CN110690513B - 一种电池热失控状态检测控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种电池热失控状态检测控制装置及方法，用于电池舱的热失控状态检测与控制，包括报警显示单元、1～256个检测控制单元和灭火器；所述的报警显示单元和检测控制单元通过CAN总线或RS485总线连接，每个检测控制单元连接控制独立的灭火器；所述的报警显示单元安装在有人值守的位置，显示各个检测控制单元的报警状态，当接收到检测控制单元报警报文时，有声光报警提示，并控制灭火器喷射灭火剂灭火。本发明方法灭火时机较早，可在热失控初期进行控制，实现舱内灭火，分阶段多次喷射灭火剂，灭火效果好，能够有效抑制复燃。

Description

一种电池热失控状态检测控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电池热失控状态检测控制装置及方法，用于电池舱(箱)的热失控状态检测与控制，属于电池安全领域。
背景技术
随着新能源电动汽车和电池储能行业的大力发展，锂电池的应用越加广泛，在给人们带来便利的同时，电池着火事件也时有发生。锂电池发生安全事故，与电池内部构成物质和电池使用方式直接相关。电池在使用过程中，特别是电池的滥用，比如电池过充电、过放电、外部短路、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，因而造成电池热失控，若不有效制止，最终将导致电池着火或爆炸，造成严重的安全事故。
锂电池热失控过程是温度由低到高的渐变过程，分为启动、加速、失控三个阶段。如何准确、快速的判定电池热失控状态是电池灭火的核心技术。目前热失控的判定多采用单一传感器信息源，如温度感应线，无法快速准确判定电池热失控状态，存在误报或漏报现象，检测时机较晚，无法在热失控早期进行干预控制。
锂电池火灾不同于一般火灾，反应活泼，可自身提供氧气，且电池箱空间狭小，结构紧凑，不宜散热。目前市场上常用电池灭火多采用单一单个灭火器，如干粉灭火器，当检测到火灾时一次性喷射灭火。灭火效果差，抑制时间短，复燃概率相对较高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种电池热失控状态检测控制装置及方法，该检测控制装置由报警显示单元、检测控制单元和灭火器组成。具有检测时机早、灭火效果好、有效抑制复燃等特点。
本发明的技术方案是：一种电池热失控状态检测控制装置，包括报警显示单元、1～256个检测控制单元和灭火器；所述的报警显示单元和检测控制单元通过CAN总线或RS485总线连接，每个检测控制单元连接控制独立的灭火器；所述的报警显示单元安装在有人值守的位置，显示各个检测控制单元的报警状态，当接收到检测控制单元报警报文时，有声光报警提示，并控制灭火器喷射灭火剂灭火。
所述的检测控制单元安装在电池箱内，实时采集电池箱内环境信息，包括温度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器和火焰传感器，根据传感器数值综合判定电池热失控状态报警等级。
所述报警等级分为三个等级：三级报警表示电池组出现异常情况，可以手动喷射灭火器；二级报警表示电池组已经发生了热失控，检测控制单元将自动喷射灭火剂；一级报警最为严重，检测控制单元将自动喷射灭火剂。
电池温度检测通过贴片式温度传感器实现，检测范围-50～300℃，检测精度±0.5℃；温度传感器实现安装在电池表面或电池极耳处，检测控制单元中的温度传感器实时采集电池温度，当温度超过设定的阈值或温度变化率过快时，进行系统报警。
设定单体温度阈值为70℃，温度变化率为2℃/s。
所述可燃气体传感器采用半导体式气体传感器，检测甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、硫化氢气体；检测量程0～50000ppm，分辨率50ppm，精度±5％。
所述烟雾传感器采用光电式或离子式传感器检测，检测量程0.10～0.25dB/m，精度±5％；当检测到烟雾含量超过设定的阈值时，通过总线发送报警报文，
设定烟雾含量报警阈值为0.15dB/m。
所述火焰传感器对电池箱进行不间断的监测，把火灾特征参数及时准确地检测出来并报警；火焰传感器在其他传感器不能对电池初期灭火判断起作用时，作为电池火灾最终判断依据，同时发送报警报文。
所述灭火器安装在电池箱内；灭火器设计为多脉冲喷射灭火，具体由4个灭火弹Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，分为两组，Ⅰ、Ⅱ为一组，Ⅲ、Ⅳ为一组；灭火剂采用不同种类的灭火介质，灭火弹Ⅰ、Ⅱ采用储压设计，内装气体灭火剂七氟丙烷，用于抑制初爆发生和降低初爆规模，设计压力不高于2.5MPa，容积大于200ml，单发灭火弹释放，灭火剂浓度不低于20％，高于七氟丙烷最低灭火浓度；灭火弹Ⅲ、Ⅳ内装冷气溶胶灭火剂，对燃烧反应进行物理窒息、气相化学抑制、固相化学抑制，设计压力不高于0.8MPa，灭火空间不小于2m3。
一种电池热失控状态检测控制方法，步骤如下：
步骤1：检测控制单元实时采集电池箱内温度、烟雾、可燃气体和火焰传感器数据；同时，将传感器数据通过报文发送至报警显示单元；
步骤2：报警显示单元接收并解析检测控制单元发送的报文，保存传感器数据；同时，将本次采集到的传感器数据与前一次采集的传感器数据相比较，得到数据变化速率；
步骤3：报警显示单元根据传感器数值和变化速率综合判定该电池箱热失控状态，并在显示屏上显示报警状态；
步骤4：报警显示单元根据报警等级发送灭火控制报文，无报警则执行步骤2，三级报警则执行步骤5，二级报警则执行步骤6，一级报警则执行步骤7；
步骤5：报警显示单元判定是否人为按下手动灭火操作：是，则执行步骤6；否，则不动作；
步骤6：报警显示单元发送灭火器Ⅰ、Ⅱ喷射指令；
步骤7：报警显示单元发送灭火器Ⅲ、Ⅳ喷射指令；
步骤8：检测控制单元根据报警显示指令控制灭火器喷射。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明电池热失控状态检测采用多传感器融合技术，实时采集电池舱(箱)内电池的温度、烟雾、可燃气体及火焰，通过热失控分析算法进行电池安全状态评估，判定准确，减少漏报误报几率。根据判定结果，控制灭火器喷射灭火，同时进行通信报警。灭火器由多个灭火弹组成，一般至少包括4个灭火弹，分阶段独立控制，根据电池热失控状态喷射，灭火效果好，且维持时间长，可针对不同时期的火灾，提供不同灭火介质进行阻燃抑爆，效果比单一灭火介质更好，能够有效抑制复燃。可手动喷射灭火，热失控严重阶段报警自动喷射；保证系统可靠运行。
附图说明
图1电池热失控状态检测控制装置系统组成图；
图2电池热失控状态检测控制流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明包括报警显示单元、检测控制单元和灭火器。所述的报警显示单元和检测控制单元通过CAN总线或RS485总线连接，一套电池热失控状态检测控制装置包括一个显示报警单元和1～256个检测控制单元，每个检测控制单元连接控制独立的灭火器。
所述的报警显示单元安装在有人值守的位置，显示各个检测控制单元的报警状态，当接收到检测控制单元报警报文时，有声光报警提示。同时提供灭火器手动控制喷射按键，长按超过5秒，可人为主动控制喷射灭火剂。
所述的检测控制单元安装在电池箱(舱)内，实时采集电池箱(舱)内环境信息，包括温度、烟雾、可燃气体和火焰传感器，根据传感器数值综合判定电池热失控状态报警等级。设定报警分为三个等级：三级报警表示电池组出现异常情况，可以手动喷射灭火器；二级报警表示电池组已经发生了热失控，检测控制单元将自动喷射灭火剂；一级报警最为严重，检测控制单元将自动喷射灭火剂。
下面具体阐述电池热失控状态检测和控制方法。
1.电池热失控状态检测
电池热失控状态检测包括温度检测、烟雾检测、可燃气体检测及火焰检测，检测控制单元通过传感器将信号采集并传至报警显示单元中进行综合判断。由报警显示单元按照预先设定的阈值进行电池状态判断，判断电池处于启动、加速、失控哪个时期，并启动不同的灭火器喷射灭火剂，对电池进行降温及火焰隔离，阻止电池的链式反应发生。热失控状态检测主要包括以下四方面：
(1)温度检测
电池温度检测通过贴片式传感器实现，测量精准，稳定性好，性能可靠，成本低。检测范围-50～300℃，检测精度±0.5℃。可安装在电池表面或电池极耳处，检测控制单元实时采集，当温度超过设定的阈值或温度变化率过快时，进行系统报警，初步设定单体温度阈值为70℃，温度变化率为2℃/s。
(2)可燃气体检测
气体传感器采用半导体式气体传感器，利用气体吸附于该半导体表面而产生的电导率变化测量检测气体的成分和浓度。具有灵敏度高、响应速度快等优点，可以检测甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、硫化氢等可燃性气体。检测量程0～50000ppm，分辨率50ppm，精度±5％。
(3)烟雾
实时采集电池箱内烟雾含量，采用光电式或离子式传感器，检测电池箱内烟雾颗粒浓度。检测量程0.10～0.25dB/m，精度±5％。当检测到烟雾含量超过设定的阈值时，通过总线发送报警报文，初步设定烟雾含量报警阈值为0.15dB/m。
(4)火焰检测
火焰传感器对电池箱进行不间断的监测，把火灾特征参数及时准确地检测出来并报警。由于传感器安装于密闭电池包内部，干扰光作用有限，只需选取反应时间较快的普通火焰传感器即可，火焰传感器在前几种传感器不能对电池初期灭火判断起作用时，作为电池火灾最终判断依据，同时发送报警报文。
2.灭火控制
检测控制单元实时采集电池箱内环境参数，通过热失控模型算法进行分析计算。根据分析结果判定报警等级，一般将报警等级分为三级：三级报警等级最低，一级报警等级最高。详细判定过程如下。
当电池箱内温度异常，或有少量可燃气体或烟雾，触发三级报警，报警显示单元只提示有异常，不主动喷射灭火剂，应人为主动检查确认电池状态。此时可通过报警显示单元手动控制喷射灭火剂。
当电池箱内电池出现发热、肿胀异常情况时，探测到电池箱内一氧化碳、甲烷、氢气等可燃气体增多，当可燃气体含量或烟雾浓度达到设定值时，触发二级报警，显示报警单元进行声光报警提示，同时启动灭火器Ⅰ、Ⅱ，喷射气体灭火剂，初爆灭火剂选用七氟丙烷，七氟丙烷灭火剂瞬间膨胀吸热，湮灭电池箱内锂电池。一方面对电池箱进行物理降温，降低初爆发生的概率，另一方面通过化学抑制，降低初爆对电池箱的破坏程度。
灭火剂采用不同种类的灭火介质，一般至少为两种，针对不同时期的火灾，提供不同灭火介质进行阻燃抑爆。灭火弹Ⅰ、Ⅱ采用储压设计，内装气体灭火剂七氟丙烷，主要用于抑制初爆发生和降低初爆规模。设计压力不高于2.5MPa，容积大于200ml，单发灭火弹释放，灭火剂浓度不低于20％，高于七氟丙烷最低灭火浓度(8.3％)。灭火弹Ⅲ、Ⅳ内装冷气溶胶灭火剂，对燃烧反应进行物理窒息、气相化学抑制、固相化学抑制。其灭火速度快，是普通干粉灭火效率的6～10倍，是七氟丙烷的10倍，是二氧化碳的12倍以上。设计压力不高于0.8MPa，灭火空间不小于2m3。
当“初爆”发生后，火灾探测系统探测到可燃气含量和温度剧烈波动等信号，则启动抑爆器Ⅲ、Ⅳ，喷射灭火介质，对“二次燃爆”进行抑制；并防止复燃，防止初爆引发临近电池燃烧。
二爆抑制器内装冷气溶胶灭火剂。启动后，喷出的气体温度低，形成以氮气、二氧化碳和平均粒径不超过5μm的悬浮颗粒组成。这些气体及自由基粒子，形成了冷气溶胶灭火剂，阻止二次爆燃反应。灭火后，只要保持空间内冷气溶胶灭火剂的有效灭火浓度不降低，当火场温度下降至燃点以下后就不会发生复燃，因此可有效防止引燃临近的电池。
如图2所示，本发明一种电池热失控状态检测控制方法，步骤如下：
步骤1：检测控制单元实时采集电池箱(舱)内温度、烟雾、可燃气体和火焰等传感器数据。同时，将传感器数据通过报文发送至报警显示单元。
步骤2：报警显示单元接收并解析检测控制单元发送的报文，保存传感器数据。同时，将本次采集到的传感器数据与前一次采集的传感器数据相比较，得到数据变化速率。
步骤3：报警显示单元根据传感器数值和变化速率综合判定该电池箱(舱)热失控状态，并在显示屏上显示报警状态。
步骤4：报警显示单元根据报警等级发送灭火控制报文，无报警则执行步骤2，三级报警则执行步骤5，二级报警则执行步骤6，一级报警则执行步骤7。
步骤5：报警显示单元判定是否人为按下手动灭火操作：是，则执行步骤6；否，则不动作。
步骤6：报警显示单元发送灭火器Ⅰ、Ⅱ喷射指令。
步骤7：报警显示单元发送灭火器Ⅲ、Ⅳ喷射指令。
步骤8：检测控制单元根据报警显示指令控制灭火器喷射。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种电池热失控状态检测控制装置，其特征在于：包括报警显示单元、1~256个检测控制单元和灭火器；所述的报警显示单元和检测控制单元通过CAN总线或RS485总线连接，每个检测控制单元连接控制独立的灭火器；所述的报警显示单元安装在有人值守的位置，显示各个检测控制单元的报警状态，当接收到检测控制单元报警报文时，有声光报警提示，并控制灭火器喷射灭火剂灭火；
所述的检测控制单元安装在电池箱内，实时采集电池箱内环境信息，包括温度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器和火焰传感器，根据传感器数值综合判定电池热失控状态报警等级；
电池温度检测通过贴片式温度传感器实现，检测范围-50～300℃，检测精度±0.5℃；温度传感器实现安装在电池表面或电池极耳处，检测控制单元中的温度传感器实时采集电池温度，当温度超过设定的阈值或温度变化率过快时，进行系统报警；
所述可燃气体传感器采用半导体式气体传感器，检测甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、硫化氢气体；检测量程0～50000ppm，分辨率50ppm，精度±5%；
所述烟雾传感器采用光电式或离子式传感器检测，检测量程0.10～0.25dB/m，精度±5%；当检测到烟雾含量超过设定的阈值时，通过总线发送报警报文；
所述火焰传感器对电池箱进行不间断的监测，把火灾特征参数及时准确地检测出来并报警；火焰传感器在其他传感器不能对电池初期灭火判断起作用时，作为电池火灾最终判断依据，同时发送报警报文；
所述报警等级分为三个等级：三级报警表示电池组出现异常情况，手动喷射灭火器；二级报警表示电池组已经发生了热失控，检测控制单元将自动喷射灭火剂；一级报警最为严重，检测控制单元将自动喷射灭火剂；
当电池箱内温度异常，或有少量可燃气体或烟雾，触发三级报警，
当电池箱内电池出现发热、肿胀异常情况时，探测到电池箱内一氧化碳、甲烷、氢气气体增多，当可燃气体含量或烟雾浓度达到设定值时，触发二级报警，显示报警单元进行声光报警提示，同时启动灭火器Ⅰ、Ⅱ，喷射气体灭火剂，初爆灭火剂选用七氟丙烷，七氟丙烷灭火剂瞬间膨胀吸热，湮灭电池箱内锂电池；
当初爆发生后，火灾探测系统探测到可燃气含量和温度剧烈波动信号，则启动抑爆器Ⅲ、Ⅳ的一级报警，喷射灭火介质，对二次燃爆进行抑制；
所述灭火器安装在电池箱内；灭火器设计为多脉冲喷射灭火，具体由4个灭火弹Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，分为两组，Ⅰ、Ⅱ为一组，Ⅲ、Ⅳ为一组；灭火剂采用不同种类的灭火介质，灭火弹Ⅰ、Ⅱ采用储压设计，内装气体灭火剂七氟丙烷，用于抑制初爆发生和降低初爆规模，设计压力不高于2.5MPa，容积大于200ml，单发灭火弹释放，灭火剂浓度不低于20%，高于七氟丙烷最低灭火浓度；灭火弹Ⅲ、Ⅳ内装冷气溶胶灭火剂，对燃烧反应进行物理窒息、气相化学抑制、固相化学抑制，设计压力不高于0.8MPa，灭火空间不小于2m3。
2.根据权利要求1所述的一种电池热失控状态检测控制装置，其特征在于：设定单体温度阈值为70℃，温度变化率为2℃/s。
3.根据权利要求1所述的一种电池热失控状态检测控制装置，其特征在于：设定烟雾含量报警阈值为0.15dB/m。
4.一种电池热失控状态检测控制方法，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述的电池热失控状态检测控制装置，所述方法还包括如下步骤：
步骤1：检测控制单元实时采集电池箱内温度、烟雾、可燃气体和火焰传感器数据；同时，将传感器数据通过报文发送至报警显示单元；
步骤2：报警显示单元接收并解析检测控制单元发送的报文，保存传感器数据；同时，将本次采集到的传感器数据与前一次采集的传感器数据相比较，得到数据变化速率；
步骤3：报警显示单元根据传感器数值和变化速率综合判定该电池箱热失控状态，并在显示屏上显示报警状态；
步骤4：报警显示单元根据报警等级发送灭火控制报文，无报警则执行步骤2，三级报警则执行步骤5，二级报警则执行步骤6，一级报警则执行步骤7；
步骤5：报警显示单元判定是否人为按下手动灭火操作：是，则执行步骤6；否，则不动作；
步骤6：报警显示单元发送灭火弹Ⅰ、Ⅱ喷射指令；
步骤7：报警显示单元发送灭火弹Ⅲ、Ⅳ喷射指令；
步骤8：检测控制单元根据报警显示指令控制灭火器喷射。
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