CN106110537A - 一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置及灭火方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对仓储内锂离子电池热失控的冷却灭火装置；由控制部分、供水装置和供液氮装置组成；其中控制部分由红外温度探测器(1)、温度判断程序(10)、控制阀(11)、控水阀门(2)、控液氮阀门(9)以及连接的电气线路组成；供水装置由储水罐(5)、高压泵(4)、供水管网(12)和细水雾喷头(3)组成；供液氮装置由液氮罐(6)、低温泵(7)、供液氮管网(13)和液氮喷头(8)组成；此装置主要适用于锂离子电池组的储存场所，可为锂离子电池的使用与储运提供安全保障。该种灭火装置能够在锂离子电池组热失控初期进行针对性冷却，同时，在电池组整体起火后可以进行及时扑救。

Description

一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置及灭火方法

技术领域

本发明涉及一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置及灭火方法，其主要用于锂离子电池热失控后的扑救和冷却，可用于阻止锂离子电池热失控进一步的发展和扩大。

背景技术

电化学能源的使用可以有效解决当前由能源短缺和环境污染所带来的问题，而锂离子电池作为一种先进的电化学能源，因其具有的优良的能量密度和良好的循环性能，正受到人们越来越多的关注。

当前，关于锂离子电池的研究主要集中在安全性能方面，安全性能研究的核心部分在于电池的循环稳定性、热稳定性、机械稳定性、电化学稳定性的研究。锂离子电池热失控时会发生燃烧或爆炸，并释放有毒气体，造成人员伤亡与经济损失，及时抑制锂离子电池的热失控、扑灭锂离子电池火灾就显得尤为关键。

目前，针对锂离子电池热失控前期的控制，人们主要利用液态惰性气体的冷却作用和吸热效应进行抑制。在针对热失控后期电池火灾的扑灭方面，研究表明，二氧化碳、干粉、细水雾等灭火剂均具有良好的灭火效果。

但是研究者往往忽略了锂离子电池热失控全面发生之前的内部热量集聚和扑灭明火之后内部热源的作用，导致在锂离子电池火灾明火扑灭之后，其内部温度往往还很高，存在复燃的可能。

现有的研究成果主要针对于某一种单独的情况，即抑制锂离子电池的热失控或者是扑灭锂离子电池火灾，但而没有一种装置系统能够同时具备两种功能，即早期降温冷却预防锂离子电池热失控，后期扑灭锂离子电池热失控火灾。

综合各种技术的不足以及事故教训，针对锂离子电池的储存场所，本发明设计了一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置。该装置兼顾冷却和灭火两种功能，能够在锂离子电池热失控初期进行冷却，热失控起火后进行扑救和冷却。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置；本发明还有个目的是提供了一种利用上述冷却灭火装置进行灭火的方法；该装置主要适用于锂离子电池组的储存与使用场所，并具有操作简单，冷却灭火效果好与针对性强等优势；该装置可为锂离子电池组的使用与储运提供有效的安全保障。

本发明的技术方案如下：一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置，其特征在于：由控制部分、供水装置和供液氮装置组成；其中控制部分由红外温度探测器1、温度判断程序10、控制阀11、控水阀门2、控液氮阀门9以及连接的电气线路组成；供水装置由储水罐5、高压泵4、供水管网12和细水雾喷头3组成；供液氮装置由液氮罐6、低温泵7、供液氮管网13和液氮喷头8组成；其中红外温度探测器1接收温度信号，直接经线路与温度判断程序10连接，温度判断程序10再连接控制阀11，控制阀11通过线路分别连接控水阀门2和控液氮阀门9；警铃14也同温度判断程序10相连，储水罐5通过管道与高压泵4连接，再通过架设在空中的供水管网12与细水雾喷头3连接；液氮罐6通过管道与低温泵7连接，再通过架设在空中的供液氮管网13和液氮喷头8连接；红外温度探测器1固定悬挂在空中，位于细水雾喷头3和液氮喷头8之上；供水管网12与供液氮管网13等高平行排列架设；控水阀门2位于细水雾喷头3上方，控液氮阀门9位于液氮喷头8上方，控水阀门2和控液氮阀门9皆安装在连接泵与喷头的管道上。

上述一个红外温度探测器1所覆盖的范围内，有一个细水雾喷头3、一个液氮喷头8以及响应喷头的控水阀门2与控液氮阀门9组成一个冷却灭火节点；细水雾喷头、液氮喷头通过管道架设悬挂固定空中，红外温度探测器固定悬挂在空中，且高度高于喷头。一个冷却灭火节点内的细水雾喷头3和液氮喷头8喷头紧邻布置，冷却灭火节点的个数设置根据仓储面积调整。

上述的温度判断程序10及控制阀11皆可设置在控制室内；储水罐及液氮罐皆可设置在仓储场所角落，并进行相应隔离；供水管道和液氮管道平行并列架设在仓储地点的上方，节点设置在对应的锂离子电池仓储地点的正上方，节点处的喷头覆盖范围大于储存锂离子电池的储存面积。

优选上述的细水雾喷头3和液氮喷头8的流量都为8L/min～10L/min，无固定消耗量。当温度变化至临界温度时，即为消耗介质的量。如液氮喷淋至温度降至80℃时所喷淋的液氮即为所消耗的量。

优选上述的细水雾喷头3和液氮喷头8安装高度距地面为2.5m～3m；红外温度探测器安装高度高于喷头0.5m～1m；相邻节点喷头安装间距为2m～3m，喷头覆盖面积大于电池存放面积。

上述红外温度探测器1需要结合安装高度选用合适距离系数比的探测器，红外温度探测器可选用IR-LAS6000A系列红外测温传感器，该传感器一体化、集成式带激光瞄准聚焦型红外探头传感器、光学系统与电子线路共同集成在铝合金外壳内，易于安装，壳体上的标准镙纹可与安装部位快速连接，同时配有安装支架，二级双激瞄准9V电池开关盒等方便于各种场合的使用。

对于本发明装置可选用IR-LAS6300A型红外温度探测器，该设备测温范围为-50℃～300℃，精度达到测量值的±1％，输出方式为：4～20mA，响应时间为300ms，测量物体的目标尺寸最小可达到16mm。其电源、模拟输出相互隔离，具有抗电源、电磁干扰功能，采用坚固的金属铝外壳，具有快速散热功能。

所述的红外温度探测器根据温度测量模块的探测视角进行排列安装，保证探测视角能够全面覆盖锂离子电池仓储面积，以提高整个系统的可靠性。

上述的温度判断程序10为装置的核心部分，为PLC可编程逻辑控制器，通过编程预设程序，程序特征为当红外温度探测器探测到锂离子电池温度超过预设值时，判断程序就会自动发出对应指令。其具有以下优点：使用方便，编程简单；功能强，性能价格比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量小，维修方便。综合比较继电器系统和计算机程序系统，选择合适的PLC可编程逻辑控制器。所述的温度判断程序作为本装置的核心组件，可通过通信线路安装在控制室内。

上述的控制阀11具备自动控制功能，能够响应温度判断程序指令，从而开启或者关闭控制阀；同时具备手动控制功能，紧急情况下可人为操作阀门的开关。控制阀选用HYK型自动控制装置，其可根据水泵特性、进行各类水泵的手动、自动控制，具有短路、缺相、过载等保护，故障时主要用泵自动切除，备用泵自动投入。可通过直接起动，Y-△降压起动，自耦降压起动，软起动等启动方式，根据温度进行控制；控制方式有继电器控制，PLC控制以及智能网络控制多种方式。适用于交流50Hz，电压6kv以下，功率0.37-2000kw的各类泵电机。

本发明所述的高压泵4可选用WL-2518B型柱塞泵，其最大压力可达120bar，内置滤网，体积小，可调节压力。所述的高压泵的压力应根据喷头的安装高度进行调节，定期进行滤网的清理，保证管网的通畅，避免喷头的堵塞。

上述的低温泵7可选用往复式低温液体充装泵，该低温泵适用于液氮的输送。该泵增大了真空热腔，设计了合理的转速比，实现了低转速大行程的效果，降低了活塞速度，杜绝了因摩擦产生的气蚀，延长了使用寿命；进液设计了折流式结构，进液平稳、冲击力微小，不产生气泡，有效的杜绝或减少泵头的回气，所以低温泵能正常工作；使储槽不在增压、在很大程度上减少液体的损失。由于采用多种新技术、新结构、合理的设计原理，该泵完全降温后可将回气阀关闭，仍能正常工作，即降低了成本，又减少了浪费。

上述的储水罐5可选用方形金属水箱，该水箱由不锈钢金属制成，永不生锈、永不渗漏、重量轻、随意组合、外形美观、符合消防建筑规范。适用于各类工业、民用建筑给水、暖通，消防系统，食品、饮料、造酒、水处理行业，医药、石油、化工行业，使用维护方便。所述的储水罐可安装在室外的阴面，储水罐的大小容积可根据所保护的范围进行计算修正，以保证事故状态下储水罐中的水量足够扑灭火灾。

上述的液氮罐6可选用YDS-50B-200型，该系列产品由防锈铝合金制造，采用高真空多层超级绝热结构，重量轻，液氮静态日蒸损量小，液氮静态保存时间长，适用静置长期低温保存和长短途运输，防震性能好。容积50L，口径200mm，保存天数超过70天，配备移动脚轮，方便移动储存。液氮在常压下的温度为-196℃，其汽化潜热为5.56kJ/mol(约为155680kJ/kg)，而水的汽化潜热为2257.2kJ/kg，可见液氮具有吸热量大，冷却效果好的优点，非常适合用于锂离子电池的冷却。

所述的液氮罐6应当安装在室内阴凉处，并进行隔离，避免太阳光的直射。不论在任何情况下，均不得倾斜、横放、倒置、堆压、相互撞击或与其他物件碰撞，要做到轻拿轻放并始终保持直立

上述的供水管网12可选用PE材质的给水管，该材质管网无毒、不结垢、不滋生细菌；接头部位的承压和承拉强度高于管道本体强度；抗应力开裂性好，低温脆化温度极低；惰性材料耐化学腐蚀性好，可耐多种化学介质的腐蚀；使用寿命长。相比于金属管网，该材质管网质量轻，铺设方便。

上述的供液氮管网13可选用ZKG型高真空多层绝热低温液体管道，该管道采用Cr₁₈Ni₉材质制成，为两层管道，夹层为绝热层，内层为工作管道，工作压力和尺寸可根据用户要求进行设计制造。由于真空管道蒸发率小，因此广泛用于输送低温液体(液氮、液氧、液氩、LNG等)。

上述的细水雾喷头3可选用一般的高压细水雾喷头，喷头尺寸型号符合供水管网即可；液氮喷头可选用与供液氮管网同样材质加工制成的专用喷头。喷头的保护半径可根据实际存储面积进行选择更换，达到更好的针对性。

该装置的扑灭对象为储存或编组大规模使用的固定场所的锂离子电池，形状、外观、堆放方式等无特殊要求。

本发明还提供了上述的针对锂离子电池热失控的冷却灭火装置进行灭火的方法，其具体步骤如下：当红外温度探测器1探测到温度，将温度信号传递到温度判断程序10进行温度对比，若温度正常，则不发送任何指令；若温度超过临界值，则启动报警铃14，引起相关人员注意，提醒人员撤离，一般1min后程序10发送指令到控制阀11，使控制阀11启动相应的设备，开启喷头，进行冷却灭火。

具体步骤为：当红外温度探测器反馈温度大于80℃时但低于200℃时，发送启动供液氮装置，进行液氮喷淋冷却的指令；当红外探测器反馈温度高于200℃时，发送停止液氮喷淋、启动供水装置，进行细水雾喷雾的指令；当供水装置启动时，供液氮装置不再启动；当红外探测器反馈温度下降到80℃以下，温度判断程序对供水装置或供液氮装置发出停止动作的指令，然后令程序进入新一轮温度对比。

本发明最主要设计了一种针对锂离子电池储存场所或者大量使用的场所发生的、因锂离子电池内部或者外在工况改变所引起的锂离子电池火灾的灭火装置。主要安装在锂离子电池储存场所，也可为特殊场合的火灾扑救和冷却系统进行参考。其能够在锂离子组电池热失控初期针对失控的电池组进行针对性的冷却，并且能够在起火后进行扑灭。

有益效果：

本发明作为一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置，其具有自动控制、操作简单、冷却灭火效果好与针对性强等优点。能够安装在锂离子电池储存场所，也可为特殊场合的火灾扑救和冷却系统进行参考，其能够在锂离子组电池热失控初期针对失控的电池组进行针对性的冷却，并且能够在起火后进行扑灭，极大的保证了锂离子电池仓储的安全性和可靠性。同时，还能在水中添加具有抑烟、吸收毒性气体作用的特殊添加剂，用于抑制锂离子电池火灾烟气的危害性，减少锂离子电池热失控和燃烧产生的有毒有害气体对人体的伤害。

本发明与传统技术项目具有的优势：本发明在原基础上，进行改进，适用于锂离子电池储存场所或者是大量使用场所，具有对电池损伤低、冷却效果好的优点，克服了现有技术的电池保护方式单一、可靠性低的缺陷。当液氮冷却过后，汽化后的液氮不会对锂离子电池造成任何损坏，可以人工拆卸更换故障电池，其余电池可以不受影响的继续使用。

附图说明

图1为冷却灭火装置的工作流程图；

图2为冷却灭火装置的装置图；其中1—红外温度探测器；2—控水阀门；3—细水雾喷头；4—高压泵；5—储水罐；6—液氮罐；7—低温泵；8—液氮喷头；9—控液氮阀门；10—温度判断程序；11—控制阀；12—供水管网；13—供液氮管网；14—报警铃；15—锂离子电池组堆放处。

具体实施方式

以下例子的红外温度探测器均选用IR-LAS6300A型红外温度探测器，温度判断程序为PLC可编程逻辑控制器，液氮罐为YDS-50B-200型，高压泵为WL-2518B型柱塞泵，储水罐为方形金属水箱，低温泵选用往复式低温液体充装泵，控制阀选用HYK型自动控制装置，报警铃选用一般消防报警铃，供水管网选用PE材质的给水管，供液氮管网选用ZKG型高真空多层绝热低温液体管道，细水雾喷头可选用一般细水雾喷头，液氮喷头选用Cr₁₈Ni₉耐低温材料，阀门选用配套材质的阀门。

实施例1

如图1的工作流程图和图2的装置图所示，一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置，由控制部分、供水装置和供液氮装置组成；其中控制部分由红外温度探测器(1)、温度判断程序(10)、控制阀(11)、控水阀门(2)、控液氮阀门(9)以及连接的电气线路组成；供水装置由储水罐(5)、高压泵(4)、供水管网(12)和细水雾喷头(3)组成；供液氮装置由液氮罐(6)、低温泵(7)、供液氮管网(13)和液氮喷头(8)组成；其中红外温度探测器(1)接收温度信号，直接经线路与温度判断程序(10)连接，温度判断程序(10)再连接控制阀(11)，控制阀(11)通过线路分别连接控水阀门(2)和控液氮阀门(9)；警铃(14)也同温度判断程序(10)相连，储水罐(5)通过管道与高压泵(4)连接，再通过架设在空中的供水管网(12)与细水雾喷头(3)连接；液氮罐(6)通过管道与低温泵(7)连接，再通过架设在空中的供液氮管网(13)和液氮喷头(8)连接；红外温度探测器(1)固定悬挂在空中，位于细水雾喷头(3)和液氮喷头(8)之上；供水管网(12)与供液氮管网(13)等高平行排列架设；控水阀门(2)位于细水雾喷头(3)上方，控液氮阀门(9)位于液氮喷头(8)上方，阀门皆安装在连接泵与喷头的管道上。

实施例2：

本实施例冷却灭火装置同实施例1，若距喷头上方0.5m处的红外温度探测器1接收到a处存放的锂离子电池温度未超过80℃，则温度判断程序10在程序内做出判断，不会发出任何指令到控制阀11。

若红外温度探测器1接收到a处锂离子电池温度超过80℃，温度信号在温度判断程序10内进行判断，温度判断程序10发出指令，使报警铃14启动，供现场人员撤离。1min后若温度探测器1探测到a处的温度仍然大于80℃，发送指令给控制阀11，使其启动a处上方3m处的供液氮装置，开启液氮喷淋。所有的红外温度探测器1持续接收温度，在温度判断程序10内进行对比，未发现其余超过80℃电池，喷淋2min后，探测a处的温度低于80℃，程序10发出指令，使该处的喷头停止工作，报警铃停止报警。

实施例3：

在实例2的基础上，a处喷淋液氮2min后，距喷头上方1m处的探测器1接收到a处温度超过了200℃，现场出现烟雾，探测器1将信号传递到温度判断程序10，程序10发出指令，停止a处的液氮喷淋，开启a处的细水雾准备灭火，周围相邻1个节点开启液氮喷淋进行冷却，防止a处的失控向外传播。喷淋5min后，a处的温度降到200℃以下，却高于80℃，细水雾关闭，相邻1个节点液氮喷淋关闭，a处液氮喷淋打开，直至温度低于80℃。

Claims (6)

1.一种针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置，其特征在于：由控制部分、供水装置和供液氮装置组成；其中控制部分由红外温度探测器(1)、温度判断程序(10)、控制阀(11)、控水阀门(2)、控液氮阀门(9)以及连接的电气线路组成；供水装置由储水罐(5)、高压泵(4)、供水管网(12)和细水雾喷头(3)组成；供液氮装置由液氮罐(6)、低温泵(7)、供液氮管网(13)和液氮喷头(8)组成；其中红外温度探测器(1)接收温度信号，直接经线路与温度判断程序(10)连接，温度判断程序(10)再连接控制阀(11)，控制阀(11)通过线路分别连接控水阀门(2)和控液氮阀门(9)；警铃(14)同温度判断程序(10)相连；储水罐(5)通过管道与高压泵(4)连接，再通过架设在空中的供水管道与细水雾喷头(3)连接；液氮罐(6)通过管道与低温泵(7)连接，再通过架设在空中的供液氮管道和液氮喷头(8)连接；红外温度探测器(1)固定悬挂在空中，位于细水雾喷头(3)和液氮喷头(8)上方；供水管网(12)与供液氮管网(13)等高平行排列架设；控水阀门(2)位于细水雾喷头(3)上方，控液氮阀门(9)位于液氮喷头(8)上方，控水阀门(2)与控液氮阀门(9)均安装在连接泵与喷头的管道上。

2.根据权利要求1所述的冷却灭火装置，其特征在于一个红外温度探测器(1)所覆盖的范围内，有一个细水雾喷头(3)、一个液氮喷头(8)以及响应喷头的控水阀门(2)与控液氮阀门(9)组成一个冷却灭火节点；一个冷却灭火节点内的细水雾喷头(3)和液氮喷头(8)紧邻布置，冷却灭火节点的个数设置根据仓储面积调整。

3.根据权利要求1所述的冷却灭火装置，其特征在于所述的细水雾喷头(3)和液氮喷头(8)的流量都为8L/min～10L/min。

4.根据权利要求1所述的冷却灭火装置，其特征在于所述的细水雾喷头(3)和液氮喷头(8)安装高度距地面为2.5m～3m；红外温度探测器安装高度高于细水雾喷头(3)和液氮喷头(8)0.5m～1m；相邻节点喷头安装间距为2m～3m。

5.一种利用如权利要求1所述的针对仓储锂离子电池热失控的冷却灭火装置进行灭火的方法，其具体步骤如下：当红外温度探测器(1)探测到温度，将温度信号传递到温度判断程序(10)进行温度对比，若温度正常，则不发送任何指令；若温度超过临界值，则启动报警铃(14)，报警后程序(10)发送指令到控制阀(11)，使控制阀(11)启动相应的设备，开启喷头，进行冷却灭火。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：当红外温度探测器反馈温度大于80℃时但低于200℃时，发送启动供液氮装置，进行液氮喷淋冷却的指令；

当探测器反馈温度高于200℃时，发送停止液氮喷淋、启动供水装置，进行细水雾喷雾的指令；

当供水装置启动时，供液氮装置不再启动；

当探测器反馈温度下降到80℃以下，温度判断程序对供水装置或供液氮装置发出停止动作的指令，然后令程序进入新一轮温度对比。