CN106684499A - 一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法及装置 - Google Patents

一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，使用液体制冷剂对故障锂离子电池进行喷淋制冷和灭火，当电池单体达到一定温度时，即开启喷淋装置，以液体制冷剂的汽化潜热量计，液体制冷剂的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的0.1～10倍，喷淋方式为连续喷淋或间断喷淋；还公开了其装置，电池组外壳内设有储存罐，储存罐内装有液体制冷剂，储存罐上通过总控阀连接有管道，管道上设置有排列在锂离子电池组上方的若干喷嘴，电池组外壳上设置有一个或多个泄压阀；与现有技术相比，本发明有效地克服了现有技术锂离子电池安保方式功能单一、稳定安全可靠性的不足，以及效能低下的问题。

Description

一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法及装置
技术领域
本发明涉及锂离子电池组系统，尤其是一种能够保证锂离子电池安全的电池组系统，用于预防和阻止电池组热失控及热失控引起的燃烧。
背景技术
锂离子电池由于具有电压高、能量密度大、循环寿命长以及良好的高、低温放电性能等优点，其应用范围越来越广泛。但锂离子电池在应用中潜在的安全问题已经成为制约其发展的一个瓶颈，尤其用于动力系统的锂离子电池组，由于含有更多的单体电池，其安全问题也更加突出。
通常研究者试图从改进电池材料、完善单体和模块结构、提高电池外围电路可靠性这三个方面来解决锂离子电池安全性问题，但到目前为止效果并不理想，锂离子电池的安全事故仍然不断发生。因此，急需一种新的思路来提高锂离子电池的安全性。
目前，人们开始尝试通过电池外部的相关安保措施来阻止锂离子电池的热失控。
CN104882639A公开了一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法及装置，通过使用液态惰性气体按照一定的喷淋量、喷淋方式和喷淋时间来对故障锂离子电池组进行灭火和制冷。但喷淋温度设置在60℃～140℃，在电池组温度偏高时就采取强制制冷措施，这属于过度保护，会给电池组造成不可逆转的损失。同时部分种类的液态惰性气体由于成本及存储条件等因素的限制，完全不具有实用性。
US6,599,656B2公开了一种阻止锂离子电池热失控的方法，通过在锂离子电池组中增加装载有二氧化碳或者氮气与氩气的混合物的罐体，在探测到异常情况时，使这些高压惰性气体喷射到电池周围，驱逐可燃气体和氧气，从而达到阻燃的目的。但电池燃烧只加剧而不能决定热失控进程，因而，通过喷射高压惰性气体并不能完全阻断热失控在电池组内的传播。
US2013/0312947A1和US2013/0316198A1公开了一种冷却液喷射灭火的锂离子电池组设计。正常使用时，制冷剂以高压液态的形式储存在罐中，当BMS检测到出现热失控等紧急情况时，高压制冷剂（R-123）从预设管道喷出，扑灭火焰、在热失控电池表面汽化，吸收大量热量，并稀释可燃电解液，从而阻断热失控传播，保护整个电池组安全。R-123常作为空调、冰箱等电器的制冷剂，但灭火效能并不理想，而且，R-123是一种温室气体，同时也会对臭氧层产生破坏，因此一些国家已开始限制使用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种抑制和阻止锂离子电池热失控的方法，通过液体制冷剂对故障锂离子电池制冷和灭火。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，使用液体制冷剂对故障锂离子电池进行喷淋制冷和灭火，所述的液体制冷剂选自液氮、液氩和液态二氧化碳中的一种或多种，步骤包括：
A、选取喷淋时机：当电池单体达到一定温度时，即开启喷淋装置；
B、确定喷淋气体的喷淋量：以液体制冷剂的汽化潜热量计，液体制冷剂的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的0.1～10倍；
C、确定喷淋方式：连续喷淋或间断喷淋。
所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其A步骤中，电池单体温度超过140℃时开启喷淋装置。
所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其液体制冷剂喷淋量以升计，由下式确定：h＝0.1～10Q/R式中h为液体制冷剂喷淋量，Q为电池单体热失控放热量，R为每升液体制冷剂汽化潜热量。
所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其电池单体热失控放热量Q和每升液体制冷剂汽化潜热量r由下式确定：Q＝m1q1+m2q2+…+mnqn式中q为组成锂离子电池的可燃材料的热值，m为组成锂离子电池的可燃材料的质量。
所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其电池单体的活性物质正极为三元材料，或磷酸铁锂，或锰酸锂。
所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其电池单体容量小于等于500AH。
所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其电池单体形状为柱形。优选为圆柱形，或方柱形，或多棱柱形。
本发明的目的之二是提供一种抑制和阻止锂离子电池热失控的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抑制和阻止锂离子电池热失控装置，包括电池组外壳和设置在电池组外壳内的锂离子电池组，所述的锂离子电池组由若干锂电模块单元并排组成，还包括设置在电池组外壳内的储存罐，储存罐内装有液氮、液氩和液态二氧化碳中的一种或多种物质，所述的储存罐上通过总控阀连接有管道，所述的管道上设置有若干喷嘴，所述的喷嘴均匀排列在锂离子电池组上方，所述的电池组外壳上设置有一个或多个泄压阀，所述的储存罐内安装有蒸发器，所述的电池组外壳内还设有与总控阀连接的分控阀，所述的锂电模块单元上安装有连接分控阀的检测器。
所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控装置，其检测器为温度传感器和/或烟雾传感器和/或电压传感器和/或气体探测器和/或火焰探测器。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过液氮/液氩/液态二氧化碳对故障锂离子电池制冷和灭火双重作用，有效地克服了现有技术锂离子电池安保方式功能单一、稳定安全可靠性的不足，以及效能低下的问题；同时，液氮/液氩/液态二氧化碳汽化产物都是无毒、环保的洁净气体，对电池设备没有造成二次伤害。
附图说明
图1为实施本发明的高安全性锂离子电池组的示意图。
各附图标记为：1—锂离子电池组；11—锂电模块单元；21—储存罐；22—总控阀；23—管道；24—喷嘴；31—电池组外壳；32—泄压阀，4—分控阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
是本发明抑制和阻止锂离子电池热失控方法基本实施例。
所述方法是使用液氮对故障锂离子电池进行喷淋制冷和灭火，步骤包括：
A、选取喷淋时机：当电池单体达到一定温度时，即开启喷淋装置；
B、确定喷淋气体的喷淋量：以液氮的汽化潜热量计，液氮的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的0.1～10倍；
C、确定喷淋方式：喷淋方式为连续喷淋或间断喷淋，按电池单体的数量来选取。
所述步骤，是以A、喷淋时机，B、喷淋量，C、喷淋方式顺序实施，或并行实施，或相反的顺序实施。
本发明的原理和效果是：
1、抑制电池热失控的发生：当锂离子电池温度异常或者说快要发生“热失控”等紧急情况的时，（电池温度超过140℃），液体制冷剂从预设管道喷出后，在故障电池表面汽化，吸收大量热量，使电池温度降低，抑制电池内部的放热副反应，从而达到抑制电池热失控的发生；
2、阻断热失控在锂离子电池组中的传播：当锂离子电池组的一个单体已发生热失控，或者热失控已无法阻止时，通过喷淋液体制冷剂来扑灭火焰，并且，液氮在电池表面汽化的时候，在故障电池周围形成低温“云雾”，能隔绝故障电池热失控时所产生的热冲击和危险喷射物质；同时，扩大液氮喷淋范围，对周围正常电池进行预冷却，将电池温度降到0℃以下，从而有效的阻断热失控在锂离子电池组中的传播。
实施例2
是实施例1进一步的实施例。
所述的液体制冷剂为液氮、液氩和液态二氧化碳它们中的一种，或二种，或三种组合。所述的A步骤中，电池单体温度达到140℃时开启喷淋装置。
所述的液氮喷淋量以升计，由下式确定：
h＝0.1～10Q/R
式中：h为液氮喷淋量；Q为电池单体热失控放热量；R为每升液氮汽化潜热量，为公知数据。
所述的电池单体热失控放热量Q由下式确定：
Q＝m1q1+m2q2+…+mnqn
式中：q为组成锂离子电池的可燃材料的热值；m为组成锂离子电池的可燃材料的质量。
所述的液氮喷淋方式为连续喷淋或和间断喷淋。所述的锂离子电池的电池单体的活性物质为三元正极材料，或磷酸铁锂，或锰酸锂。电池单体容量等于小于500AH。电池单体形状为柱形。电池单体形状选自圆柱形，或方柱形，或多棱柱形。
实施例3
是一个优选的实施例。
与实施例2不同的是：所述的液体制冷剂选为液氮，所述的A步骤中，电池单体温度达到120℃时开启喷淋装置。B步骤中，确定喷淋气体的喷淋量是以液氮的汽化潜热量计，液氮的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的0.5倍；所述的锂离子电池的电池单体的活性物质正极为磷酸铁锂。电池单体容量为1.5AH。电池单体形状为圆柱形。所述的液氮喷淋方式为连续喷淋1次，向电池单体喷淋时间为5s，喷淋完后关闭整个装置，10min后电池温度得到抑制并趋于平稳，电池完好。
实施例4
是又一个优选的实施例。
与实施例2不同的是：所述的液体制冷剂选为液氮，所述的A步骤中，电池单体温度达到100℃时开启喷淋装置。B步骤中，确定喷淋气体的喷淋量是以液氮的汽化潜热量计，液氮的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的1倍；所述的锂离子电池的电池单体的活性物质正极为锰酸锂。电池单体容量为500AH。电池单体形状为圆方形。所述的液氮喷淋方式为间断喷淋，向电池单体喷淋时间为5s后停止，30s后继续喷淋5s，如此重复3次，喷淋完后关闭整个装置，10min后电池温度得到抑制并趋于平稳，电池完好。
实施例5
是又一个优选的实施例。
与实施例2不同的是：所述的液氮选为液氮，所述的A步骤中，电池单体温度达到140℃时开启喷淋装置。B步骤中，确定喷淋气体的喷淋量是以液氮的汽化潜热量计，液氮的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的10倍；所述的锂离子电池的电池单体的活性物质正极为锰酸锂。电池单体容量为500AH。电池单体形状为圆方形。所述的液氮喷淋方式为间断喷淋，向电池单体喷淋时间为5s后停止，30s后继续喷淋5s，如此重复5次，喷淋完后关闭整个装置，10min后电池温度得到抑制并趋于平稳，电池完好。
结合附图和实施例对用于本发明方法的抑制和阻止锂离子电池热失控装置的技术方案作进一步说明如下：
实施例6
是一个基本实施例。
如图1所示，用于本发明方法的抑制和阻止锂离子电池热失控装置，它包括电池组外壳31和设置在电池组外壳31内的锂离子电池组1，所述的锂离子电池组1由若干锂电模块单元11并排组成，还包括设置在电池组外壳31内的储存罐21，储存罐21内装有液氮、液氩和液态二氧化碳中的一种或多种物质，所述的储存罐21上通过总控阀22连接有管道23，所述的管道23上设置有若干喷嘴24，所述的喷嘴24均匀排列在锂离子电池组1上方，所述的电池组外壳31上设置有一个或多个泄压阀32，所述的储存罐21内安装有蒸发器，所述的电池组外壳31内还设有与总控阀22连接的分控阀4，所述的锂电模块单元11上安装有连接分控阀4的检测器，所述的检测器为温度传感器，用于监测一个或多个电池单体的温度。
当锂离子电池发生故障，由检测器通过包括温度、烟雾和电压的传感器监测一个或多个电池单体，当发现故障，测人工手动或自动启动抑制和阻止锂离子电池热失控装置进行灭火及制冷，完成对锂电池组的安保工作。
实施例7
是一个优选的实施例。
所述的抑制和阻止锂离子电池热失控装置，其检测器为还可以是烟雾传感器或电压传感器或气体探测器或火焰探测器，用于监测一个或多个电池单体的泄露烟雾或电压或泄露气体或产生的火焰。
实施例8
是与实施例3等同的一个模拟实施例。
取15cm电炉丝好，套上瓷套（为避免短路）折叠后安置于1.5AH圆柱电池单体（1.5AH圆柱电池为卷绕式电极、钢壳包装，正极材料为磷酸铁锂）左侧，通过高温导线连接只调压器进行加热。在单体中部的左右侧以及单体之间金属连接部分上分别安置热电偶。电炉丝和单体表面的热电偶使用铜丝捆绑固定，以避免在爆炸中脱离原位。
随后，用电炉丝将单体加热，直到温度达到120℃时，停止加热并通过灭火装置向单体喷淋液氮（所喷淋液氮总的汽化潜热为电池单体热失控放热量的0.5倍），持续喷淋5s后关闭灭火装置。10min后电池温度得到抑制并趋于平稳，电池完好。
实施例9
是与实施例5等同的一个模拟实施例。
将500AH方形电池分别按组装成3单体模块。电池单体的活性物质正极为锰酸锂。取50cm电炉丝好，套上瓷套，折叠后安置于A单体左侧，通过高温导线连接只调压器进行加热。在各单体中部的左右侧以及各单体之间金属连接部分上分别安置热电偶。电炉丝和单体表面的热电偶使用铜丝捆绑固定，以避免在爆炸中脱离原位。随后，用电炉丝将A单体加热，直到将A单体“点燃”，电池单体温度达到140℃，A单体起火后第10s,停止加热并通过灭火装置向模块喷淋液氮（所喷淋液氮总的汽化潜热为电池单体热失控放热量的10倍），持续喷淋5s后停止，30s后继续喷淋5s，如此重复5次，最后关闭灭火装置。电池模块火焰熄灭并且各个单体温度趋于平稳。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，使用液体制冷剂对故障锂离子电池进行喷淋制冷和灭火，所述的液体制冷剂选自液氮、液氩和液态二氧化碳中的一种或多种，步骤包括：
A、选取喷淋时机
当电池单体达到一定温度时，即开启喷淋装置；
B、确定喷淋气体的喷淋量
以液体制冷剂的汽化潜热量计，液体制冷剂的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的0.1～10倍；
C、确定喷淋方式
连续喷淋或间断喷淋。
2.根据权利要求1所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，所述的A步骤中，电池单体温度超过140℃时开启喷淋装置。
3.根据权利要求1所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，所述的液体制冷剂喷淋量以升计，由下式确定：
h＝0.1～10Q/R
式中h为液体制冷剂喷淋量，Q为电池单体热失控放热量，R为每升液体制冷剂汽化潜热量。
4.根据权利要求3所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，所述的电池单体热失控放热量Q和每升液体制冷剂汽化潜热量r由下式确定：
Q＝m1q1+m2q2+…+mnqn
式中q为组成锂离子电池的可燃材料的热值，m为组成锂离子电池的可燃材料的质量。
5.根据权利要求1所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，所述的电池单体的活性物质正极为三元材料，或磷酸铁锂，或锰酸锂。
6.根据权利要求1所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，所述的电池单体容量小于等于500AH。
7.根据权利要求1所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，所述的电池单体形状为柱形。
8.根据权利要求7所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法，其特征在于，所述的电池单体形状为圆柱形，或方柱形，或多棱柱形。
9.一种用于权利要求1所述方法的抑制和阻止锂离子电池热失控装置，包括电池组外壳（31）和设置在电池组外壳（31）内的锂离子电池组（1），所述的锂离子电池组（1）由若干锂电模块单元（11）并排组成，其特征在于，还包括设置在电池组外壳（31）内的储存罐（21），储存罐（21）内装有液氮、液氩和液态二氧化碳中的一种或多种物质，所述的储存罐（21）上通过总控阀（22）连接有管道（23），所述的管道（23）上设置有若干喷嘴（24），所述的喷嘴（24）均匀排列在锂离子电池组（1）上方，所述的电池组外壳（31）上设置有一个或多个泄压阀（32），所述的储存罐（21）内安装有蒸发器，所述的电池组外壳（31）内还设有与总控阀（22）连接的分控阀（4），所述的锂电模块单元（11）上安装有连接分控阀（4）的检测器。
10.根据权利要求7所述的一种抑制和阻止锂离子电池热失控装置，其特征在于，所述的检测器为温度传感器和/或烟雾传感器和/或电压传感器和/或气体探测器和/或火焰探测器。
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