CN107768749B - 一种具备自动灭火功能的电池箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备自动灭火功能的电池箱。所述电池箱将灭火单元集成在电池箱内，并包括电池管理检测单元、电池模组、均衡管理单元和温控单元；所述电池管理检测单元包括采集电路、均衡电路、温控电路及灭火执行电路；所述采集电路被配置为采集所述电池模组的状态参数；所述均衡电路被配置为控制所述均衡管理单元采用主动均衡方式，用高电压电池为低电压电池充电，提高单体电池一致性；所述温控电路被配置为控制所述温控单元进行升温和降温操作；所述灭火执行电路被配置为控制灭火单元在电池起火时喷射灭火介质。

Description

一种具备自动灭火功能的电池箱
技术领域
本发明涉及一种具有自动灭火功能的电池箱。
背景技术
新能源汽车一般使用锂离子电池进行成组后形成动力电池，锂离子电池具有高比能量、高比功率、长循环寿命、以及高单体电压等优点，使其在电动汽车领域具有较大优势，但其对电压、温度和电流要求较为严格，使用不当可能会出现泄漏、放气、冒烟等现象，引起热失控，严重时可能发生燃烧、爆炸，威胁车辆及乘客安全。
锂离子电池正极易析氧、负极SEI膜易分解、电解质闪点较低，自身具备燃烧物及氧化剂，且成组后的电池布局紧密、散热较差、温控比较困难。在电池的滥用条件下，比如电池过充电、过放电、外部和内部短路、挤压、碰撞和高温等可能会导致电池内部化学物质发生反应，使电池内部生成大量的热造成电池发生热失控，最终导致电池的着火或爆炸。
CN204158920 U公开了一种分体式电池箱自动灭火装置，灭火剂、检测装置与电池模组之间分开，采用感温火灾传感器进行火灾检测，灭火介质为气溶胶灭火剂，该方案无法早期发现热失控问题，对电池本身状态无法进行检测；其气溶胶属固体灭火剂，喷射后会污染轻微电池，难以清理。
CN202366355 U公开了一种电动汽车电池恒温箱自动灭火装置，具备温度信号、烟雾检测功能，灭火剂采用泡沫灭火剂及水的混合液，该方案仅对电池热特性进行检测，检测相对滞后；灭火介质中的水会导致电池模组的正负极连接线之间短路，产生更大的安全隐患。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为了克服现有技术的缺点，提出一种具备自动灭火功能的电池箱，可对起火的电池单元进行独立检测，独立实施灭火动作。
根据本发明，提供一种具备自动灭火功能的电池箱，包括：电池管理主控单元和一个或更多个动力电池箱；
动力电池箱包括电池管理检测单元、电池模组、灭火单元、均衡管理单元和温控单元；所述电池管理检测单元包括采集电路、均衡电路、温控电路及灭火执行电路；所述采集电路被配置为采集所述电池模组的状态参数；所述均衡电路被配置为控制所述均衡管理单元采用主动均衡方式，用高电压电池为低电压电池充电，提高单体电池一致性；所述温控电路被配置为控制所述温控单元进行升温和降温操作；所述灭火执行电路被配置为控制灭火单元在电池起火时喷射灭火介质；
其中，所述电池管理检测单元被配置为通过采集电路采集的所述电池模组的状态参数，确定电池的起火状态，并根据所述电池的起火状态来通知所述电池管理主控单元执行隔离动力电池箱、断电检查、喷射灭火介质的操作中的一个或更多个。
根据本发明的一个实施例，所述灭火单元包括灭火介质壳体、执行单元和灭火介质，灭火介质包含在灭火介质壳体内，执行单元连接至灭火介质壳体；
其中，所述执行单元为阀门或电爆管，灭火介质包括气体灭火介质及固体灭火介质，所述灭火单元被配置为当电池管理主控单元执行喷射灭火介质操作时通过执行单元喷射对应的灭火介质。
根据本发明的一个实施例，所述具备自动灭火功能的电池箱还包括多个传感器，所述多个传感器包括电压传感器、温度传感器、可燃气体传感器和烟雾颗粒传感器，其中，所述多个传感器连接至所述采集电路，以将电压、温度、可燃气体浓度和烟雾颗粒浓度作为状态参数，用于确定起火状态。
根据本发明的一个实施例，所述多个传感器的检测时间不超过2s。
根据本发明的一个实施例，当动力电池箱发生电压超过电压限值和温度超过温度限值中的至少一个时，所述电池管理检测单元通知所述电池管理主控单元执行隔离动力电池箱操作和断电检查操作。
根据本发明的一个实施例，当动力电池箱发生电压变化速率超过电压变化速率阈值、温度变化速率超过温度变化速率阈值和可燃气体浓度超过第一限值中的至少一个时，所述电池管理检测单元通知所述电池管理主控单元执行隔离动力电池箱操作和喷射气体灭火介质操作；
当动力电池箱发生燃气体浓度超过第二限值和烟雾浓度超过第三限值种的至少一个时，所述电池管理检测单元通知所述电池管理主控单元执行喷射固体灭火介质操作。
根据本发明的一个实施例，所述温控单元包括风机和加热丝，当动力电池箱内温度过低时，开启加热丝供电，为电池供热，提高电池放电性能；当动力电池箱内温度较高时，开启风扇，降低电池温度。
根据本发明的一个实施例，所述动力电池箱还包括防水透气阀，被配置为当动力电池箱出现起火状况时平衡内外部气压，降低起火爆炸程度。
本发明的有益效果：
(1)电池箱与灭火单元一体化设计，灭火单元采用独立式布局，具备独立检测、独立实施灭火动作功能；
(2)灭火时机定位于灭火初期，防止热失控在电池之间传播而使整包电池燃烧，避免后期高成本的人工干预；
(3)通过气固结合，能够在有效降温及隔绝空气的条件下不对其它完好电池产生污染，保证电池包在检修后其它未起火电池能够正常使用，也能有效避免电池因内部燃烧而复燃，提升新能源汽车的安全性，降低电池燃烧风险，具有十分重要的工程应用前景。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的具备自动灭火功能的电池箱的示意框图。
图2是根据本发明的实施例的动力电池箱的示意图。
图3为根据本发明的实施例的灭火控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
当电池工作在滥用状态条件下，很容易发生热失控而产生火灾，由于电池本身能量巨大，燃烧后无法扑灭，因此十分危险，通过在电池包内部加装传感器与灭火介质，能够在电池发生热失控初期给予干预，防止电池发生热失控。通过集成于BMS(batterymanagement system)系统中的电池单体电特性参数(电压、电流)与热特性(温度、可燃气体、固体颗粒物)参数检测传感器，实时检测电池包内电池状态，对比电池热失控模型，提前干预，将电池控制在潜伏期，避免发生热失控。气体灭火剂与固体灭火剂的混合使用，在燃烧初期，选用气体灭火剂进行降温与阻燃，防止固体灭火剂污染电池，在燃烧中后期，喷射固体灭火剂，强化灭火功能，为人员提供安全逃离时间。锂离子电池正极分解可析出氧气，单纯隔绝空气无法有效阻燃，通过分层喷射灭火剂，能够有效阻止电池复燃，增强安全性能。
在本发明的示例性实施例中，通过对电池箱内部电池单体的热、电特性进行采集、分析及处理，对照锂离子电池失控模型，实现对电池箱安全状态的实时检测，并在热失控潜伏期和发展期进行提前干预，降温并阻燃，保证电池箱的安全，并为人员顺利逃生争取时间。
图1是根据本发明的实施例的具备自动灭火功能的电池箱的示意框图。如图1所示，具备自动灭火功能的电池箱包括电池管理主控单元以及n个动力电池箱，电池管理主控单元和n个动力电池箱之间通过CAN总线1(CAN BUS 1)连接。此外，电池管理主控单元和整车控制器之间通过CAN总线2(CAN BUS 2)连接，以与整车控制器进行通信。电池管理主控单元和充电机之间通过CAN总线3(CAN BUS 3)连接，以通过CAN总线3控制充电机对电池箱进行充电。进一步地，n个动力电池箱与强电控制单元和车辆电动机连接，以通过强电控制单元的控制，将动力电池箱的电力提供至车辆电动机。此外，强电控制单元还与电池管理主控单元建立通信，以根据电池管理主控单元的命令来控制提供给车辆电动机的电力。
在实施例中，每个动力电池箱包括电池管理检测单元(电池管理检测单元1-电池管理检测单元n)、电池模组(电池模组1-电池模组n)007、灭火单元(即灭火单元1-灭火单元n)006、均衡管理单元(均衡管理单元1-均衡管理单元n)和温控单元(温控单元1-温控单元n)。其中，电池管理检测单元包括采集电路、均衡电路、温控电路及灭火执行电路。
图2是根据本发明的实施例的动力电池箱的示意图。
如图2所示，动力电池箱包括壳体、箱盖、密封垫及附属连接件，被用于承载动力电池箱，抗振动及抗冲击，并能防水防尘，具有IP67防护等级，并且，动力电池箱具有防水透气阀008，在示例中，防水透气阀008由透气膜、密封圈、外部防护罩、过滤网、内部防护网等组成，被配置为当动力电池箱出现起火状况时平衡内外部气压，降低起火爆炸程度。电池管理检测单元被设置在BMS采集板001上。在动力电池箱中，存在多个传感器，包括电压传感器002、温度传感器003、可燃气体传感器004和烟雾颗粒传感器005，电压传感器002检测每个动力电池箱的电压，温度传感器003检测每个动力电池箱的温度，可燃气体传感器004检测每个动力电池箱中的可燃气体浓度，烟雾颗粒传感器005检测每个动力电池箱中的烟雾颗粒浓度。在实施例中，多个传感器连接至电池管理检测单元的采集电路，传感器的检测时间不大于2s，动力电池箱的电压、温度、可燃气体浓度和烟雾颗粒浓度作为状态参数，被送入所述采集电路，以作为电池管理检测单元确定起火状态的根据。
在实施例中，灭火单元006包括灭火介质壳体、执行单元和灭火介质。执行单元可以是阀门或电爆管，在本实施例中，执行单元可以是电爆管，电爆管为一次启动，无关闭功能，额定工作电流为1.2A，安全电流0.4A，电阻2.2Ω，当动力电池箱起火时，电池管理检测单元通知电池管理主控单元执行喷射灭火介质的操作，电池管理检测单元的灭火执行电路对灭火单元输出5A的电流，激活电爆管，喷射灭火介质，灭火动作实施时间不大于10ms。。在示例中，灭火介质气体灭火介质及固体灭火介质，并根据特点起火状态喷射灭火介质。
在实施例中，电池模组007上端电极处于开放状态，如果发生起火或热失控现象，可为灭火剂提供流通通道，保证有效熄灭电池火灾。
图3为根据本发明的实施例的灭火控制流程图。
如图3所示，电压传感器002和温度传感器003分别检测动力电池箱的电压和温度。在示例中，电压传感器002可以是专用的电压芯片，可对各电池单体电压进行采集。温度传感器003可以是热电阻，可采集电池箱内温度及温度变化。当动力电池箱发生电压超过电压限值和温度超过温度限值中的至少一个时，电池管理检测单元通知所述电池管理主控单元执行隔离该动力电池箱操作和断电检查操作。在示例中，电池管理主控单元可隔离起火的动力电池箱并将该动力电池箱断电，同时上传至车辆中控台，并告知驾驶员断电检查。
可燃气体传感器004检测动力电池箱中的可燃气体浓度。可燃气体传感器可以是半导体式传感器或者催化燃烧式传感器，被配置为实时监测动力电池箱中的可燃气体含量。当可燃气体浓度超过限值1(即第一限值)时，电池管理检测单元通知电池管理主控单元执行隔离动力电池箱操作和喷射灭火介质操作，在示例中，灭火介质存储为四部分，其中，I部分和II部分为气体灭火介质，气体灭火介质的功能以降温和灭火为主，并可尽量避免污染电池；III部分和IV部分为固体灭火介质，在示例中，固体灭火介质可以是气溶胶，可迅速隔绝空气，熄灭火焰，防止热失控发生扩散。在上述情况下，电池管理主控单元向灭火执行电路传输5A电流，激活电爆管，喷射I部分和II部分的气体灭火介质。此外，动力电池箱发生电压变化速率超过阈值、温度变化速率超过阈值和中的至少一个时，同样喷射I部分和II部分的气体灭火介质。
烟雾颗粒传感器005检测动力电池箱中的烟雾颗粒浓度。烟雾颗粒采集为电池热失控的最终判断依据，当烟雾颗粒浓度超过限值3(即第三限值)时，喷射III部分和IV部分为固体灭火介质进行灭火。此外，如果可燃气体传感器004检测到动力电池箱中的可燃气体浓度超过限值2(即第二限值)，同样喷射III部分和IV部分的固体灭火介质。在喷射固体灭火介质后，电池管理主控单元在中控台通知驾驶员进行拆机检查。在示例中，驾驶员还可通过中控台手动控制电池管理主控单元执行喷射III部分和IV部分的固体灭火介质的操作。
此外，在示例性实施例中，动力电池箱内还包括均衡管理单元和温控单元，其中，均衡管理单元在电池管理检测单元中的均衡电路的控制下，采用主动均衡方式，用高电压电池为低电压电池充电，提高单体电池一致性，从而延长电池的寿命；温控单元包括风机和加热丝，电池管理检测单元中的温控电路对温控单元进行控制，当动力电池箱内温度过低时，开启加热丝供电，为电池供热，体高电池放电性能；当动力电池箱内温度较高时，开启风扇，搅动电池包内气体，增加电池与壳体间的空气流动，降低电池温度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种具备自动灭火功能的电池箱，其特征在于，包括：电池管理主控单元和一个或更多个动力电池箱；
动力电池箱包括电池管理检测单元、电池模组(007)、灭火单元(006)、均衡管理单元和温控单元；所述电池管理检测单元包括采集电路、均衡电路、温控电路及灭火执行电路；所述采集电路被配置为采集所述电池模组(007)的状态参数；所述均衡电路被配置为控制所述均衡管理单元采用主动均衡方式，用高电压电池为低电压电池充电，提高单体电池一致性；所述温控电路被配置为控制所述温控单元进行升温和降温操作；所述灭火执行电路被配置为控制灭火单元(006)在电池起火时喷射灭火介质；
其中，所述电池管理检测单元被配置为通过采集电路采集的所述电池模组(007)的状态参数，确定电池的起火状态，并根据所述电池的起火状态来通知所述电池管理主控单元执行隔离动力电池箱、断电检查、喷射灭火介质的操作中的一个或更多个；
所述灭火单元(006)包括灭火介质壳体、执行单元和灭火介质，灭火介质包含在灭火介质壳体内，执行单元连接至灭火介质壳体；
其中，所述执行单元为阀门或电爆管，灭火介质包括气体灭火介质及固体灭火介质，所述灭火单元被配置为当电池管理主控单元执行喷射灭火介质操作时通过执行单元喷射对应的灭火介质；
还包括多个传感器，所述多个传感器包括电压传感器(002)、温度传感器(003)、可燃气体传感器(004)和烟雾颗粒传感器(005)，其中，所述多个传感器连接至所述采集电路，以将电压、温度、可燃气体浓度和烟雾颗粒浓度作为状态参数，用于确定起火状态；
当动力电池箱发生电压超过电压限值和温度超过温度限值中的至少一个时，所述电池管理检测单元通知所述电池管理主控单元执行隔离动力电池箱操作和断电检查操作；
当动力电池箱发生电压变化速率超过电压变化速率阈值、温度变化速率超过温度变化速率阈值和可燃气体浓度超过第一限值中的至少一个时，所述电池管理检测单元通知所述电池管理主控单元执行隔离动力电池箱操作和喷射气体灭火介质操作；
当动力电池箱发生可 燃气体浓度超过第二限值和烟雾浓度超过第三限值中的至少一个时，所述电池管理检测单元通知所述电池管理主控单元执行喷射固体灭火介质操作。
2.根据权利要求1所述的具备自动灭火功能的电池箱，其特征在于，所述多个传感器的检测时间不超过2s。
3.根据权利要求1所述的具备自动灭火功能的电池箱，其特征在于，所述温控单元包括风机和加热丝，当动力电池箱内温度过低时，开启加热丝供电，为电池供热，提高电池放电性能；当动力电池箱内温度较高时，开启风扇，降低电池温度。
4.根据权利要求1所述的具备自动灭火功能的电池箱，其特征在于，所述动力电池箱还包括防水透气阀(008)，被配置为当动力电池箱出现起火状况时平衡内外部气压，降低起火爆炸程度。
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