CN108704228A - 锂电池试验箱的安全防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂电池试验箱的安全防护系统，包括：火情监测模块、灭火模块、控制系统、上位机；火情监测模块用于采集锂电池试验箱的监测数据，并将所述监测数据发送给控制系统；控制系统，用于将所述监测数据发送给所述上位机，并在所述检测数据存在异常时，生成控制灭火模块执行灭任务的启动信号；灭火模块用于根据所述启动信号，执行灭火任务；上位机用于接收和展示控制系统发送的监测数据，并提供用户交互界面，以使得控制系统根据用户输入的控制信号，执行相应的操作。本发明可以智能判断锂电池试验箱内的检测数据，起到提前预警的作用，当出现火情时，可以自动启动灭火模块对火情进行控制，整个过程自动化程度高，可以有效防止火情恶化。

Description

锂电池试验箱的安全防护系统

技术领域

本发明涉及锂电池安全技术领域，具体地，涉及锂电池试验箱的安全防护系统。

背景技术

近年来政府对于新能源应用技术的大力推广，大批动力锂电池项目得到应用，但是，动力锂电池行业缺乏统一的规范和标准，导致整个行业生产企业管理水平良莠不齐，产品质量也存在很大的隐患。由锂离子电池引发的火灾甚至爆炸事故频繁发生，锂离子电池的安全问题引起了社会的高度关注。

锂电池试验作为锂电池生产、检验领域的重要一个环节，需要对锂电池进行各种极限性能测试包括过冲过放、高温试验、低温试验、热冲击等系列测试项目。在进行各种检测试验时，锂电池容易发生漏液、起火、爆炸等情况。由于锂离子动力电池组是由多个单体锂离子电池组合而成，当其中一块电池发生危险情况，常引起连锁反应。

现有的锂电池试验箱存在的不足主要表现为以下方面：

1)、火情监测功能也比较单一，往往采用一种单一的检测信号来判断火情进行灭火，如定温式探测温度某阈值则触发控制器进行报警，这容易出现漏报警等情况。

2)、没有现场监控及远程监控功能，不能实时监控火情和发现潜在隐患，延误了最佳灭火时机。

3)、通常没有自动灭火功能，需要操作人员通过试验箱观察窗观测锂电池的检测过程，如发现异常状态，需要人工切断电源，停止相关测试工作；如出现火情时，还要打开试验箱门，用上手持灭火装置进行灭火，容易造成有害气体泄漏及电池爆炸，威胁着操作人员的人身安全及造成公司的财产损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种锂电池试验箱的安全防护系统。

根据本发明提供的一种锂电池试验箱的安全防护系统，包括：火情监测模块、灭火模块、控制系统、上位机；所述火情监测模块、灭火模块、上位机分别与所述控制系统通信连接；其中：

所述火情监测模块，用于采集锂电池试验箱的监测数据，并将所述监测数据发送给所述控制系统；所述监测数据包括：锂电池试验箱的温度、空气质量；

所述控制系统，用于将所述监测数据发送给所述上位机，并在所述检测数据存在异常时，生成控制所述灭火模块执行灭任务的启动信号；

所述灭火模块，用于根据所述控制系统发送的启动信号，执行灭火任务；

所述上位机，用于接收和展示所述控制系统发送的监测数据，并提供用户交互界面，以使得所述控制系统根据用户输入的控制信号，执行相应的操作。

可选地，所述火情监测模块包括：温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、空气质量传感器、光电传感器，其中：

所述温度传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的温度；

所述烟雾传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的烟雾浓度；

所述火焰传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的火焰火光；

所述空气质量传感器，用于实时监测锂电池试验箱内的空气质量；

所述光电传感器，用于检测所述锂电池试验箱上的压力释放孔的状态。

可选地，所述灭火模块包括：储气钢瓶、容器阀、安装板、角铁架、挂钩、连接管、启动器，所述储气钢瓶通过挂钩安装在所述角铁架上，所述角铁架与所述安装板紧固连接，所述容器阀安装在所述储气钢瓶上并与连接管的一端相连，所述连接管的另一端安装有喷头，所述容器阀用于根据所述启动器的驱动信号控制所述储气钢瓶的通气口的开启和关闭；所述储气钢瓶内存储有灭火剂。

可选地，所述安装板采用钢板焊接成直角结构，且安装板的中部位置焊接有加强筋，所述安装板的侧面设置有多个孔位，所述孔为用于调节储气钢瓶的高度；所述角铁架采用横向角钢和竖向角钢焊接结构，切中所述竖向角钢安装于安装板上；所述连接管采用管径34mm通径28mm的无缝钢管，两端用管螺纹连接；所述喷头位于锂电池试验箱内的顶部；

当所述启动器开启容器阀通道时，所述储气钢瓶内的灭火剂通过连接管另一端的喷头喷入所述锂电池试验箱内。

可选地，还包括：接近开关，所述接近开关与所述控制系统电连接，所述接近开关安装在锂电池试验箱的箱门附近，用于检测所述锂电池试验箱的箱门的状态，并将所述箱门的状态发送给所述控制系统，以使得所述灭火模块仅在所述锂电池试验箱的箱门处于关闭状态时执行灭火任务。

可选地，还包括：电磁锁，所述电磁锁与所述控制系统电连接，所述电磁锁安装在所述锂电池试验箱的箱门附近，用于在所述锂电池试验箱内出现火情时，使得所述锂电池试验箱的箱门处于关闭状态。

可选地，还包括：声光报警器，所述声光报警器与所述控制系统电连接，所述声光报警器包括：蜂鸣器和不同颜色的警示灯，用于在所述锂电池试验箱发生火情时，发出警报信号。

可选地，所述控制系统包括：中央处理器CPU模块、电源模块、输入输出I/O模块、通信模块；所述CPU模块采用西门子S7控制器；所述电源模块提供电压24V的直流电；所述通信模块采用集成的PROFINET接口；所述通信模块通过以太网与所述上位机进行数据交互。

可选地，所述上位机包括：工控机、显示器，所述工控机采用工业级台式机，所述工控机的存储器上安装有监控软件，所述显示器用于实时显示所述锂电池试验箱的监测数据；

其中，所述监控软件在工控机上运行时，用于执行以下任一或者任多操作：

变换监测数据的显示界面、对监测数据进行分析和归档、对锂电池试验箱的安全防护系统进行故障诊断、向所述控制系统发送用户输入的控制信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的锂电池试验箱的安全防护系统，能够根据火情监测模块实时获取到所述锂电池试验箱内的各项监测数据，当出现监测数据异常时，通过所述控制系统进行分析，从而可以智能判断锂电池试验箱内的检测数据，起到提前预警的作用，当出现火情时，可以及时向上位机报告火情，并自动启动灭火模块对火情进行控制，整个过程自动化程度高，可以有效防止火情恶化。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的锂电池试验箱的安全防护系统的原理示意图；

图2为应用锂电池试验箱的安全防护系统进行防护的流程示意图；

图3为下位机可编程逻辑控制器PLC的接线示意图；

图4为本发明提供的锂电池试验箱的安全防护系统的结构示意图；

图5为本发明中灭火模块的结构示意图；

图6为本发明中角铁架和安装板的结构示意图。

图中：

1-锂电池试验箱；

2-灭火模块；

201-挂钩；

202-安装板；

203-角铁架；

204-启动器；

205-喷头；

206-连接管；

207-转接头；

208-压力传感器；

209-容器阀；

210-储气钢瓶；

3-接近开关；

4-电磁锁；

5-光电传感器；

6-声光报警器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明提供的锂电池试验箱的安全防护系统的原理示意图，如图1所示，所述系统可以包括：火情监测模块、灭火模块、控制系统、上位机；所述火情监测模块、灭火模块、上位机分别与所述控制系统通信连接；其中：

所述火情监测模块，用于采集锂电池试验箱的监测数据，并将所述监测数据发送给所述控制系统；所述监测数据包括：锂电池试验箱的温度、空气质量等等；

所述控制系统，用于将所述监测数据发送给所述上位机，并在所述检测数据存在异常时，生成控制所述灭火模块执行灭任务的启动信号；

所述灭火模块，用于根据所述控制系统发送的启动信号，执行灭火任务；

所述上位机，用于接收和展示所述控制系统发送的监测数据，并提供用户交互界面，以使得所述控制系统根据用户输入的控制信号，执行相应的操作。

可选地，所述火情监测模块包括：温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、空气质量传感器、光电传感器，其中：

所述温度传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的温度；

所述烟雾传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的烟雾浓度；

所述火焰传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的火焰火光；

所述空气质量传感器，用于实时监测锂电池试验箱内的空气质量；

所述光电传感器，用于检测所述锂电池试验箱上的压力释放孔的状态。

本实施例中，火情监测模块可以通过采用防火防爆耐高温外壳，安装于试验箱箱内顶面，所述火情监测模块能综合预警、报警，减少误报警及漏报警，起到前期提前预警的作用。当出现火情时，及时向控制系统发送异常监测数据，并可以实现全方位监视火情。

具体地，所述温度传感器检测试验箱内的实时温度，控制器中温度设置两个阈值；所述烟雾传感器检测箱内锂电池起火前后的烟雾；所述火焰传感器检测试验箱内火光；所述空气质量传感器检测电池泄漏的气体及起火后燃烧产生的气体；所述光电传感器安装于压力释放孔旁边，检测试验箱上的压力释放孔开启状态，当箱内由于非正常工作状态导致箱内压力剧增达到一定阈值时，位于恒温箱顶部的压力释放孔配备的塞子会发生行程位移，光电传感器检测到位移后的塞子。

可选地，所述控制系统包括：CPU模块、电源模块、I/O模块、通信模块；所述电源模块提供电压DC 24V；所述I/O模块为先使用CPU集成的I/O点数，超过了再扩展另外的I/O模块；所述通信模块先使用集成的PROFINET接口，需要多处连接的话可以通过交换机及另外的扩展通信模块，通过以太网通信连接控制器与工控机，实现上位机与控制器的通信。

可选地，所述上位机包括：工控机、监控软件、显示器等，上位机可以安放在现场或单独的办公环境下。所述监控软件以WinCC作为上位监控软件组态工具，通过组态一系列典型界面、设计变量来处理数据与归档、报警监视与归档、系统故障诊断、及远程操作电磁驱动器来灭火等手段,将试验箱的现场布局、试验数据和报警信息等直观地展示给操作人员；进行Web Server组态来实现试验箱运行过程的远程网页监控；所述显示器为工业等级显示器，适用于严苛的工业环境。

具体地，图3为下位机可编程逻辑控制器PLC的接线示意图，工控机为安装好window7操作系统的工业级台式机，通过以太网与下位机PLC通信。如图3所示，所述CPU模块选用西门子S7-1200CPU 1214C；DI数字量输入端接启动开关、停止开关、复位开关、烟雾检测、空气质量检测、火焰检测、泄压阀检测、箱门检测、灭火剂释放检测；模拟量AI输入端接温度检测；DO数字量输出端接绿灯、黄灯、红灯、蜂鸣器、电磁锁、继电器、灭火启动器。

可选地，所述灭火模块包括：储气钢瓶、容器阀、安装板、角铁架、挂钩、连接管、启动器，所述储气钢瓶通过挂钩安装在所述角铁架上，所述角铁架与所述安装板紧固连接，所述容器阀安装在所述储气钢瓶上并与连接管的一端相连，所述连接管的另一端安装有喷头，所述容器阀用于根据所述启动器的驱动信号控制所述储气钢瓶的通气口的开启和关闭；所述储气钢瓶内存储有灭火剂。

图4为本发明提供的锂电池试验箱的安全防护系统的结构示意图，图5为本发明中灭火模块的结构示意图，图6为本发明中角铁架和安装板的结构示意图；如图5所示，所述灭火模块包括：储气钢瓶210、容器阀209、安装板202、角铁架203、挂钩201、连接管206、转接头207、喷头205、启动器204、压力传感器208。灭火模块可以安装于锂电池试验箱的顶部，通过箱上开的工艺孔将灭火剂喷入箱内；所述20L储气钢瓶210用来储存10kg七氟丙烷灭火剂，七氟丙烷灭火剂对扑救锂电池火灾效果较佳且不易发生复燃；所述容器阀209安装在储存钢瓶210上，具有封充、释放、检测气压(通过压力表，可直接从压力表上看出储存瓶内的压力)、通过安全阀实现超压排放等功能。如图6所示，所述安装板202采用10mm钢板焊接成直角而成，中间焊上加强筋，侧面留多余孔位，便于调节所述储气钢瓶的高度；所述角铁架203采用两个50x50mm的角钢搭接成后焊接而成，横向的角钢头部设有U形槽结构，竖向角钢安装于安装板上。所述挂钩201顶端为圆环，圆环下为螺杆安装于储气钢瓶顶部，螺杆头方形挂在角铁架U型槽内；所述连接管206可以采用管径34mm通径28mm无缝钢管，两端用管螺纹连接；所述转接头207可以采用45x45mm方形钢块，该方形钢块右侧面和底面留出34mm高的突台并加工出管径使其连通，管口采用管螺纹。所述喷头205安装在连接管上，并设置在所述锂电池试验箱内的顶部，从而可以均匀喷洒灭火剂。所述启动器204采用电磁驱动器来开启容器阀通道，让灭火剂通过管道喷入试验箱内，也可以机械应急启动，拔出手动保险销，用力压下手动按钮，即可使启动瓶组阀门开启；所述压力传感器208安装于阀门出口处，当释放气体灭火剂时，气体压力推动压力传感器活塞，接通微动开关，使指示灯亮及上位机画面指示灯亮的来显示灭火器正在工作。

可选地，上述系统还可以包括：接近开关，所述接近开关与所述控制系统电连接，所述接近开关安装在锂电池试验箱的箱门附近，用于检测所述锂电池试验箱的箱门的状态，并将所述箱门的状态发送给所述控制系统，以使得所述灭火模块仅在所述锂电池试验箱的箱门处于关闭状态时执行灭火任务。

如图4所示，接近开关3安装于箱顶上箱门旁边，用于检测的试验箱门的关闭状态，为避免非工作状态误触发自动灭火装置，必须在系统检测到箱门关闭的情况下，才允许触发自动灭火装置，以及在箱门关闭的情况下，打开火情监测模块进行火情信息采集。具体地，接近开关3可以安装于箱门右上角的钣金件上，并在箱门上也安装一个钣金件，当关门后接近开关能检测到门上的钣金件，从而触发生成关门信号。

可选地，上述系统还可以包括：电磁锁，所述电磁锁与所述控制系统电连接，所述电磁锁安装在所述锂电池试验箱的箱门附近，用于在所述锂电池试验箱内出现火情时，使得所述锂电池试验箱的箱门处于关闭状态。

如图4所示，电磁锁4可以安装于箱顶的箱门旁边，在出现火情时能使试验箱门吸合住，防止门操作工人误开门而造成有害气体泄漏及电池爆炸。

可选地，上述系统还可以包括：声光报警器，所述声光报警器与所述控制系统电连接，所述声光报警器包括：蜂鸣器和不同颜色的警示灯，用于在所述锂电池试验箱发生火情时，发出警报信号。

如图4所示，声光报警器6可以安装于箱顶的左侧，通过特定声音和红、绿、黄光发出预警及报警信号，绿色表示系统正常运行，黄色表示预警信号，红色表示报警信号。当出现报警信号时蜂鸣器鸣叫。当火情排除后，可以手动关闭声光报警器6。

图2为应用锂电池试验箱的安全防护系统进行防护的流程示意图，如图2所示，当启动锂电池试验箱的安全防护系统后，系统初始化，首先检查试验箱门是否在关闭状态；当箱门处于关闭状态则启动火情监测模块和灭火模块，否则报警提示关闭箱门。火情监测模块实时采集火情，上位机实时显示火情状态，当出现温度达到第一阈值或有烟雾或空气质量异常则进行预警，在有预警的情况下温度达到第二阈值或有火焰则进行报警、切断电源、启动灭火器等工作，在检测到压力释放孔开启时，则直接进行报警、切断电源、启动灭火器等工作；压力传感器进行检测灭火剂是否喷出，如检测到则使指示灯亮进行灭火提示，否则报警提醒操作人员及监控人员；操作人员可以根据报警情况及监控界面进行判断可以进行手动按钮启动灭火，及在出现故障的情况下通过机械应急按钮启动灭火。

本发明，通过多传感器集成系统，复合预警、报警，起到前期提前预警，出现火情及时报警，全方位监视火情；当锂电池出现故障并开始泄压、发热、着火等情况时，系统可探测到异常变化，将火情发生的潜在阶段、发烟阶段、高温阶段及明火阶段通过控制系统及上位机发出预警信号，实现分级预警及控制启动灭火装置，系统可以智能判断并自动启动灭火装置以防止火情恶化，也可在紧急状态下由机械应急按钮启动灭火装置；监控系统采用上下位机协作模式，以PLC作为下位机处理核心,负责采集试验箱现场数据，以工控机作为上位机，对SCADA系统上位监控软件进行组态开发,通过组态一系列典型界面、设计变量来处理火情数据与归档、报警监视与归档、系统故障诊断、及远程控制灭火等手段,将试验箱的现场布局、火情采集数据和报警信息等直观地展示给操作人员，及组态Web Server来实现火情的远程网页监控。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，包括：火情监测模块、灭火模块、控制系统、上位机；所述火情监测模块、灭火模块、上位机分别与所述控制系统通信连接；其中：

所述火情监测模块，用于采集锂电池试验箱的监测数据，并将所述监测数据发送给所述控制系统；所述监测数据包括：锂电池试验箱的温度、空气质量；

所述控制系统，用于将所述监测数据发送给所述上位机，并在所述检测数据存在异常时，生成控制所述灭火模块执行灭任务的启动信号；

所述灭火模块，用于根据所述控制系统发送的启动信号，执行灭火任务；

所述上位机，用于接收和展示所述控制系统发送的监测数据，并提供用户交互界面，以使得所述控制系统根据用户输入的控制信号，执行相应的操作。

2.根据权利要求1所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，所述火情监测模块包括：温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、空气质量传感器、光电传感器，其中：

所述温度传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的温度；

所述烟雾传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的烟雾浓度；

所述火焰传感器，用于实时监测所述锂电池试验箱内的火焰火光；

所述空气质量传感器，用于实时监测锂电池试验箱内的空气质量；

所述光电传感器，用于检测所述锂电池试验箱上的压力释放孔的状态。

3.根据权利要求1所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，所述灭火模块包括：储气钢瓶、容器阀、安装板、角铁架、挂钩、连接管、启动器，所述储气钢瓶通过挂钩安装在所述角铁架上，所述角铁架与所述安装板紧固连接，所述容器阀安装在所述储气钢瓶上并与连接管的一端相连，所述连接管的另一端安装有喷头，所述容器阀用于根据所述启动器的驱动信号控制所述储气钢瓶的通气口的开启和关闭；所述储气钢瓶内存储有灭火剂。

4.根据权利要求3所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，所述安装板采用钢板焊接成直角结构，且安装板的中部位置焊接有加强筋，所述安装板的侧面设置有多个孔位，所述孔为用于调节储气钢瓶的高度；所述角铁架采用横向角钢和竖向角钢焊接结构，切中所述竖向角钢安装于安装板上；所述连接管采用管径34mm通径28mm的无缝钢管，两端用管螺纹连接；所述喷头位于锂电池试验箱内的顶部；

当所述启动器开启容器阀通道时，所述储气钢瓶内的灭火剂通过连接管另一端的喷头喷入所述锂电池试验箱内。

5.根据权利要求1所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，还包括：接近开关，所述接近开关与所述控制系统电连接，所述接近开关安装在锂电池试验箱的箱门附近，用于检测所述锂电池试验箱的箱门的状态，并将所述箱门的状态发送给所述控制系统，以使得所述灭火模块仅在所述锂电池试验箱的箱门处于关闭状态时执行灭火任务。

6.根据权利要求1所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，还包括：电磁锁，所述电磁锁与所述控制系统电连接，所述电磁锁安装在所述锂电池试验箱的箱门附近，用于在所述锂电池试验箱内出现火情时，使得所述锂电池试验箱的箱门处于关闭状态。

7.根据权利要求1所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，还包括：声光报警器，所述声光报警器与所述控制系统电连接，所述声光报警器包括：蜂鸣器和不同颜色的警示灯，用于在所述锂电池试验箱发生火情时，发出警报信号。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，所述控制系统包括：中央处理器CPU模块、电源模块、输入输出I/O模块、通信模块；所述CPU模块采用西门子S7控制器；所述电源模块提供电压24V的直流电；所述通信模块采用集成的PROFINET接口；所述通信模块通过以太网与所述上位机进行数据交互。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的锂电池试验箱的安全防护系统，其特征在于，所述上位机包括：工控机、显示器，所述工控机采用工业级台式机，所述工控机的存储器上安装有监控软件，所述显示器用于实时显示所述锂电池试验箱的监测数据；

其中，所述监控软件在工控机上运行时，用于执行以下任一或者任多操作：

变换监测数据的显示界面、对监测数据进行分析和归档、对锂电池试验箱的安全防护系统进行故障诊断、向所述控制系统发送用户输入的控制信号。