距为7mm，固定在内衬4~7mm厚聚丙烯短纤维的带孔铝合金容器底部，波纹板和容器外面的换热装置联通，维持系统温度稳定，底座靠近电池侧面中心位置一边贴上应变片，另一边贴上温度传感器，将应变片和温度传感器分别与应力应变仪和温度仪连接，将470×190×430mm尺寸的500Ah锂离子电池单体放入底座，正负电极朝上放置，多个单体电池组成能源包时，其他电池单体采用类似方法放入底座，利用串联或并联方式将电池单体连接起来，电池上方距离电池直线距离100~300mm处均匀布置2个风扇，风扇上面距离电池直线距离300~500mm处的中心位置放置一个防爆毯。单体表面的铝合金波纹板将电池产生的热量通过容器外面的恒温系统导走，当电容器温度低时，铝合金波纹板将外界的热量提供给电源系统，使电源系统保持在30~40ºC，防爆毯通过应力应变仪进行控制，当形变达到临界值时，防爆毯接收到控制信号后打开并包裹在电源系统表面。
实施例
4
采用直径为25mm的上端开口304不锈钢底座，外面带碳化硅陶瓷板，底座之间间距为5mm，固定在内衬1~2mm厚碳纤维布的带孔聚丙烯容器底部，相邻两个单体的碳化硅管与容器外面的换热装置联通，维持系统温度稳定，底座靠近电池侧面位置一边贴上应变片，另一边贴上温度传感器，将应变片和温度传感器分别与应力应变仪和温度仪连接，将直径为23mm的镍氢电池单体放入底座，多个单体电池组成能源包时，其他电池单体采用类似方法放入底座，利用串联或并联将电池单体连接起来，电池上方距离电池直线距离50~200mm处均匀布置4个小风扇，风扇上面距离电池直线距离100~300mm处的中心位置放置一个防爆毯。单体表面的碳化硅陶瓷将产生的热量导走，当电池温度低时，碳化硅陶瓷将外界的热量提供给电源系统，使电源系统保持在20~30ºC，防爆毯通过应力应变仪进行控制，当形变达到临界值时，防爆毯接收到控制信号后打开并包覆在电源系统表面。
实施例
5
采用尺寸为300×300×310mm的上端开口的碳钢底座，外面带铜网，底座之间间距为12mm，固定在内衬1~3mm厚泡沫镍的带孔石墨容器底部，铜网和容器外面的换热装置联通，维持系统温度稳定，底座靠近电池宽侧面位置一边贴上应变片，另一边贴上温度传感器，将应变片和温度传感器分别与应力应变仪和温度仪连接，将290×290×300mm尺寸的燃料电池堆放入底座，多个电池堆组成能源包时，其他电池堆采用类似方法放入底座，利用串联或并联将电池堆连接起来，电池上方距离电池直线距离50~200mm处均匀布置6个小风扇，风扇上面距离电池直线距离200~500mm处的中心位置放置一个防爆毯。电池堆表面的铜网弧将产生的热量导走，使电源系统保持在最佳工作温度区间，防爆毯通过应力应变仪进行控制，当形变达到临界值时，防爆毯接收到控制信号后打开并包裹在电源系统表面。
Claims (6)
1.一种提高储能器件一致性和安全性的方法，其特征在于：储能器件单体可反复插拔地放置在底座上，底座上用应变片和温度传感器分别监控器件形变应力安全性能与温度变化，底座周围有维持器件工作温度稳定的系统，底座间距不低于5mm，盛放底座的容器内衬阻燃缓冲层，上面有防爆毯，防爆毯距离器件的直线距离为100 ~ 2000 mm。
2.根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的维持器件工作温度稳定的系统指底座周围的换热系统，可以将储能器件充放电过程中产生的热量及时移走，也可以给储能器件提供热量，维持器件的工作温度稳定。
3.根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的能源器件单体指一个独立的供电基本单元，包括锂离子电池、铅酸电池、钒液流电池、燃料电池、超级电容器。
4.根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的缓冲层指吸收爆炸能量的物质，包括柔性材料、孔材料、泡沫金属。
5.根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的阻燃指燃点在300 ºC以上。
6.根据权利要求1和2的描述，其特征在于：所述的换热系统指夹套、导热管、波纹板、平板。
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