CN107681067A - 一种锂离子电池防火防爆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂离子电池防火防爆装置，该装置中灭火器使用的低导电率的泡沫灭火剂不仅可以扑灭锂电池火灾，而且可长时间覆盖在电池表面，防止锂电池复燃；高强度的金属外壳能经受外部撞击和外部火焰燃烧而不破损，将锂电池牢牢隔离在装置内部；低导热系数的隔热层能隔离锂电池燃烧产生的热量不传导至装置外部引燃附近可燃物或锂电池，也能隔离外部火源的高温不传导至装置内部引燃内部锂电池。本发明装置对锂电池的防护可以同时起到灭火、抑制复燃、防碰撞以及隔离外部火源高温的作用，阻止锂电池燃烧爆炸和火灾蔓延，对锂电池可能的火灾威胁进行更加全面的防护。
Description
技术领域
本发明涉及电池火灾的防护技术领域，特别是一种锂离子电池防火防爆装置。
背景技术
电动汽车与传统燃油汽车相比具有无振动、无噪声、无污染排放等优点，发展前景广阔，已成为未来汽车工业主要战略发展方向之一。自从电动汽车进入人们的日常生活以来，由新能源汽车电池故障引发的火灾也呈现逐渐增多的趋势，现已成为限制新能源汽车进一步发展的重要因素。目前，在新能源汽车上应用较多的动力电池为锂电池，锂电池具有高能量密度，其燃烧过程伴随剧烈的化学反应，产生高热并释放可燃性气体，同时还有电弧产生。因此，锂电池火灾不同于一般的固体火灾，具有独特的复杂性和危险性。
电动汽车的动力电池一般根据不同的设计要求，以若干单电池组成电池组，然后一定数量的电池组共同组成大的电池包，通常安装在汽车前舱、后备舱或者汽车地板下方的电池容纳舱内。当汽车发生碰撞时，由于外力作用造成电池容纳舱变形会导致部分动力电池受损短路发热，引燃内部可燃物质引发火灾。另一方面，锂电池在充、放电过程也可能引起内部发热，造成隔膜损坏和电解液气化，引起燃烧爆炸；外部火源的高温作用则更容易使锂电池发生剧烈的燃烧爆炸反应。对于锂电池碰撞挤压方面的安全威胁，部分厂商采用加强车身结构强度，使用高强度铝合金、甚至钛合金等材料的方法来保护电池容纳舱外形的完整；更多的汽车厂商则重点采用更精准的电池管理系统来保证锂电池充、放电时的安全。而实际的电动车火灾案例表明，以上这些方法仍然难以完全杜绝电动汽车电池燃烧造成的火灾事故。特别是一旦电池起火，及时扑灭前期的电池燃烧非常重要，同时保护电池不被外部火源的高温作用引燃，防止火灾危险进一步扩大也是解决电池火灾安全问题非常重要的组成部分。
目前，我国对电动汽车电池的火灾安全防护还没有切实可行的统一标准。专利CN103331000A提出了一种电动车自动灭火系统及自动灭火方法，该系统主要通过置于电池容纳处的火焰探测器对火源进行探测，然后启动自动灭火系统，采用氮气进行灭火。专利CN106356579A提供了一种安全型电动汽车动力电池系统，该系统主要通过设置于动力电池安装箱内的温度传感器、明火传感器以及烟雾传感器对电池进行监控，在电池出现火情时触发同样设置于电池箱内壁的干粉灭火器进行自动灭火或者电池过热时对动力电池进行消除。专利CN202715154U提供了一种用于电动汽车电池箱火灾控制装置，该装置通过安装支架设置自动灭火器以及用于报警和切断电池箱主回路的火灾通信控制模块，可探测扑救电池箱由于短路等原因造成的自燃。所用的灭火器为市场上可买到的干粉灭火器、气溶胶灭火器、二氧化碳灭火器等。专利CN206045225U提供的一种电动客汽车动力锂电池箱火灾防控系统，该系统利用能与电池管理系统通讯的控制模块对自动灭火装置进行控制和报警，当出现火灾动作信号时，车载惰性气源装置向电池箱内注入惰性气体灭火，通过低氧保护使锂电池箱在一定时间内处于难燃不爆的状态，为车上人员逃生赢得时间。
专利CN203556075U提供的一种电动汽车电池恒温箱自动灭火装置，车载电池封装于恒温箱内，采用温度传感器、感烟传感器和气压传感器检测电池的火灾信号和恒温箱内的压力信号，当检测数据超出正常范围时启动电动真空泵对箱内抽真空达到隔绝空气灭火的目的，灭火后再向箱体内补充空气维持常压。专利CN204230324U提供的一种电动汽车电池的高强度耐高温阻燃防护装置包括遮盖电池组的防护罩或防护板，防护罩的壳壁或者防护板为叠层结构，由碳纤维网胎与碳布，或者碳纤维网胎与碳纤维无纬布交替铺陈至少两层结构，能够承受碰撞强硬力和爆炸冲击，并抑制燃烧蔓延，避免因电池起火或爆炸对人员造成的伤害。
专利CN206098498U提供的一种安全电池模块的汽车动力电池箱通过位于箱体内壁的压力传感器和电池管理控制模块对碰撞和起火进行监控，箱体内层填充的四氯化碳灭火剂在变形或受热时释放覆盖在电池表面起到阻止燃烧爆炸的作用。四氯化碳高温下容易生成剧毒的光气，不利于空间相对密闭的车内人员的逃生。
气溶胶或干粉灭火剂因为其含有的金属盐化合物成分溶解后有较强的导电性，容易引起锂电池的二次短路，控制不了锂电池的复燃。
现有技术中的电池防护系统，采用了温度、烟雾、电流、电压等多种传感器来收集相应信号，进而对电池进行监控，并在电池出现火情时启动灭火装置对电池进行灭火，使用到的灭火剂有干粉、气溶胶、二氧化碳、氮气、四氯化碳等。锂电池在燃烧时内部伴有剧烈的化学反应，贮存的电能最终也会转化为热能释放，会产生大量热量和可燃气体，具有极强的复燃性，使用常规的干粉、气溶胶、二氧化碳、氮气、四氯化碳等灭火剂的灭火装置只能用于扑灭锂电池的初次火灾，并不能阻止锂电池复燃。通过抽真空的方式隔绝氧气的灭火方式在补充空气回复常压后仍然不能避免锂电池复燃。另外，锂电池在火灾的高温环境下易发生燃烧爆炸，给灭火救援和现场处置带来很大的困难。如何设计防护装置使得锂电池在外部火源持续高温作用下不发生燃烧爆炸同样非常重要，现有技术还没有涉及锂电池对外部火源的抵御防护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种锂离子电池防火防爆装置，能够同时较好地解决锂离子电池在外部火源和内部故障条件下的燃烧爆炸难以有效防护的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种锂离子电池防火防爆装置，包括电池箱、传感器模块、控制模块和灭火器；所述电池箱由从内至外依次设置的内饰层、隔热层和外壳组成，电池箱用于将锂电池隔离在电池箱内部；
所述内饰层由碳纤维、玻纤布、铝箔或不燃轻质材料构成，内饰层用于隔离锂电池燃烧的火源，且起装饰美观的作用；所述隔热层由硅酸铝、气凝胶或导热系数低于0.15W/(m·K)的无机材料构成，隔热层用于隔离锂电池燃烧产生的热量，使其不传导至电池箱外部而引燃附近可燃物或锂电池，和隔离外部火源的高温不传导至电池箱内部，避免引燃内部锂电池；
在所述电池箱上设置有接线柱，所述接线柱用于连接电池箱内部电池和外部线路；在所述电池箱内部设置有传感器模块，所述传感器模块通过控制模块连接到灭火器；所述灭火器安装于电池箱的外部，灭火器的喷口通入电池箱内部；设置灭火器为电控启动，即通过传感器模块对电池箱内的锂电池的工作状态进行监测，并将信号传输到控制模块，若传感器模块收集的信号超过控制模块设置的阈值，则控制模块通过电控启动装置启动灭火器，进而对锂电池进行灭火；
所述灭火器所用药剂采用导电率低于50μs/cm的泡沫灭火剂；所述电池箱的外壳由不锈钢或金属合金材料制成，其顶部可拆卸。
进一步的，还设置有防爆阀，所述防爆阀设置于电池箱顶部，防爆阀中的防护膜为聚四氟乙烯微孔膜，具有透气防水的功能，能保持电池箱内部与外部气压平衡。
进一步的，所述无机材料的导热系数低于0.05W/(m·K)，所述泡沫灭火剂的导电率低于32μs/cm。
进一步的，所述接线柱为陶瓷绝缘的接线柱。
进一步的，所述传感器模块安装于电池箱的内顶部或侧壁。
进一步的，所述传感器模块为温度传感器，温度传感器根据实时测得并输出到控制模块的锂电池表面或锂电池之间连接线的温度超过设定温度阈值时，控制模块便启动灭火器进行灭火。
进一步的，所述传感器模块为烟雾传感器，烟雾传感器对电池箱内部进行实时的烟雾检测，并将测得的消光或烟颗粒信号输出到控制模块，控制模块便启动灭火器进行灭火。
进一步的，所述传感器模块为电信号传感器，信号传感器通过导线与电池箱内部放置的锂电池的正、负极连接，对锂电池工作的电压或电流进行实时检测，并将测得的数据输出到控制模块，当锂电池工作的电压或电流超过设定阈值时，控制模块便启动灭火器进行灭火。
进一步的，所述传感器模块为电弧紫外传感器，电弧紫外传感器对电池箱内部的电弧放电进行实时检测，当锂电池产生故障引发电弧放电有燃烧爆炸的危险时，其产生的弧光会生成紫外线，电弧紫外传感器检测到该紫外线信号并输出到控制模块，控制模块便启动灭火器进行灭火。
进一步的，所述温度传感器、烟雾传感器、电信号传感器或电弧紫外传感器涉及到的温度阈值、电压阈值或电流阈值，需根据电池箱内部的锂电池具体型号确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)能够有效对锂电池进行火灾监控和灭火，喷出的灭火剂不会产生有毒气体，可较长时间的覆盖在电池表面，阻止锂电池复燃；2)防火防爆装置能隔离外部高温或火源，保护其内部电池温度处于较低范围内，不发生燃烧爆炸；3)防火防爆装置的金属外壳具有较高的强度和较好的变形能力，可经受锂电池爆炸和外部碰撞的冲击而不发生破损，将电池燃烧爆炸释放的破坏能量控制在电池箱内部，防止火灾蔓延。
附图说明
图1是本发明一种锂离子电池防火防爆装置的结构示意图。
图2是本发明一种锂离子电池防火防爆装置的截面图。
图中：1-电池箱；2-外壳；3-隔热层；4-内饰层；5-接线柱；6-传感器模块；7-控制模块；8-灭火器；9-防爆阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
锂离子电池在使用过程中特别是在电动汽车上使用的火灾危险性，锂离子电池遇外部火源或内部故障均可能发生燃烧爆炸，且锂离子电池本身带有一定能量，其故障过程能产生燃烧所需的火源、可燃物和助燃气体三条件，锂离子电池火灾具有很强的复燃性，难以有效扑灭。
图1为本发明的结构示意图，图2为图1的截面图。如图所示，本发明锂离子电池防火防爆装置包括电池箱1、传感器模块6、控制模块7、灭火器8和防爆阀9。
灭火器8安装于电池箱1的外部，灭火器8喷口通入电池箱1内部，所述灭火器8可设置有电控启动装置和手动启动装置。其中，电控启动装置采用电控阀门等现有技术控制，手动启动装置采用手动启动阀门等现有结构，通过该结构，保证灭火器8能及时启动，不致火灾中失效。灭火器8所用药剂为导电率低于50μs/cm的泡沫灭火剂，优选泡沫灭火剂电导率低于32μs/cm。当锂电池出现火情时，灭火器8启动喷出泡沫灭火剂覆盖在锂电池表面，且泡沫灭火剂的低导电性不会导致锂电池的二次短路，可长时间覆盖在锂电池表面起到灭火降温和抑制锂电池复燃的作用。
电池箱1的外壳2由不锈钢或其他金属合金材料制成，具有良好的韧性，能抵御1000℃高温作用不破损，且顶部可拆卸；外壳2良好的韧性和耐高温性能可抗外部碰撞和外部火烧，保持装置不破损，将锂电池牢牢隔离在电池箱1内部。安装有陶瓷绝缘的接线柱5，用于连接电池箱1内部电池和外部线路。
电池箱1的底部和四壁有隔热层3和内饰层4；隔热层3由硅酸铝、气凝胶或其他导热系数低于0.15W/(m·K)的无机材料构成，优选导热系数低于0.05W/(m·K)；内饰层4由碳纤维、玻纤布、铝箔或其他不燃轻质材料构成。隔热层3的高隔热性不仅可隔离锂电池燃烧产生的热量不传导至电池箱1外部引燃附近可燃物或锂电池，也可隔离外部火源的高温，不传导至电池箱1内部，导致引燃内部锂电池；内饰层4的高防火性不仅可隔离锂电池燃烧的火源，同时起到装饰美观的作用。
传感器模块6安装于电池箱1内顶部或侧壁，所述传感器模块6与控制模块7连接，所述控制模块7与灭火器8的电控启动装置连接，所述传感器模块6包括温度传感器、烟雾传感器、电信号传感器、电弧紫外传感器中的至少一种。通过传感器模块6对电池箱1内的锂电池的工作状态进行监测，并将信号传输到控制模块7，若传感器模块6收集的信号超过控制模块7设置的阈值，则控制模块7通过电控启动装置启动灭火器8对锂电池进行灭火，避免火灾的扩大。
防爆阀9安装于电池箱1顶部，防爆阀9中的防护膜为聚四氟乙烯微孔膜，有透气防水的功能，保持电池箱1内部与外部气压平衡。
Claims (10)
1.一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，包括电池箱(1)、传感器模块(6)、控制模块(7)和灭火器(8)；所述电池箱(1)由从内至外依次设置的内饰层(4)、隔热层(3)和外壳(2)组成，电池箱(1)用于将锂电池隔离在电池箱(1)内部；
所述内饰层(4)由碳纤维、玻纤布、铝箔或不燃轻质材料构成，内饰层(4)用于隔离锂电池燃烧的火源，且起装饰美观的作用；
所述隔热层(3)由硅酸铝、气凝胶或导热系数低于0.15W/(m·K)的无机材料构成，隔热层(3)用于隔离锂电池燃烧产生的热量，使其不传导至电池箱(1)外部而引燃附近可燃物或锂电池，和隔离外部火源的高温不传导至电池箱(1)内部，避免引燃内部锂电池；
在所述电池箱(1)上设置有接线柱(5)，所述接线柱(5)用于连接电池箱(1)内部电池和外部线路；
在所述电池箱(1)内部设置有传感器模块(6)，所述传感器模块(6)通过控制模块(7)连接到灭火器(8)；所述灭火器(8)安装于电池箱(1)的外部，灭火器(8)的喷口通入电池箱(1)内部；设置灭火器(8)为电控启动，即通过传感器模块(6)对电池箱(1)内的锂电池的工作状态进行监测，并将信号传输到控制模块(7)，若传感器模块(6)收集的信号超过控制模块(7)设置的阈值，则控制模块(7)通过电控启动装置启动灭火器(8)，进而对锂电池进行灭火；
所述灭火器(8)所用药剂采用导电率低于50μs/cm的泡沫灭火剂；所述电池箱(1)的外壳(2)由不锈钢或金属合金材料制成，其顶部可拆卸。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，还设置有防爆阀(9)，所述防爆阀(9)设置于电池箱(1)顶部，防爆阀(9)中的防护膜为聚四氟乙烯微孔膜，具有透气防水的功能，能保持电池箱(1)内部与外部气压平衡。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述无机材料的导热系数低于0.05W/(m·K)，所述泡沫灭火剂的导电率低于32μs/cm。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述接线柱(5)为陶瓷绝缘的接线柱(5)。
5.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述传感器模块(6)安装于电池箱(1)的内顶部或侧壁。
6.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述传感器模块(6)为温度传感器，温度传感器根据实时测得并输出到控制模块(7)的锂电池表面或锂电池之间连接线的温度超过设定温度阈值时，控制模块(7)便启动灭火器(8)进行灭火。
7.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述传感器模块(6)为烟雾传感器，烟雾传感器对电池箱(1)内部进行实时的烟雾检测，并将测得的消光或烟颗粒信号输出到控制模块(7)，控制模块(7)便启动灭火器(8)进行灭火。
8.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述传感器模块(6)为电信号传感器，信号传感器通过导线与电池箱(1)内部放置的锂电池的正、负极连接，对锂电池工作的电压或电流进行实时检测，并将测得的数据输出到控制模块(7)，当锂电池工作的电压或电流超过设定阈值时，控制模块(7)便启动灭火器(8)进行灭火。
9.如权利要求1所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述传感器模块(6)为电弧紫外传感器，电弧紫外传感器对电池箱(1)内部的电弧放电进行实时检测，当锂电池产生故障引发电弧放电有燃烧爆炸的危险时，其产生的弧光会生成紫外线，电弧紫外传感器检测到该紫外线信号并输出到控制模块(7)，控制模块(7)便启动灭火器(8)进行灭火。
10.如权利要求6至9任一项所述的一种锂离子电池防火防爆装置，其特征在于，所述温度传感器、烟雾传感器、电信号传感器或电弧紫外传感器涉及到的温度阈值、电压阈值或电流阈值，需根据电池箱(1)内部的锂电池具体型号确定。
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