CN109364399A - 一种锂离子电池模块热失控的灭火阻断装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种适用于锂离子电池组的灭火阻断装置及其实现方法，适用于存在锂离子电池组使用的场所，特别适用于锂离子电池热失控前期的温度控制和对热失控发生后产生的火势的扑灭。包括检温系统、控制判断系统、热关断系统、热失控阻断系统、氮气灭火系统、液氮灭火系统和报警系统；检温系统、控制判断系统、热关断系统和热失控阻断系统依次相连；控制判断系统经第一控制阀与氮气灭火系统相连；控制判断系统经第二控制阀与液氮灭火系统相连；报警系统与控制判断系统相连。实现了对热失控的阻断的自动控制，且效果明显。

Description

一种锂离子电池模块热失控的灭火阻断装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种适用于锂离子电池组的灭火阻断装置及其实现方法，适用于存在锂离子电池组使用的场所，特别适用于锂离子电池热失控前期的温度控制和对热失控发生后产生的火势的扑灭。

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。

但同时锂离子电池的安全性问题也受到了广泛的关注。研究结果表明开放体系下锂离子电池热失控不易传播；而类似锂电池组这种封闭散热较差的环境，由于单体产生的热量难以散发到环境中，单体爆炸所产生的火焰与喷射出的电芯物质对周围单体产生更大的影响，因而热失控容易传播。由此看出，在锂电池单体发生热失控时，对热失控的预警和阻断显得尤为重要。热失控传播阻断技术能阻断热失控从失控单体向周围单体传播，以将锂离子电池安全问题对电池组的损害、人员的伤害，以及附带的破坏作用降至最低。

目前，针对锂离子电池热失控研究主要还是偏向于锂电池单体方面，从锂电池单体方面考虑引起锂电池热失控的因素主要有：外部短路，内部短路和外部高温。而在锂电池组中除了要考虑以上因素外，还应考虑单体锂电池热失控时会向相邻锂电池传播热量，从而导致整个锂电池组热失控的发生，从而产生更大的危害。

目前对单体电池间热失控时热量的传播主要通过增加锂电池组内单体电池间间距和利用相变材料（PCM）的吸热特性对热失控的电池所产生的热量进行控制和消除。

人们主要利用液态惰性气体的冷却作用和吸热效应进行前期的控制；在热失控后期，主要采用向电池模块大范围喷淋液氮、高压制冷剂来对发生热失控的电池进行灭火和控温处理。

大多数研究成果针对锂电池组的热失控控制方面都是通过对热失控的整个锂电池组进行灭火和降温处理，但锂电池组的热失控的发生往往都是由于单个锂电池发生热失控后传播至相邻电池，从而导致更严重的灾害后果。目前没有针对上述情况的有效、科学的阻断灭火装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种适用于锂离子电池组的灭火阻断装置及其实现方法，针对最先发生热失控的单体电池，使热失控在电池组中单个电池间传播之前对之进行阻断，从而阻止锂离子电池组的热失控发生；并能在热失控起火后进行扑救和冷却。

本发明是采取以下技术方案实现的：

适用于锂离子电池组的灭火阻断装置包括检温系统、控制判断系统、热关断系统、热失控阻断系统、氮气灭火系统和报警系统；检温系统、控制判断系统、热关断系统和热失控阻断系统依次相连；氮气灭火系统经控制阀与控制判断系统相连；报警系统与控制判断系统相连。

检温系统用于采集锂离子电池组中每个电池模块的温度，随后将温度信号转换为电压信号反馈到控制判断系统；控制判断系统将所述电压信号转化为温度值，并用该温度值与设定的温度限值进行对比后经过故障逻辑判断，控制判断系统控制触发报警系统报警，同时控制热关断系统断开电路，热阻断系统动作，从而将热失控的锂电池模块与相邻电池模块隔开，防止热失控在锂电池组的电池模块间进一步的传播；当温度达到设定发生热失控温度限值时，控制判断系统控制氮气灭火系统动作，使用氮气进行高流速吹扫处理，从而有效控制了热失控的继续发生，对最先发生热失控的锂电池模块进行降温灭火处理。

检温系统包括检温电路，将温度变化信息转化为电压信号，便于监控电池温度升降变化；所述检温电路由若干个子检测电路组成，子检测电路由热敏电阻和分压电阻串联组成，热敏电阻探头设置在电池表面，用于检测电池的温度变化。

每个子检测电路分别与一个电池模块相连；其中热敏电阻选用MF52型号。

控制判断系统采用微处理器作为核心部件，所述微处理器采用单片机；控制判断系统用于对输入的信号作出判断，并发出指令。

热关断系统具有充电过温关断电路，所述充电过温关断电路应用晶体管和PTAT电流源的温度效应，产生位于正向150℃处、反向120℃处发生跳变的具有施密特触发特性的输出信号，用该输出信号控制系统输出的关断，只要芯片温度超过设定值，保护电路就关断输出级，使芯片得到保护。

热失控阻断系统包括绝热外壳、电磁铁、底座、弹簧和衔铁，绝热外壳由绝热隔板组成，绝热隔板表面覆盖有绝热材料可以有效阻挡热失控发生后热量向相邻电池的传播，绝热外壳与底座间通过弹簧相连接，在绝热外壳上设有衔铁；所述电磁铁置于锂电池模块上部，与衔铁相正对；在电路导通的情况下电磁铁吸附绝热外壳上部布置的衔铁，使绝热外壳置于锂电池组上方；当电路关断时，电磁铁线圈内电流消失，电磁铁对绝热外壳的吸附力消失，也即锂电池组中某单个锂电池模块处于即将出现热失控或刚发生初步热失控时的临界温度时，绝热外壳立即落下将热失控电池模块与其相邻未失控电池模块进行绝热隔断，使得即使热失控已不能控制而继续发展时，也可及时阻断向相邻未失控电池模块的传播。

氮气灭火系统包括氮气罐、气泵、输气管道和废气储罐，氮气罐与气泵相连接，气泵出口处与输气管道的进气端相连接，气体从氮气罐处输出后通过气泵控制进入输气管道进气端后，将绝热外壳内锂电池热失控产生的气体经吹扫后由输气管道出气端排出至废气储罐。

所述氮气罐进气端的输气管道将绝热外壳、气泵和储气罐连接起来，在绝热外壳和气泵处的输气管道之间设置有一个过滤器，防止电池热失控产生的废气内固体颗粒通过管道进入气泵堵塞泵体；在绝热外壳的另一侧设置有出气管道，出气管道处于常开状态，负责在绝热外壳落下后，热失控前期产生的大量气体的排出以及用来吹扫的氮气的排出，使热失控发生后外壳内含氧量处于极低的状态，从而有效控制热失控的进一步扩大，通过窒息法对发生热失控的锂电池进行灭火处理。

在所述气泵和绝热外壳之间的输气管道上设有与控制阀相连的阀门，阀门用于开启或关闭惰气罐和绝热外壳之间的通路。

本发明装置的灭火阻断方法，包括如下步骤：

1）将待监控的锂离子电池组放入底座内；

2）检温系统通过设置在锂电池表面的热敏电阻探头采集到步骤1）所述的锂离子电池组中每个电池模块的温度，随后将温度信号转换为电压信号反馈到控制判断系统；

3）控制判断系统将步骤2）传来的电压信号经过控制判断系统内部的数模转换器处理后，进一步转化成温度值，并用该温度值与设定的温度限值进行对比，从而得出故障逻辑判断结果。

步骤3）中所述的对比包括如下步骤：

3-1）若所得温度数值达到55℃限值时，触发报警系统报警；

3-2）若所得温度数值达到80℃限值时，触发报警系统报警的同时，热关断系统断开电路，热阻断系统中绝热隔板落下将即将热失控的锂电池模块与相邻电池模块隔开，防止热失控在锂电池组间进一步的传播；

3-3）若温度仍进一步升高到达120℃限值，开启阀门，同时气泵开启，进气口开始进行高流速的氮气吹扫降温，将热失控产生的大量气体通过出气通道排出至废气储罐；同时通过吹扫后有效地控制了热失控的继续发生。

本发明的有益效果：

本发明作为一种适用于锂离子电池热失控时抑制阻断热失控传播并对热失控电池进行灭火处理的装置，对热失控的阻断效果明显，而且可以实现自动控制；可以检测到锂电池电池组中每个单独电池的温度变化等优点。装置可以安装在锂电池组外部，其能够在锂离子电池组热失控发生初期或即将发生热失控及时隔断热量在失控锂离子电池模块与其相邻未失控电池模块间传播，使热失控或即将热失控的电池模块与其他未失控电池模块隔绝开，并及时对热失控的电池产生的大量高温气体进行排放和吹扫降温并对热失控的电池进行灭火处理，以达到防止热失控的进一步发展进而导致整个电池组的不可控火灾的目的。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的结构原理框图；

图2是本发明热阻断系统截面图；

图3是本发明氮气灭火系统的俯视框架图；

图4是本发明氮气灭火系统的侧视框架图；

图5是以五个由五个电池模块组成的锂电池组为例的检温电路图，将检测到的信号反馈至控制判断系统；

图6是热关断系统中充电过温关断电路的电路图。

图中：1、绝热外壳，2、电磁铁，3、衔铁，4、弹簧，5、进气口，6、锂电池模块（由若干锂电池单体串联或并联组成），7、热敏电阻探头，8、底座，9、废气储罐，10、阀门，11、控制阀，12、氮气罐，13、气泵。

具体实施方式

参照附图1~2，适用于锂离子电池组的灭火阻断装置包括检温系统、控制判断系统、热关断系统、热失控阻断系统、氮气灭火系统和报警系统；检温系统、控制判断系统、热关断系统和热失控阻断系统依次相连；控制判断系统经控制阀与氮气灭火系统相连；报警系统与控制判断系统相连。

图2~图4所示，热失控阻断系统包括绝热外壳1、电磁铁2、底座8、弹簧4和衔铁3，绝热外壳1由绝热隔板组成，绝热隔板表面覆盖有绝热材料可以有效阻挡热失控发生后热量向相邻电池模块的传播，绝热外壳1与底座8间通过弹簧4相连接，在绝热外壳1上设有衔铁3；所述电磁铁2置于锂电池模块6上部，与衔铁3相正对；在电路导通的情况下电磁铁2吸附绝热外壳1上部布置的衔铁3，使绝热外壳1置于锂电池组上方；当电路关断时，电磁铁2线圈内电流消失，电磁铁2对绝热外壳1的吸附力消失，也即锂电池组中某单个锂电池模块处于即将出现热失控或刚发生初步热失控时的临界温度时，绝热外壳1立即落下，将热失控电池模块与其相邻未失控电池模块进行绝热隔断，使得即使热失控已不能控制而继续发展时，也可及时阻断向相邻未失控电池模块的传播。

图5所示，检温系统包括检温电路，将温度变化信息转化为电压信号，便于监控电池温度升降变化；所述检温电路由若干个子检测电路组成，子检测电路由热敏电阻RT和分压电阻R串联组成，热敏电阻RT探头接在锂电池模块的表面检测电池的温度变化。

在本实施例中，每个子检测电路分别与一个电池模块相连；其中热敏电阻RT选用MF52型号。

控制判断系统采用微处理器作为核心部件，所述微处理器采用单片机；控制判断系统用于对输入的信号作出判断，并发出指令。

单片机采用市售的C8051F330，是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列；该种微处理器极限参数中：环境温度最小值-55℃，最大值125℃；储存温度最小值-65℃，最大值150℃，能满足锂电池热失控发生时临界温度的要求。

图6所示，热关断系统具有充电过温关断电路，所述充电过温关断电路应用晶体管和PTAT电流源的温度效应，产生位于正向150℃处、反向120℃处发生跳变的具有施密特触发特性的输出信号，用该输出信号控制系统输出的关断，只要芯片温度超过设定值，保护电路就关断输出级，使芯片得到保护。

PTAT电流即与绝对温度成正比的电流，用符号表示。正常温度时，NMOS管M9导通，电阻被短接，此时 （A点电压和电阻R2的电压相同），晶体三极管Q1集电极电压为高电平，保护电路输出为低电平。当温度升高时，降低（晶体三极管Q1基极与发射极电压），随电流的升高而升高，当 时，晶体三极管Q1导通；当温度到达热关断阈值时，晶体三极管Q1进入深度保护区，从而使晶体三极管Q1集电极电压从高电平变为低电平，保护电路输出变为高电平，此时NMOS管M9关断，电阻R3不再被短接，（A点电压为电阻R2和电阻R3上的电压之和），所以当工作温度逐渐降低时，需要降到热关断阈值TR以下的重启温度TL时，才能使，晶体三极管Q1截止，晶体三极管Q1的集电极电位输出高电平，保护电路输出低电平。NMOS管M9和电阻R3的配合使用实现了电路的温度迟滞特性。

所述绝热外壳选用纳米微孔隔热板；纳米微孔隔热板是基于纳米微孔原理研制而成，主要成分是纳米级硅酸钛（）等无机粉末，经特殊工艺及专利粘结剂混合而成。具有常温下比静止空气还低的导热系数，是一种目前绝热性能绝佳的高温固体绝热材料。

图3和图4所示，氮气灭火系统包括氮气罐12、气泵13、输气管道和废气储罐9，氮气罐12与气泵13相连接，气泵13出口处与输气管道的进气端相连接，气体从氮气罐12处输出后通过气泵控制进入输气管道进气端后，将绝热外壳内锂电池热失控产生的气体经吹扫后由输气管道出气端排出至废气储罐9，同时通过高流速的氮气吹扫对已发生热失控的电池模块进行灭火处理。

所述氮气罐12进气端的输气管道将绝热外壳1、气泵13和废气储罐9连接起来，绝热外壳1和气泵13处的输气管道之间设置有一个过滤器，防止电池热失控产生的废气内固体颗粒通过管道进入气泵13堵塞泵体；在绝热外壳1的另一侧设置有出气管道，出气管道处于常开状态，负责在绝热外壳1落下后，热失控前期产生的大量气体的排出以及用来高流速吹扫灭火的氮气的排出，使热失控发生后绝热外壳1内含氧量处于极低的状态，从而有效控制热失控的进一步扩大，进而起到灭火的作用。

在所述气泵13和绝热外壳1之间的输气管道上设有与控制阀11相连的阀门10，阀门10用于开启或关闭氮气罐12和绝热外壳1之间的通路。

下面以五个电池模块组成的锂电池组为例，具体说明实施步骤，主要可以分为以下几个实施步骤：

1.所设锂电池组中2号电池模块温度发生了变化，通过布置于电池表面的热敏电阻的探头检测到温度变化信号，将温度变化引起的对应热敏电阻的电阻变化转化为热敏电阻处电压变化，再将这一电压信号反馈传递到控制判断系统；

2.控制判断系统接收到传递来的电压信号后通过其里面根据导入的热敏电阻阻值与温度关系的图表数据的数模转换器处理后，又被转换成了明确的温度值。随即与设定的两个限定温度值55℃和80℃进行对比，进行下一步指令输出；

3.当温度值达到55℃时控制判断系统控制报警系统被触发，LED灯闪烁，通知相关人员注意观测对应电池的温度变化。当温度值达到80℃时，控制判断系统触发报警系统，LED灯闪烁并且蜂鸣器发出响声，同时通过热关断系统断开电路使电磁铁线圈内电流减小，电磁铁对绝热隔板顶部衔铁吸附力迅速减小，通过隔热板与底座间的弹簧拉力，使得隔热板立即落下将即将有热失控危险的锂电池模块与其相邻电池模块隔开，从而阻断了热失控锂电池的热量与周边的传递；

4.若温度仍继续升高，说明电池可能发生了热失控或者即将发生热失控，气泵打开进行惰性气体的高流速的降温吹扫以及将热失控产生的大量气体通过出气通道排出至废气储罐，同时降低模块内氧气含量，对已发生热失控的电池进行灭火处理。

Claims (10)

1.一种适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：包括检温系统、控制判断系统、热关断系统、热失控阻断系统、氮气灭火系统和报警系统；检温系统、控制判断系统、热关断系统和热失控阻断系统依次相连；控制判断系统经控制阀与氮气灭火系统相连；报警系统与控制判断系统相连；

检温系统用于采集锂离子电池组中每个电池模块的温度，随后将温度信号转换为电压信号反馈到控制判断系统；控制判断系统将所述电压信号转化为温度值，并用该温度值与设定的温度限值进行对比后经过故障逻辑判断，控制判断系统控制触发报警系统报警，同时控制热关断系统断开电路，热阻断系统动作，从而将热失控的锂电池与相邻电池隔开，防止热失控在锂电池组间进一步的传播；当温度达到初期设定温度限值时，控制判断系统控制氮气灭火系统动作，进行高流速氮气吹扫。

2.根据权利要求1所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：检温系统包括检温电路，将温度变化信息转化为电压信号，便于监控电池温度升降变化；所述检温电路由子检测电路组成，子检测电路由热敏电阻和分压电阻串联组成；所述热敏电阻探头设置在电池的电极表面，用于检测电池的温度变化。

3.根据权利要求2所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：每个子检测电路分别与一个电池模块相连。

4.根据权利要求1所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：控制判断系统采用微处理器作为核心部件，所述微处理器采用单片机；控制判断系统用于对输入的信号作出判断，并发出指令。

5.根据权利要求1所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：热失控阻断系统包括绝热外壳、电磁铁、底座、弹簧和衔铁，绝热外壳由绝热隔板组成，绝热隔板表面覆盖有绝热材料用于阻挡热失控发生后热量向相邻电池的传播，绝热外壳与底座间通过弹簧相连接，在绝热外壳上设有衔铁；所述电磁铁置于电池上部，与衔铁相正对；在电路导通的情况下电磁铁吸附绝热外壳上部布置的衔铁，使绝热外壳置于锂电池组上方。

6.根据权利要求1所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：氮气灭火系统包括氮气罐、气泵、输气管道和废气储罐，氮气罐与气泵相连接，气泵出口处与输气管道的进气端相连接，气体从氮气罐处输出后通过气泵控制进入输气管道进气端后，将绝热外壳内锂电池热失控产生的气体经吹扫后由输气管道出气端排出至废气储罐。

7.根据权利要求6所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：在绝热外壳和气泵处的输气管道之间设置有一个过滤器，防止电池热失控产生的废气内固体颗粒通过管道进入气泵堵塞泵体；在绝热外壳的另一侧设置有出气管道。

8.根据权利要求6所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置，其特征在于：在所述气泵和绝热外壳之间的输气管道上设有与控制阀相连的阀门，阀门用于开启或关闭氮气罐和绝热外壳之间的通路。

9.权利要求1所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将待监控的锂离子电池组布置于底座内；

2）检温系统通过设置在锂电池电极表面的热敏电阻探头采集到步骤1）所述的锂离子电池组中每个电池模块的温度，随后将温度信号转换为电压信号反馈到控制判断系统；

3）控制判断系统将步骤2）传来的电压信号经过控制判断系统内部的数模转换器处理后，进一步转化成温度值，并用该温度值与设定的温度限值进行对比，从而得出故障逻辑判断结果。

10.根据权利要求9所述的适用于锂离子电池组的灭火阻断装置的灭火阻断方法，其特征在于，所述步骤3）中所述的对比操作，包括如下步骤：

3-1）若所得温度数值达到55℃限值时，触发报警系统报警；

3-2）若所得温度数值达到80℃限值时，触发报警系统报警的同时，热关断系统断开电路，热阻断系统中绝热隔板落下将即将热失控的锂电池与相邻电池隔开，防止热失控在锂电池组间进一步的传播；

3-3）若温度仍进一步升高到达120℃限值，开启阀门，同时气泵开启，进气口开始进行高流速的氮气吹扫降温，将热失控产生的大量气体通过出气通道排出至废气储罐；有效地控制了热失控的继续发生并起到灭火的作用。