CN111092269A - 一种锂离子电池箱抑爆装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池箱抑爆装置，包括主控制模块、状态检测模块、冷却模块、气体置换模块；状态检测模块包括第一温度传感器、多功能气体探测组件，多功能气体探测组件包括CO传感器、H2传感器、VOC传感器、O2传感器，用于实时监测电池箱内的易燃物含量、助燃物含量；气体置换模块包括气体发生器和抽气装置；主控制模块用于接收状态检测模块提供的检测信息，通过与提前设定的阈值进行比较，决定是否要开启冷却模块和/或气体置换模块。由此，本发明的锂离子电池箱抑爆装置对着火三要素中的助燃物、易燃物和温度同时进行干涉，对锂电池的热失控情况干涉效果好，安全性更高。本发明还公开了两种锂离子电池箱抑爆方法。
Description
技术领域
本发明涉及电池消防领域，尤其涉及一种锂离子电池箱抑爆装置及锂离子电池箱抑爆方法。
背景技术
电动汽车电池使用不当易造成自燃甚至起火爆炸，所以电动汽车的电池寿命及安全性是消费者最为关心的重点。
电动汽车电池现在主要有磷酸铁锂和三元锂电池。在汽车电动化的初期选择磷酸铁锂路线，主要是基于磷酸铁锂电池的高安全性。随着市场对长续航里程、高能量密度的追逐，三元电池逐渐成为热捧对象，但组成三元电池的三元材料在高温分解后会产生氧气，起火后很难控制。
为了确保电动汽车的安全，中国工信部发布了《关于开展新能源汽车安全隐患排查工作的通知》中提出“电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5分钟，应提供一个热事件报警信号，提醒乘员疏散。
现有技术方案应对锂电池火灾主要是由热气溶胶或者六氟丙烷等灭火器组成。热气溶胶灭火气体发生剂是一种由氧化剂、还原剂、燃烧速度控制剂和粘合剂组成的固体化学混合物。在热作用下，灭火气体中的气化金属离子、阳离子可以与燃烧中的活性基团发生亲和反应，反复大量消耗活性基团，减少燃烧自由基，高效吸收并中和火焰中的燃烧自由基，从而达到化学抑制灭火作用。灭火气体中包裹着固体颗粒形成的气溶胶，可以长时间悬浮、散布到各个角落，以一种全淹没的方式灭火。锂电池尤其是三元锂电发生热失控时，化学反应非常剧烈，释放氧气，现有技术为了防止电池箱爆炸，选择用不活跃的气体持续性地对电池箱内气体进行置换，将三元电池热失控情况下析出的氧气的浓度降到爆炸阈值以下，防止电池箱爆炸，但是由于三元电池单个电芯发生热失控后，其自身温升非常快，若不加以处理，其产生的热量会引发旁边其他电芯也发生热失控，导致越来越多的电芯发生热失控，释放氧气，形成连锁反应，所以仅仅采用降低氧气浓度的方式，只能抑制爆炸的产生，但是却不能阻止三元电池热失控的连锁反应，不能从根源上对热失控加以控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种锂离子电池箱抑爆装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种锂离子电池箱抑爆装置，包括主控制模块及与主控制模块电连接的状态检测模块、冷却模块、气体置换模块；
所述状态检测模块包括第一温度传感器、多功能气体探测组件，所述第一温度传感器设于所述电池箱内；所述气体探测组件设于电池箱的内部，用于实时监测电池箱内可燃气体含量及助燃气体含量；
所述冷却模块用于给电池箱内降温；
所述气体置换模块用于将电池箱内的可燃气体和/或助燃气体排出电池箱；
所述主控制模块用于接收状态检测模块提供的检测信息，通过与提前设定的阈值进行比较，决定是否要开启冷却模块和/或气体置换模块。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
同时对起火三要素中的三大因素进行干涉，即降低温度又置换掉助燃物和易燃物，对电池箱的热失控的管理更有效，更安全。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述气体置换模块包括经管路连接在一起的气体发生器和抽气装置，所述抽气装置的抽气口经气体管路连接至电池箱内，所述气体发生器的出气口经气体管路连接至电池箱内，所述抽气口和所述出气口的气体管路上分别设有电控阀门，所述电控阀门在平时处于关闭状态，使得电池箱处于密闭状态。
采用上述进一步方案的有益效果是，相对于单独将电池箱内电池热分解产生的气体抽离电池箱的方案而言，增加了气体发生器，通过气体发生器产生的不活跃的气体对电池箱内的气体进行强制置换，能更好的抑制箱内可燃气体和助燃气体浓度。
进一步地，所述第一温度传感器设于所述电池箱内电池组的散热面上，用于测量电池组的温度；
采用上述进一步方案的有益效果是，锂电池单体产生热失控，首先会将温度传递给电池组的散热面上，将第一温度传感器设置在电池组的散热面上，可以迅捷的获知电池箱内电池组的温度变化情况。
进一步地，还包括第二温度传感器，所述第二温度传感器设于所述电池箱内，用于测量电池箱内的整体温度，如设于箱内侧壁上。
采用上述进一步方案的有益效果是作为第一温度传感器的冗余设置，在第一温度传感器失效时，第二温度传感器可以及时报警，同时，电池箱还可能会因为其他部件的温升导致自身温度的升高，在这种情况下，同样需要对电池箱进行温度控制，而这种情况下，第二温度传感器会比第一温度传感器更快获得温度变化信息，故第二温度传感器的设置可以使对电池箱温度的监控更到位。
进一步地，所述多功能气体探测组件包括CO传感器、H2传感器、VOC(volatileorganic compounds挥发性有机化合物的英文缩写)传感器、O2传感器。
采用上述进一步方案的有益效果是，CO、H2、VOC是锂电池分解产生的主要的可燃气体，O2是主要的助燃气体，利用有限的传感器检测上述主要的可燃气体和助燃气体浓度，就足以掌控对电池箱内气体组分状态，而无需检测箱内所有的可燃气体和所有的助燃气体。
进一步地，还包括压力传感器和防爆阀，所述压力传感器设于电池箱内，所述防爆阀安装在所述电池箱的壳体。
采用上述进一步方案的有益效果是能够实时监测电池箱内的压力情况，若箱内各种原因导致的气体压力过大时，能够通过防爆阀及时泄压，避免电池箱本身爆裂，造成事故扩大。
优选地，所述冷却模块为风冷装置，所述风冷装置为制冷风扇或者车载制冷空调。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，实现容易，能够持续的低成本的运行，对电池箱的温度进行管理。
优选地，所述冷却模块为液冷装置，所述液冷装置包括经制冷剂管道依次连接在一起的制冷剂压缩机、冷片及冷凝器，所述冷片紧密贴合在电池组的散热面上。
采用上述进一步方案的有益效果是冷却效果更佳。
优选地，所述电控阀门为电磁阀。
采用上述进一步方案的有益效果是体积小巧，响应速度快，有利于更好的控制热失控情况。
优选地，所述气体发生器为氮气发生器，所述氮气发生器包括空气压缩机、干燥机、氮气分离膜组件，所述空气压缩机包括压缩空气出口，所述干燥机包括干燥机入口和干燥机出口，所述氮气分离膜组件包括空气入口、废气出口和氮气出口；所述空气压缩机的压缩空气出口连接干燥机入口，所述干燥机出口连接氮气分离膜组件的空气入口，所述氮气分离膜组件的氮气出口连接至电池箱内，所述氮气分离膜组件的废气出口放空。
所述氮气分离膜组件包括筒装壳体及设于所述壳体内的氮气分离膜纤维管，所述筒装壳体的一端设有空气入口，另一端设有氮气出口，所述筒装壳体上设有废气出口；所述氮气分离膜纤维管的入口连接空气入口，所述氮气分离膜纤维管的出口连接氮气出口。
采用上述进一步方案的有益效果是资源源源不断，随用随取，氮气发生器本身不会产生额外的耗材，运维成本低。
本发明还公开了一种锂离子电池箱抑爆方法，包括以下步骤：
S1、实时检测电池箱内的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度；
S2、采集接收步骤S1测得的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度的实时测量值；
S3、判断电池箱内的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度的实时测量值是否超过设定的安全阈值；若可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力或温度任一项的实时测量值超过设定的安全阈值，执行步骤S4，否则返回步骤S1；
S4、对电池箱内的气体进行置换，同时对电池组进行降温处理；
S5、判断电池箱内气体成分是否恢复到标准状态及气体压力是否进入标准状态及电池箱内温度是否恢复至标准状态，若是，执行步骤S6，否则跳回步骤S4；
S6、停止对电池箱内的气体进行置换及对电池组的降温处理，并转至步骤S1。
本发明还提供了第二种锂离子电池箱抑爆方法，区别于上述方法，本方法分对电池箱温度做独立处理，具体地：本方法对电池箱内可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力的处理步骤如下：
S3-1、若可燃气体浓度、助燃气体浓度或压力任一项的实时测量值超过设定的安全阈值，执行步骤S4-1，否则返回步骤S1；
S4-1、对电池箱内的气体进行置换；
S5-1、判断电池箱内气体成分是否恢复到标准状态及气体压力是否进入标准状态，是执行步骤S6-1；否则返回步骤S4-1；
S6-1、停止对电池箱内的气体进行置换，并返回步骤S1。
进一步地，针对电池箱内温度的处理步骤如下：
S3-2、若电池箱内温度超过设定的安全阈值，执行步骤S4-2；否则返回步骤S1；
S4-2、对电池箱内的电池组进行降温处理；
S5-2、判断电池箱内温度是否恢复至标准状态；若是，执行步骤S6-2；否则跳回步骤S4-2；
S6-2、停止对电池组的降温处理，并返回步骤S1。
相对于现有技术，本方案所取得的有益效果是：同时对电池箱内的可燃气体、助燃气体进行置换，并对电池组进行降温处理，相当于同时对起火三要素中的三大因素进行干涉，对锂离子电池组的抑爆效果更佳，更安全有效。
附图说明
图1为本发明的锂离子电池箱抑爆装置的功能框图；
图2为本发明的锂离子电池箱抑爆装置的安装示意图；
图3为本发明的锂离子电池箱抑爆装置中氮气发生器的结构示意图；
图4为本发明的锂离子电池箱抑爆方法之一的流程图；
图5为本发明的锂离子电池箱抑爆方法之二的流程图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
1、主控制模块；2、状态监测模块；2-1、第一温度传感器；2-2、多功能气体探测组件；2-3、压力传感器；2-4、第二温度传感器；3、冷却模块； 3-1、压缩机；3-2、冷片；3-3、冷凝器；4、气体置换模块；4-1、气体发生器；4-1-1、壳体；4-1-2、空气入口；4-1-3、氮气分离膜纤维管；4-1-4、废气出口；4-2、抽气装置；4-3、电控阀门；5、防爆安全阀；10、电池箱体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1所示，其为本发明的锂离子电池箱抑爆装置的结构示意图。一种锂离子电池箱抑爆装置，包括主控制模块1及与主控制模块1电连接的状态检测模块2、冷却模块3、气体置换模块4、防爆阀5；
所述状态检测模块2包括第一温度传感器2-1、多功能气体探测组件2-2、压力传感器2-3、第二温度传感器2-4；所述多功能气体探测组件2-2、压力传感器2-3、第二温度传感器2-4均安装在电池箱内的上壁上；
所述多功能气体探测组件2-2包括CO传感器、H2传感器、VOC传感器、 O2传感器，用于实时监测电池箱内的易燃气体含量和O2含量；
所述冷却模块3用于给电池箱内降温；
所述气体置换模块4包括经管路连接在一起的气体发生器4-1和抽气装置4-2，所述抽气装置为负压真空泵，其抽气口经气体管路连接至电池箱10 内，所述气体发生器的出气口经气体管路连接至电池箱10内，所述抽气口的气体管路上以及所述出气口的气体管路上均设有电控阀门4-3，所述电控阀门4-3可采用电磁阀，在本抑爆装置待机状态下，电控阀门4-3处于关闭状态，使得电池箱整体处于封闭状态。
所述主控制模块1用于接收状态检测模块2提供的检测信息，通过与提前设定的阈值进行比较，决定是否要开启冷却模块3和/或气体置换模块4。
所述冷却模块为液冷装置，所述液冷装置包括经制冷剂管道依次连接在一起的制冷剂压缩机3-1、冷片3-2及冷凝器3-3，所述冷片3-2紧密贴合在电池组的散热面上，对电池组进行冷却。
所述气体发生器4-1为氮气发生器，所述氮气发生器包括空气压缩机、干燥机、氮气分离膜组件，所述空气压缩机包括压缩空气出口，所述干燥机包括干燥机入口和干燥机出口，所述氮气分离膜组件包括空气入口4-1-2、废气出口4-1-4和氮气出口；所述空气压缩机的压缩空气出口连接干燥机入口，所述干燥机出口连接氮气分离膜组件的空气入口4-1-2，所述氮气分离膜组件的氮气出口连接至电池箱内，所述氮气分离膜组件的废气出口4-1-4 放空。所述氮气分离膜组件包括筒装壳体4-1-1及设于所述壳体4-1-1内的氮气分离膜纤维管4-1-3，所述筒装壳体的一端设有空气入口4-1-2，另一端设有氮气出口，所述筒装壳体上设有废气出口4-1-4；所述氮气分离膜纤维管4-1-3的入口连接空气入口，所述氮气分离膜纤维管4-1-3的出口连接氮气出口。
如图4所示，本发明中，冷却模块采用风冷装置时的实际工作过程如下：
S1、状态监测模块实时探测电池箱内状态息，包括VOC含量、CO含量、H2含量、O2含量、箱内温度等，压力传感器实时监测电池箱内气体压力。采集到的信息上传给主控制模块。
S2、主控制模块接收来自状态检测模块的信息；
S3、主控制模块判定电池箱内CO、H2、O2任一项的浓度是否超过设定阈值，或者箱内压力是否超过设定阈值，或者箱内温度是否超过设定的阈值。
如果上述任意一条判断结论为“是”，则执行步骤S4，否则返回步骤 S1。
S4、启动气体置换模块或维持气体置换模块在运行状态，启动冷却模块或维持冷却模块在运行状态。
S5、判定箱内环境是否恢复标准状态？即箱内的CO、H2、O2浓度在设定阈值之下，温度处于设定高温阈值之下，箱内压力处于防爆阀阈值之下。若是，执行步骤S6；否则返回S4。
S6、停止气体置换模块和冷却模块的运行。
若冷却模块采用空气对流冷却，当CO、H2、O2浓度在设定阈值之下，压力处于防爆阈值之下，温度在适宜温度范围内，三个条件同时满足时，气体置换模块和冷却模块才停止。即便在箱内的CO、H2、O2浓度已经处于设定阈值之下，而温度在设定阈值之上时，气体置换也要继续运行。
本发明中，冷却模块采用液冷装置时的工作流程图如图5所示，
区别于采用风冷装置时的流程，冷却模块采用液冷装置时，利用相变制冷剂制冷时，气体置换模块和冷却模块可以完全独立运行，即步骤S2之后，同时执行步骤S3-1及步骤S3-2；步骤S3-1判断箱内可燃气体含量、助燃气体含量是否超过设定的阈值或箱内压力是否超过设定阈值；步骤S3-2判断箱内温度是否超过设定阈值；
若步骤S3-1的结论为是，即箱内可燃气体浓度或者助燃气体浓度超过设定阈值，则执行步骤S4-1启动气体置换模块，
若步骤S3-2的结论为是，即箱内温度超过设定阈值，则执行步骤S4-2 启动冷却模块。这种方式效率更高也更省电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，包括主控制模块及与主控制模块电连接的状态检测模块、冷却模块、气体置换模块；
所述状态检测模块包括第一温度传感器、多功能气体探测组件，所述第一温度传感器、所述气体探测组件设于电池箱的内部；所述多功能气体探测组件用于测量电池箱内的可燃气体浓度和/或助燃气体浓度；
所述气体置换模块用于将电池箱内的可燃气体和/或助燃气体排出电池箱；
所述冷却模块用于给电池箱内降温；
所述主控制模块用于接收状态检测模块提供的检测信息，通过与提前设定的阈值进行比较，决定是否要开启冷却模块和/或气体置换模块。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，所述气体置换模块包括经管路连接在一起的气体发生器和抽气装置，所述抽气装置的抽气口经气体管路连接至电池箱内，所述气体发生器的出气口经气体管路连接至电池箱内，所述抽气口和所述出气口的气体管路上设有电控阀门。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，所述第一温度传感器设置于电池箱内电池组的散热面上。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，还包括第二温度传感器，所述第二温度传感器设于所述电池箱内，用于测量电池箱内的整体温度。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，所述多功能气体探测组件包括CO传感器、H2传感器、VOC传感器和/或O2传感器。
6.根据权利要求1至5任一项所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，还包括压力传感器和防爆阀，所述压力传感器设在电池箱内，所述防爆阀安装在所述电池箱的壳体上。
7.根据权利要求1至5任一项所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，所述冷却模块为风冷装置，所述风冷装置为制冷风扇或者车载制冷空调。
8.根据权利要求1至5任一项所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，所述冷却模块为液冷装置，所述液冷装置包括经制冷剂管道依次连接在一起的制冷剂压缩机、冷片及冷凝器，所述冷片紧密贴合在电池组的散热面上。
9.根据权利要求2所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，所述气体发生器为氮气发生器，所述氮气发生器包括空气压缩机、干燥机、氮气分离膜组件，所述空气压缩机包括压缩空气出口，所述干燥机包括干燥机入口和干燥机出口，所述氮气分离膜组件包括空气入口、废气出口和氮气出口；所述空气压缩机的压缩空气出口连接干燥机入口，所述干燥机出口连接氮气分离膜组件的空气入口，所述氮气分离膜组件的氮气出口连接至电池箱内，所述氮气分离膜组件的废气出口放空。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池箱抑爆装置，其特征在于，所述氮气分离膜组件包括筒装壳体及设于所述壳体内的氮气分离膜纤维管，所述筒装壳体的一端设有空气入口，另一端设有氮气出口，所述筒装壳体上设有废气出口；所述氮气分离膜纤维管的入口连接空气入口，所述氮气分离膜纤维管的出口连接氮气出口。
11.一种锂离子电池箱抑爆方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、实时检测电池箱内的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度；
S2、采集接收步骤S1测得的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度的实时测量值；
S3、判断电池箱内的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度的实时测量值是否超过设定的安全阈值；若可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力或温度任一项的实时测量值超过设定的安全阈值，执行步骤S4，否则返回步骤S1；
S4、对电池箱内的气体进行置换，同时对电池组进行降温处理；
S5、判断电池箱内气体成分是否恢复到标准状态及气体压力是否进入标准状态及电池箱内温度是否恢复至标准状态，若是，执行步骤S6，否则跳回步骤S4；
S6、停止对电池箱内的气体进行置换及对电池组的降温处理；并转至步骤S1。
12.一种锂离子电池箱抑爆方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、实时检测电池箱内的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度；
S2、采集接收步骤S1测得的可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力及温度的实时测量值；对可燃气体浓度、助燃气体浓度、压力的处理步骤如下：
S3-1、若可燃气体浓度、助燃气体浓度或压力中任一项的实时测量值超过设定的安全阈值，执行步骤S4-1，否则返回步骤S1；
S4-1、对电池箱内的气体进行置换；
S5-1、判断电池箱内气体成分是否恢复到标准状态及气体压力是否进入标准状态，是执行步骤S6-1；否则返回步骤S4-1；
S6-1、停止对电池箱内的气体进行置换；
对温度的处理步骤如下：
S3-2、若电池箱内温度超过设定的安全阈值，执行步骤S4-2；否则返回步骤S1；
S4-2、对电池箱内的电池组进行降温处理；
S5-2、判断电池箱内温度是否恢复至标准状态；若是，执行步骤S6-2；否则跳回步骤S4-2；
S6-2、停止对电池组的降温处理。
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