CN110038241B - 一种大容量锂离子电池储能箱火灾防控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大容量锂离子电池储能箱火灾防控系统，其特征在于系统由控制模块、通信模块、电源模块、灭火装置启动模块、传感器、自动灭火装置，传感器、灭火装置启动模块、电源模块、通信模块均与控制模块相连，自动灭火装置与灭火装置启动模块相连并受灭火装置启动模块控制启动，整个系统安装在锂离子电池箱内部空隙处；控制模块包括微控制单元、存储单元，存储单元中内置有火情预警判断算法程序和火灾数据模型。本发明的系统能够在电池箱内部紧邻锂离子电池或模组就近分布布署传感器，通过智能判断，能够在锂离子电池箱内部个别电芯发生热失控的早期，及时探知热失控的发生，及时预警，并在热失控引发火情时，及时报警并立即自动启动灭火装置释放灭火剂进行火情控制，主动抑制热失控扩展引发的后续火情，避免造成更大的灾难。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池储能和电动汽车技术领域，尤其是一种大容量锂离子电池储能箱火灾防控系统。
背景技术
锂离子电池作为方便清洁的高效储能方式，在新能源汽车、储能等领域得到了大规模的应用。锂离子电池从诞生起就一直伴随着易燃易爆等安全方面的困扰，特别是在直接关系到驾乘人员生命安全的新能源汽车领域，安全矛盾更为突出，几乎所有的电动汽车火灾事件都是与动力电池相关。电动汽车安全主控要素是动力电池的热失控和热失控扩展。热失控是指单体蓄电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象；而热失控扩展是指蓄电池包或系统内部的单体蓄电池或单体蓄电池单元热失控,并触发该蓄电池系统中相邻或其他部位蓄电池的热失控的现象。目前，行业内的火情控制产品主要是将传统的灭火防控装置经过改装应用到动力锂离子电池箱内部的热失控火情防控，这种方式的往往是在电池热失控扩散之后才能够发现火情，从外部进行被动灭火，不但错过了早期控制火情的时机，而且很难控制封装在电池箱内的电池火源，灭火效率差。同时灭火装置体积过大，不能直接安装在电池箱内部电池模组附近，通过管道输送灭火剂，系统复杂、长期运行可靠性差、维护工作量大、成本高，在机动车辆上安装不够经济实用。
中国发明专利公开号为CN105561503A提供的一种动力电池组专用灭火装置，其包括传感器、灭火器储罐、智能控制器和灭火剂喷头，此发明通过灭火器储罐对电池进行灭火，由于灭火器储罐上的快速启动阀比较复杂，所应用的水基灭火剂用量也比较多，灭火装置储罐只能独立安装于电池箱外，通过管路将灭火剂通入电池箱内，在车辆长期的运行过程中，不同步的振动将引起灭火装置储罐管路的故障，需要频繁检查维护。所述传感器安装在电池箱内单一固定位置，在大多数不能早期发现到单个电芯的热失控。
中国发明专利公开号为CN104784847A提供的一种电池箱专用自动灭火装置，其包括多个吸气式火灾探测器，用于探测每个电池箱内着火与否；至少两个灭火剂容器，该灭火剂容器的灭火剂输出口连接有灭火剂输送管网，该灭火剂输送管网包括总管路和与该总管路相连接的多个分管路，车辆的每个电池箱分别连接至少一分管路；总管路或灭火剂容器的灭火剂输出口安装有第一阀门，各个分管路分别安装有第二阀门；控制器，其与吸气式火灾探测器、第一阀门和第二阀门相连接，该控制器根据吸气式火灾探测器的探测结果控制各第一阀门、第二阀门开启与否。此发明所述方案需要在车辆上的电池箱外独立安装一套灭火剂存储和输送管路系统以及探测吸气系统，结构复杂，尤其在行业标准对电池箱的密封要求需要达到IP67标准的情况下，工程造价很高，同样在车辆的长期运行振动过程中，后期故障发生概率高及系统维护工作量大。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种对大容量锂离子电池储能箱的火情进行早期预警并进行早期主动控制的系统，克服目前电动汽车动力电池火情控制产品的不足，实现早期预警，精确火情控制，安装维护方便，安全可靠。
技术方案：
本发明公开了一种大容量锂离子电池储能箱火灾防控系统，系统由控制模块、通信模块、电源模块、灭火装置启动模块、传感器、自动灭火装置，传感器、灭火装置启动模块、电源模块、通信模块均与控制模块相连，自动灭火装置与灭火装置启动模块相连并受灭火装置启动模块控制启动，整个系统安装在锂离子电池箱内部空隙处；控制模块包括微控制单元、存储单元，存储单元中内置有火情预警判断算法程序和火灾数据模型。
优选的，控制模块设置有一个或多个连接插口，一个或多个传感器通过线束与连接插口相连，连接插口设置有防脱落锁紧装置；所述传感器为气体传感器、温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器中的一种或多种，传感器可分布安装在电池或电池模组表面或电池箱内有利于探测火情的位置。
优选的，自动灭火装置包括灭火剂、灭火剂储罐、复合灭火剂释放阀，灭火剂充装在灭火剂储罐内，所述灭火剂储罐为储压式，灭火剂储罐喷出口处安装有复合灭火剂释放阀，复合灭火剂释放阀封住灭火剂储罐喷出口，所述灭火剂为七氟丙烷、六氟丙烷、全氟己酮、混合气体、惰性气体等清洁气体灭火剂中的一种。
优选的，复合灭火剂释放阀包括密封塞、顶紧装置、支架和阀体，顶紧装置通过支架固定并将密封塞顶在阀门关闭位置，顶紧装置由上支撑片和下支撑片及二者中间通过易熔合金焊接而成，上支撑片和下支撑片焊接表面设有沟槽，内布有电热丝，电热丝表面覆盖绝缘膜，电热丝两端从上支撑片和下支撑片边缘引出接线作为灭火剂释放启动线，灭火剂释放启动线电连接灭火装置启动模块的输出端。
优选的，复合灭火剂释放阀阀体侧面安装有压力传感器，压力传感器与阀体内腔相通，用于实时监测灭火剂储罐内部的压力，压力传感器通过信号线将灭火剂储罐内部的压力信号传送至控制模块。
优选的，复合灭火剂释放阀顶部还安装有导流盘；复合灭火剂释放阀阀体上开有螺纹，复合灭火剂释放阀基于螺纹安装在灭火剂储罐上。
优选的，所述控制模块、通信模块、电源模块、灭火装置启动模块、传感器安装在电路板上，封装在壳体内，组成单体式锂离子电池箱火情防控装置，壳体上安装有工作状态和报警指示灯，锂离子电池箱火情防控装置安装在电池箱内部。
优选的，所述控制模块、通信模块、电源模块、灭火装置启动模块安装在电路板上，封装在壳体内，组成锂离子电池箱火情防控装置，壳体上安装有工作状态和报警指示灯，锂离子电池箱火情防控装置安装在电池箱外部，通过线束与锂离子电池箱内传感器相连。
优选的，所述锂离子电池箱火灾防控系统还包括显示操控模块，显示操控模块上设置有系统工作状态及预警级别显示屏、声光报警器、报警取消按钮、灭火装置强制启动按钮，显示操控模块安装在控制台上，通过线束与通信模块相连接。
优选的，火情预警判断算法程序根据火灾数据模型判断火情发生，火灾数据模型是通过对具体电池种类和成组方式的锂离子电池组进行热失控试验，将发生火情时传感器采集的数据进行统计计算获得，是一组火情判断标准的集合P，P由n组火情发生判断项Pi组成，每组判断项由所述一组或m组传感器的阈值和/或变化速率标准组成：
P＝{Pi},0＜i≤n；
Pi＝(dij,sij),0＜j≤m；
火情预警判断算法程序根据火灾数据模型判断火情发生，其步骤如下：
1)记录各个传感器实时采集到的环境数据d'j；
2)计算当前数据采集周期内环境数据d'j的变化速率s'j，获得当前传感器采集数据特征组合：
P'＝(d'j,s'j),0＜j≤m；
3)将P'与P中的每个判断项进行对比，如果当前的P'满足P中的任一判断项，则判断火情发生。
本发明的有益效果
本发明的系统能够在电池箱内部紧邻锂离子电池或模组就近分布布署传感器，通过智能判断，能够在锂离子电池箱内部个别电芯发生热失控的早期，及时探知热失控的发生，及时预警，并在热失控引发火情时，及时报警并立即自动启动灭火装置释放灭火剂进行火情控制，主动抑制热失控扩展引发的后续火情，避免造成更大的灾难。
本发明对灭火剂释放方式和阀结构进行了创新，灭火装置能够通过控制器判别火情自动启动(控制器通过灭火装置启动模块加载电流至灭火剂释放启动线加热融化易熔合金启动)、控制台强制灭火按钮主动启动(外界控制信号发送给控制器通过灭火装置启动模块加载电流至灭火剂释放启动线加热融化易熔合金启动)、灭火剂释放阀感应火情温度(易熔合金受热自然融化)被动启动三种方式释放灭火剂灭火，保障了火情控制的可靠性。在阀体上还配置了用于监测灭火剂储罐内部压力的压力传感器，避免了单独在储罐上安装压力表，并能够通过信号线在线监测储罐内的工作压力，提高了可靠性，方便了使用。本发明的阀体也比仅具备单一电启动功能的电磁阀体积更小、更可靠，电磁阀目前广泛应用于通过电信号释放灭火剂的灭火装置。
本发明对整个火灾防控系统做了小型化设计，将整个系统布署在电池箱内部的冗余空间内，不会对电池箱的设计做额外的改动，不破坏电池箱的整体结构，这在行业标准对电池箱整体防水密封性有较高要求的情况下尤其重要。
本系统采用模块化设计，可以同时采集分析多路传感器信号，能够根据电池箱内的电池特性、电池箱的空间结构大小，灵活分布式配置传感器的位置和数量，还能够根据需要可选配置多个灭火装置，对灭火算法和模型都够进行在线升级和调整，系统性价比高，能够最大限度的发挥系统的效率和功效。
本系统的电源模块自带蓄电池，能够在车载系统断电后仍然在几天时间内保持全周期的预警和火灾防控。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图
图2是本发明中复合灭火剂释放阀的示意图
图3是本发明中复合灭火剂释放阀上安装的顶紧装置的示意图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1：一种大容量锂离子电池储能箱火灾防控系统，系统由控制模块1、通信模块2、电源模块3、灭火装置启动模块4、传感器5、自动灭火装置，传感器5、灭火装置启动模块4、电源模块3、通信模块2均与控制模块1相连，自动灭火装置与灭火装置启动模块4相连并受灭火装置启动模块4控制启动，整个系统安装在锂离子电池箱内部空隙处；控制模块1包括微控制单元、存储单元，存储单元中内置有火情预警判断算法程序11和火灾数据模型12。
为了便于说明本发明，实施例中使用的各元器件的来源和型号为：
微控制单元：SPC 5643LFF2MLQ1
存储单元：24LC512-I/SN
灭火装置启动模块4：G6s-2-Y(5DC)
通信模块2：TJA1040
电源模块3：VRA-ZP-10WR3
当然，使用其他来源和型号的元器件也可以实现本发明的目的。
具体的，控制模块1设置有一个或多个连接插口，一个或多个传感器5通过线束与连接插口相连，连接插口设置有防脱落锁紧装置；所述传感器为气体传感器(TGS5141)、温度传感器(LMT01-Q1)、烟雾传感器(NCP-180SH)、火焰传感器(P11120-201)中的一种或多种，传感器可分布安装在电池或电池模组表面或电池箱内有利于探测火情的位置。
控制模块1接收各个传感器5采集到的气体、温度、烟雾环境特征变化数据，应用火情预警判断算法11，根据火灾数据模型12判断电池箱内的电芯是否有热失控出现、周边环境是否有火情发生，根据判断通过通信模块2发出预警信号，在严重热失控发生或有火情发生时，通过灭火装置启动模块4，向相连接的灭火装置发送启动电信号，相应的复合灭火剂释放阀8释放灭火剂进行灭火。
具体的，自动灭火装置包括灭火剂6、灭火剂储罐7、复合灭火剂释放阀8，灭火剂6充装在灭火剂储罐7内，所述灭火剂储罐7为储压式，灭火剂储罐7喷出口处安装有复合灭火剂释放阀8，复合灭火剂释放阀8封住灭火剂储罐喷出口，所述灭火剂为七氟丙烷、六氟丙烷、全氟己酮、混合气体、惰性气体等清洁气体灭火剂中的一种。
具体的，复合灭火剂释放阀8包括密封塞814、顶紧装置、支架808和阀体，顶紧装置通过支架808固定并将密封塞814顶在阀门关闭位置，顶紧装置由上支撑片801和下支撑片802及二者中间通过易熔合金803焊接而成，上支撑片801和下支撑片802焊接表面设有沟槽，内布有电热丝804，电热丝804表面覆盖绝缘膜，电热丝804两端从上支撑片801和下支撑片802边缘引出接线作为灭火剂释放启动线805，灭火剂释放启动线805电连接灭火装置启动模块4的输出端。
具体的，复合灭火剂释放阀8阀体侧面安装有压力传感器806，压力传感器806与阀体内腔812相通，用于实时监测灭火剂储罐内部的压力，压力传感器806通过信号线807将灭火剂储罐内部的压力信号传出至控制模块1，用于监测灭火剂储罐处于良好的储压工作状态。
具体的，复合灭火剂释放阀8顶部还安装有导流盘809；复合灭火剂释放阀8阀体上开有螺纹811，复合灭火剂释放阀8基于螺纹811安装在灭火剂储罐7上。
作为第一种实施方式，所述控制模块1、通信模块2、电源模块3、灭火装置启动模块4、传感器5安装在电路板上，封装在壳体101内，组成单体式锂离子电池箱火情防控装置，壳体101上安装有工作状态和报警指示灯，锂离子电池箱火情防控装置安装在电池箱102内部。
作为第二种实施方式，所述控制模块1、通信模块2、电源模块3、灭火装置启动模块4安装在电路板上，封装在壳体内，组成锂离子电池箱火情防控装置，壳体上安装有工作状态和报警指示灯，锂离子电池箱火情防控装置安装在电池箱外部，通过线束与布署在锂离子电池箱内的传感器5相连。
具体的，所述锂离子电池箱火灾防控系统还包括显示操控模块9，显示操控模块9上设置有系统工作状态及预警级别显示屏、声光报警器、报警取消按钮、灭火装置强制启动按钮，显示操控模块安装在控制台上，通过线束与通信模块2相连接。
通信模块2支持标准CAN总线通信协议，可以接通车载CAN总线，将预警信号发送给显示操控模块，显示操控模块将通过声光报警指示信号，向车辆驾乘人员发出报警，如果驾乘人员判断有必要，可以按下手动灭火按钮，强制启动灭火装置进行灭火。
具体的，火情预警判断算法程序11根据火灾数据模型12判断火情发生，火灾数据模型12是通过对具体电池种类和成组方式的锂离子电池组进行热失控试验，将发生火情时传感器采集的数据进行统计计算获得，是一组火情判断标准的集合P，P由n组火情发生判断项Pi组成，每组判断项由所述一组或m组传感器5的阈值和/或变化速率标准组成：
P＝{Pi},0＜i≤n；
Pi＝(dij,sij),0＜j≤m；
火情预警判断算法程序11根据火灾数据模型12判断火情发生，其步骤如下：
1)记录各个传感器实时采集到的环境数据d'j；
2)计算当前数据采集周期内环境数据d'j的变化速率s'j，获得当前传感器采集数据特征组合：
P'＝(d'j,s'j),0＜j≤m；
3)将P'与P中的每个判断项进行对比，如果当前的P'满足P中的任一判断项，则判断火情发生。
作为一个具体实例，本系统将用于针对某类型三元电池包的火情防控，经过理论计算和试验数据统计和验证，火情预警判断算法程序11如下：
P1＝(d’1≥d11)；
P2＝(d’2≥d22)∧(s’2≥s22)∧(d’3≥d23)；
P3＝(d’2≥d32)∧(s’1≥s31)；
其中：
d’1：当前环境温度值；
d’2：当前环境特征气体浓度值；
d’3：当前环境烟雾值；
s’1：当前环境温度增长速率；
s’2：当前环境特征气体浓度增长速率；
火情预警判断算法程序根据如下表达式判断火情发生：
F＝P1∨P2∨P3；
综上所述，其算法解释是，当前温度d'1达到阈值d11时；或当前环境特征气体浓度值d'2达到阈值d22，且当前环境特征气体浓度变化速率值s'2达到阈值s22，且当前烟雾浓度d'3达到阈值d23时；或当前环境特征气体浓度值d'2达到阈值d32，且当前环境温度增长速率s'1达到阈值s31，则判断火情发生。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种大容量锂离子电池储能箱火灾防控系统，其特征在于系统由控制模块(1)、通信模块(2)、电源模块(3)、灭火装置启动模块(4)、传感器(5)、自动灭火装置，传感器(5)、灭火装置启动模块(4)、电源模块(3)、通信模块(2)均与控制模块(1)相连，自动灭火装置与灭火装置启动模块(4)相连并受灭火装置启动模块(4)控制启动，整个系统安装在锂离子电池箱内部空隙处；控制模块(1)包括微控制单元、存储单元，存储单元中内置有火情预警判断算法程序(11)和火灾数据模型(12)；自动灭火装置包括灭火剂(6)、灭火剂储罐(7)、复合灭火剂释放阀(8)，灭火剂(6)充装在灭火剂储罐(7)内，所述灭火剂储罐(7)为储压式，灭火剂储罐(7)喷出口处安装有复合灭火剂释放阀(8)，复合灭火剂释放阀(8)封住灭火剂储罐喷出口；
复合灭火剂释放阀(8)包括密封塞(814)、顶紧装置、支架(808)和阀体，顶紧装置通过支架(808)固定并将密封塞(814)顶在阀门关闭位置，顶紧装置由上支撑片(801)和下支撑片(802)及二者中间通过易熔合金(803)焊接而成，上支撑片(801)和下支撑片(802)焊接表面设有沟槽，内布有电热丝(804)，电热丝(804)表面覆盖绝缘膜，电热丝(804)两端从上支撑片(801)和下支撑片(802)边缘引出接线作为灭火剂释放启动线(805)，灭火剂释放启动线(805)电连接灭火装置启动模块(4)的输出端；复合灭火剂释放阀(8)阀体侧面安装有压力传感器(806)，压力传感器(806)与阀体内腔(812)相通，用于实时监测灭火剂储罐内部的压力，压力传感器(806)通过信号线(807)将灭火剂储罐内部的压力信号传送至控制模块(1)；复合灭火剂释放阀(8)顶部还安装有导流盘(809)；复合灭火剂释放阀(8)阀体上开有螺纹(811)，复合灭火剂释放阀(8)基于螺纹(811)安装在灭火剂储罐(7)上；
所述锂离子电池箱火灾防控系统还包括显示操控模块(9)，显示操控模块(9)上设置有系统工作状态及预警级别显示屏、声光报警器、报警取消按钮、灭火装置强制启动按钮，显示操控模块安装在控制台上，通过通信线束与通信模块(2)相连接；
火情预警判断算法程序(11)根据火灾数据模型(12)判断火情发生，火灾数据模型(12)是通过对具体电池种类和成组方式的锂离子电池组进行热失控试验，将发生火情时传感器采集的数据进行统计计算获得，是一组火情判断标准的集合P，P由n组火情发生判断项Pi组成，每组判断项由所述一组或m组传感器(5)的阈值和/或变化速率标准组成：
P＝{Pi},0<i≤n；
Pi＝(dij,sij),0<j≤m；
火情预警判断算法程序根据火灾数据模型(12)判断火情发生，其步骤如下：
1)记录各个传感器实时采集到的环境数据d'j；
2)计算当前数据采集周期内环境数据d'j的变化速率s'j，获得当前传感器采集数据特征组合：
P'＝(d'j,s'j),0<j≤m；
将P'与P中的每个判断项进行对比，如果当前的P'满足P中的任一判断项，则判断火情发生。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于控制模块(1)设置有一个或多个连接插口，一个或多个传感器(5)通过线束与连接插口相连，连接插口设置有防脱落锁紧装置；所述传感器为气体传感器、温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述控制模块(1)、通信模块(2)、电源模块(3)、灭火装置启动模块(4)、传感器(5)安装在电路板上，封装在壳体(101)内，组成单体式锂离子电池箱火情防控装置，壳体(101)上安装有工作状态和报警指示灯，锂离子电池箱火情防控装置安装在电池箱(102)内部。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述控制模块(1)、通信模块(2)、电源模块(3)、灭火装置启动模块(4)安装在电路板上，封装在壳体内，组成锂离子电池箱火情防控装置，壳体上安装有工作状态和报警指示灯，锂离子电池箱火情防控装置安装在电池箱外部，通过线束与安置在锂离子电池箱内的传感器(5)相连。
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