CN110013626A - 一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略，由起火参数监测模块、灭火剂储存模块以及灭火剂喷射模块共同组成。检测模块通过多种传感器对动力电池在热失控和起火时的多种参数进行监测，并通过BMS分析和评价电池的起火程度。结合预设的灭火剂喷射策略，针对电池起火特征，快速识别起火位置，并且为不同起火程度的动力电池模组选择不同的灭火剂组合方式以及喷射方式，从而使有限的车载灭火剂可以最大程度地发挥灭火作用，提升灭火效果，为电动汽车使用过程中的人身财产安全提供了极大保障。

Description

一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略
技术领域
本发明针对动力锂离子电池起火现象进行了灭火系统的相关设计，具体是一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略。
背景技术
锂离子电池具有能量密度大、输出电压高、循环寿命长、环境污染小、无记忆性等优点，已经在电动汽车、航空航天、潜艇等动力领域上展现出了广阔的应用前景。但电动汽车火灾、爆炸事故的频发不仅给人们的生命财产带来威胁，还限制了电动汽车的发展与推广。
动力电池的起火主要是由其自身设计与使用材料的缺陷、工作过程中局部个体的电热滥用及机械滥用现象造成的，如：内部短路、热冲击、外部短路、过充电、挤压、穿刺和撞击等。同时，由于电解液和电极活性材料在热失控过程中会发生剧烈的化学反应，电池内部自产氧气，故锂离子电池火灾一般具有持续时间长、温度高、灭火难度大等特点。如果局部起火的电池不能够被及时控制和处理，火焰会极快地蔓延到整个电池包，进而造成整车的起火燃烧，此时的火灾将无法被控制。
鉴于上述分析，从选择高效灭火剂和快速扑灭局部起火电池的角度设计合理的电池灭火系统和灭火策略，如今被视为提高电池灭火效率，减少其火灾危害的有效方法之一。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明提供一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略。该理念和技术方案可以为电动汽车上各种形状及各种材料体系动力锂离子电池包提供消防灭火，应用对象主要是电池包内起火的局部电池，目的在于利用合理的灭火剂快速精准灭火且最大程度地保护电池。本设计对灭火剂的种类、用量、喷射时刻进行了合理设计，既可以优化车载灭火装置的重量和体积，又可以提高灭火速度和灭火效果，有效改善电动汽车在使用过程中的安全问题。
一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，由电池热失控及起火监测系统，复合灭火剂储存系统，灭火剂喷射系统以及分级喷射控制策略共同构成。监测模块的多种传感器(8)(10)用于监测电池的安全状态并判断电池的起火参数是否超过安全阈值，并将信号传递给复合式灭火剂的储存与喷射系统。复合式灭火剂储存系统分别由CO2(4)、全氟已酮液体(2)以及去离子水(3)构成，三种灭火剂被集中放置在储存箱(1)中。对应的管路(5)分别连接到电池箱(7)内部上方的多个喷嘴(9)上。通过预设的分级控制策略根据电池(6)燃烧和起火程度的大小选择灭火剂的种类和喷射方式(独立喷射、复合喷射)对起火电池进行快速的抑制和冷却。
所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：CO2灭火剂罐采用标准商业气体灭火剂罐的规格和用量。全氟已酮液体灭火剂的携带量是基于电池模组标称能量以及其汽化潜热等参数估算得出的，去离子水的携带质量与灭火剂的携带质量相同，具体的计算过程如下：
Q＝1.5×U×C
M水＝M灭火剂
Q为电池起火释放的总热量，U为电池模组的标称电压，C为电池模组的标称容量，M为灭火剂的携带质量，r为灭火剂的相变潜热，V为灭火剂的需求体积，ρ为灭火剂的密度)。以容量为60Ah三元电池并联模组为例，该轿车需要携带质量为13.25Kg，体积为8.28dm3的全氟已酮灭火剂以及质量为13.25Kg，体积为13.25dm3的去离子水。
所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：CO2灭火剂、全氟已酮以及去离子水均被分装在各自的储存罐内，并集成在电池箱外的灭火剂储存箱中。灭火剂的输送和喷射均是相互独立的，每一个管路上均设有电磁阀。
所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：起火参数监测模块设置在电池箱内部，模块由多个烟雾浓度传感器、温度传感器、电压传感器以及红外火焰传感器共同构成。BMS对各种传感器的上传数据进行综合分析，判断电池的热失控情况、起火位置和起火程度，并基于预设的控制策略选择相应的灭火剂种类和喷射方式，并将执行信号传递给灭火系统。
所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：温度传感器以及电压传感器设置在每一个电池模组附件上，红外火焰传感器设置在电池箱内部左右两侧，烟雾传感器设置在电池箱内部上侧。
所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：三种灭火剂喷嘴集成在一起，被固定在电池箱上侧预留的灭火剂喷嘴卡槽上。灭火剂喷嘴卡槽共有六个，其数量可以根据电池模组的数量进行更改。气体喷嘴的有效喷射距离大于等于2.0m；液体喷嘴的有效喷射距离大于等于1m，雾化颗粒度小于等于40μm。
所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：
多种灭火剂在各种起火条件下的种类选择与喷射方式如下表所示：
所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略，其特征在于：灭火系统可以对多处起火电池进行独立的识别与分析，并根据起火程度分别选择灭火策略对火焰进行抑制。
附图说明
图1为一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略的执行流程。
图2为一种车载锂离子电池包分级式灭火系统及其控制策略的结构示意图。
图中：1-灭火剂储存箱、2-CO2灭火剂罐、3-全氟已酮灭火剂罐、4-去离子水罐、5-灭火剂输送管路、6-动力电池以及数据采集模块、7-电池箱、8-红外火焰传感器、9-灭火剂喷嘴、10-烟雾浓度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：
如图所示，该系统由起火监测模块、灭火剂储存模块以及灭火剂喷射模块共同组成。起火检测模块具有多个温度传感器、烟雾传感器(10)、红外火焰传感器(8)以及电压传感器，对电池箱(7)中电池模组(6)的温度、产生的烟雾浓度、火焰的强度以及电压进行实时监测。灭火剂储存模块由CO2气体灭火剂罐(4)、全氟已酮液体灭火剂罐(2)以及去离子水罐(3)共同构成，并被集中置放在储存箱(1)内。灭火剂喷射模块有多个集成喷嘴(9)共同构成，分别布置在电池箱内部的上方，喷嘴与储存瓶之间通过软管(5)连接。
一种车载锂离子电池包分级式灭火系统的工作原理是：当电池箱中个别电池模组由于滥用行为而发生热失控和起火行为时，检测模块会通过综合分析电池模组的温度、上方烟雾浓度、火焰亮度以及电压信号，对电池的起火程度进行判断，并根据预设的灭火剂喷射策略采取相应的灭火剂种类和喷射方法。
灭火剂储存系统中三种灭火剂分别储存，输出流量分别由灭火剂管路上的电磁阀进行控制和调节。各种灭火剂的用量均仅适用于电池模组，意在通过精准、及时地在局部电池发生起火时对其进行完全抑制，从而在提高灭火效率的同时降低车载灭火系统的体积和重量，保证车辆的能量密度和整车的制造成本。
三种灭火剂针对不同程度的起火分别具有其灭火优势。CO2气体可以有效降温和隔离氧气；全氟已酮灭火剂具有优秀的流动性能、电绝缘性能；去离子水气化潜热大，可以快速对起火电池进行降温。喷射方式可以根据灭火剂的种类选择分为两种：交替喷射以及持续喷射。灭火系统会根据起火程度做出选择，从而使有限的车载灭火剂可以最大程度地发挥灭火作用，并尽可能地减少起火和灭火过程对电池包中未起火电池的损害。
当电池未发生热失控，但已经具有发生隐患时，采用气体灭火剂进行冷却，气体可对电池降温，从而进行有效防范，并可以最大程度地保护其他正常电池。当电池温度过高，电池泄压阀打开，产生烟雾并具有微弱火焰时，采用CO2和全氟已酮，既可以通过气体灭火剂进行降温和稀氧，又可以通过全氟已酮对起火时的电化学反应进行抑制。当电池温度过高，热失控已经不可控时，同时喷射CO2、全氟已酮和去离子水，对电池内部燃烧反应进行快速抑制。
当灭火系统对电池箱内的起火程度评价为IV级别及以上时，除了采取预设的策略进行喷射外，起火源周围电池上侧的灭火剂喷嘴也会同时喷射CO2气体，对周围电池进行降温并抑制火焰的扩散与传播。灭火系统检测可以对多处起火现象同时进行识别，并根据每一处的起火程度进行灭火策略的独立选择。
当起火程度达到Ⅰ级时，仪表盘上会显示故障标识；Ⅱ.当起火程度达到Ⅱ级时，车辆会发生烟雾警报，全部车门锁自动打开。安全报警可以及时地提醒驾驶员，保证其及时处理车辆并安全逃生。

Claims (8)

1.一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于，由电池热失控及起火监测系统，复合灭火剂储存系统，灭火剂喷射系统以及分级喷射控制策略共同构成；监测模块的多种传感器用于监测电池的安全状态并判断电池的起火参数是否超过安全阈值，并将信号传递给复合式灭火剂的储存与喷射系统；复合式灭火剂储存系统分别由CO2(4)、全氟已酮液体(2)以及去离子水(3)构成，三种灭火剂被集中放置在储存箱(1)中；对应的管路(5)分别连接到电池箱(7)内部上方的多个喷嘴(9)上；通过预设的分级控制策略根据电池(6)燃烧和起火程度的大小选择灭火剂的种类和喷射方式对起火电池进行抑制和冷却。
2.根据权利要求1所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：
CO2灭火剂罐采用标准商业气体灭火剂罐的规格和用量；全氟已酮液体灭火剂的携带量是基于电池模组标称能量以及其汽化潜热估算得出的，去离子水的携带质量与灭火剂的携带质量相同，具体的计算过程如下：
Q＝1.5×u×C
M水＝M灭火剂
Q为电池起火释放的总热量，U为电池模组的标称电压，C为电池模组的标称容量，M为灭火剂的携带质量，r为灭火剂的相变潜热，V为灭火剂的需求体积，ρ为灭火剂的密度。
3.根据权利要求1所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：CO2灭火剂、全氟已酮以及去离子水均被分装在各自的储存罐内，并集成在电池箱外的灭火剂储存箱中；灭火剂的输送和喷射均是相互独立的，每一个管路上均设有电磁阀。
4.根据权利要求1所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：起火参数监测模块设置在电池箱内部，模块由多个烟雾浓度传感器、温度传感器、电压传感器以及红外火焰传感器共同构成；BMS对各种传感器的上传数据进行综合分析，判断电池的热失控情况、起火位置和起火程度，并基于预设的控制策略选择相应的灭火剂种类和喷射方式，并将执行信号传递给灭火系统。
5.根据权利要求1所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：温度传感器以及电压传感器设置在每一个电池模组附件上，红外火焰传感器设置在电池箱内部左右两侧，烟雾传感器设置在电池箱内部上侧。
6.根据权利要求1所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：三种灭火剂喷嘴集成在一起，被固定在电池箱上侧预留的灭火剂喷嘴卡槽上。灭火剂喷嘴卡槽至少有六个；气体喷嘴的有效喷射距离大于等于2.0m；液体喷嘴的有效喷射距离大于等于1m，雾化颗粒度小于等于40μm。
7.根据权利要求1所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：
多种灭火剂在各种起火条件下的种类选择与喷射方式如下表所示：
8.根据权利要求1所述的一种车载锂离子电池包分级式灭火系统，其特征在于：
灭火系统对多处起火电池进行独立的识别与分析，并根据起火程度分别选择灭火策略对火焰进行抑制。
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