CN112290147B - 阻止锂离子电池组热失控传播的箱体盒及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻止锂离子电池组热失控传播的装置及控制器方法，该装置包括用于收纳锂离子电池的箱体、控制器、换热器和泵。本发明通过设置绝热箱体，以及将箱体的内仓分割为储存仓单元，每个储存仓单元中设置一个第一温度传感器，换热器上设置有第二温度传感器，多个温度传感器用于检测锂电池组和外界环境的温度，并将该温度信号通过传送给控制器，控制器根据设定的温度阈值与检测值进行比较，依据比较结果判断是否驱动液泵和换热器工作，是否需要将箱体中热量与外界环境进行热交换，从而更好的锂离子电池组热失控传播，同时防止火灾蔓延至电池组内部，极大保证了锂离子电池组在储存、运输和使用过程中的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种阻止锂离子电池组热失控传播的双层液冷箱体盒及控制方法。
背景技术
锂电池在储存、运输和使用过程中必须保持良好的散热状态，否则容易由于热量累积而发生热失控。锂电池在热失控时会发生固体电解质界面膜(SEI膜)的热分解、正负极材料与电解液之间的反应等一系列副反应，释放出大量热量，其产热速率随着温度的升高呈指数级增长。单个锂电池的热失控可能会引发周围电池的热失控，产生多米诺效应，从而造成更为严重的火灾爆炸事故。因此，需要在锂电池发生热失控时阻断其传播，使热失控反应仅发生在单个电池或少量电池组成的电池组内，以避免火灾、爆炸事故的扩大。
当前，大量学者对锂离子电池的热失控机理及其传播规律进行了研究探讨，对锂离子电池的循环稳定性、热稳定性、电化学稳定性等方面进行了全面的研究，但对锂离子电池热失控的危险性、热失控的传播以及热失控的抑制等方面的研究还存在不足。锂离子电池热失控会发生燃烧爆炸，释放出有毒和可燃的气体，造成财产损失甚至人员伤亡。因此，在锂离子电池热失控时阻断其传播就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻止锂离子电池组热失控传播的双层液冷箱体盒及控制方法，解决现有技术中缺少阻止锂离子电池组热失控传播的装置和方法，导致锂离子电池组中单个锂电池的热失控可能会引发周围电池的热失控，造成严重的火灾爆炸事故的技术问题。
为了实现以上目的，本发明采取的具体技术方案是：
阻止锂离子电池组热失控传播的装置，包括用于收纳锂离子电池的箱体、控制器、换热器和泵；
所述箱体包括储存仓和仓门，储存仓的壳体为双层结构，从外至内依次为绝热层和液冷层，绝热层和液冷层固定连接为一体。
所述绝热层为由两层不锈钢板制成的封闭结构，两层不锈钢板之间为真空层；
所述液冷层由两层铜板制成，两层铜板之间的腔体中有冷却液；箱体下端开设有进液口，上端开设有出液口，进液口和出液口均与液冷层的腔体连通；其中，出液口通过管道与换热器的进口端连通，换热器出口端通过管道与泵的进口连通，泵的出口通过管道与进液口连通；
所述储存仓被隔板分割为m行n列的储存仓单元，每个储存仓单元用于收纳一个锂离子电池，每个储存仓单元中安装有一个第一温度传感器，m、n均为正整数；
所述箱体上设置有显示器和RGB LED指示灯，换热器上设置有第二温度传感器；所述显示器、RGB LED指示灯、第一温度传感器、第二温度传感器，以及换热器和泵均与控制器通过电连接。
本发明通过设置绝热箱体，以及将箱体的内仓分割为储存仓单元，每个储存仓单元中设置一个第一温度传感器，换热器上设置有第二温度传感器，多个温度传感器用于检测锂电池组和外界环境的温度，并将该温度信号通过传送给控制器，控制器根据设定的温度阈值与检测值进行比较，依据比较结果判断是否驱动液泵和换热器工作，是否需要将箱体中热量与外界环境进行热交换，从而更好的锂离子电池组热失控传播，同时防止火灾蔓延至电池组内部，极大保证了锂离子电池组在储存、运输和使用过程中的安全性和可靠性，减少由于锂离子电池组热失控而引发的火灾事故对财产的损失和人体的伤害。
通过泵驱动冷却液流动，从而使冷却液与外界环境中的空气通过换热器进行热量交换是箱体内部与外界环境唯一的热量交换方式，一旦切断这一步骤，外界环境与箱体内将无法进行热量交换，箱体变为绝热装置。
进一步优化，所述仓门为由两层不锈钢板制成的封闭结构，两层不锈钢板之间为真空层，防止通过仓门进行热交换，提高检测精度；所述仓门通过螺栓与箱体可拆卸式连接。
进一步优化，所述隔板由两层铜板制成，两层铜板之间的腔体中有冷却液，隔板的腔体与液冷层的腔体连通。通过设置液冷层隔板，关闭仓门后，每个储存仓单元承为独立的密闭隔热空间，便于准确测量每个储存仓单元中电池的温度。
进一步优化，每个第一温度传感器设置于对应储存仓单元的顶部，收纳电池后，第一温度传感器与对应锂离子电池的正极电极帽接触。由于锂离子电池从开始自热到发生热失控的过程中，最高温度始终在正极附近，因此温度传感器紧贴电池正极。
进一步优化，所述仓门的内壁设置有若干弹簧，弹簧的数量与储存仓单元的数量相同，每个弹簧位于对应储存仓单元底部，每个锂离子电池收纳于对应的储存仓单元中后，电池的下端与弹簧接触，上端正极电极帽与第一温度传感器接触。通过设置弹簧，以确保电池正极与温度传感器紧密接触，提高检测精度，防止箱体晃动时锂离子电池与第一温度传感器脱离。
进一步优化，每个储存仓单元的顶部开设有一个通孔，通孔贯穿液冷层设置形成穿线通道，穿线通道的筒状侧壁两端分别与对应的铜板密封连接，连接第一温度传感器的导线穿过对应的通孔与控制器连接。控制部分置于包装内顶部，该通孔用于走线，孔径比较小，对散热和绝热的影响可以忽略不计。
进一步优化，所述绝热层的外层不锈钢板厚度为5mm，内层不锈钢板厚度为2mm，真空层的厚度为3mm。
进一步优化，所述仓门内壁、液冷层铜板内壁，以及弹簧表面均喷涂有特氟龙涂层，以防止电池在箱体内部发生短路。
进一步优化，所述泵上设置有爆破片，以防止电池热失控使冷却液沸腾后发生超压爆炸。
基于上述阻止锂离子电池组热失控传播的装置的控制方法，包括如下步骤：
1)、打开仓门，将锂离子电池组中的每个锂离子电池放入对应的一个储存仓单元中，电池正极朝上，关闭仓门后使正极电极帽紧贴温度传感器；
2)、每个储存仓单元都对应一个唯一的编号Ki,j，每个第一温度传感器也对应一个唯一的编号Gi,j，i和j均为正整数，i∈[1,m]，j∈[1,n]；储存仓单元和第一温度传感器的编号信息储存于控制器中存储单元中；每个第一温度传感器实时的将检测的温度信息发送给控制器，控制器接收到温度信息后，通过计算单元计出箱体中的最高温度Tmax，并将该温度值Tmax和储存仓单元编号Ki,j通过显示器显示，第二传感器实时的将检测的环境温度T1也发送给控制器；同时，控制器通过计算单元将最高温度Tmax与设定的温度阈值T0进行比较，控制器根据比较结果发出指令控制换热器和泵工作：
2.1)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均低于80℃，且箱体内的最高温度Tmax大于环境温度T1时，箱体处于正常工作状态，控制器发出指令驱动泵和换热器工作，使液冷层内的冷却液流动，从而使箱体内热量与外界环境进行热交换，将箱体内部的热量传递到外界环境；同时控制器发送“正常”指令给显示器显示，RGB LED指示灯显示绿色；
2.2)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均低于80℃，箱体内的最高温度Tmax小于环境温度T1时，控制器发出指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换；RGB LED指示灯显示蓝色；
2.3)、当箱体内的最高温度Tmax高于80℃，且环境温度T1低于80℃，则箱体内电池组中的部分电池可能已经开始发生自热反应，此时控制器发出指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换，防止箱体内部由于电池自热或发生热失控而产生的热量传递到外界环境中；RGB LED指示灯显示橙色；
2.4)、当箱体内的最高温度Tmax低于80℃，且环境温度T1高于80℃时，则箱体外可能已经发生火灾，若外界环境中的热量持续传递到箱体内，可能会使电池组内的电池发生热失控。此时控制器指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换，防止外界环境的热量传递到箱体内部；RGB LED指示灯显示黄色；
2.5)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均高于80℃时，此时箱体内电池组中的部分电池可能已经开始发生自热反应，且外界已经发生火灾；此时控制器指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换；RGB LED指示灯显示红色。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过设置绝热箱体、控制器、换热器和泵，作为锂离子电池在储存、运输和使用过程中的换热装置，将箱体的内仓分割为储存仓单元，用于储存锂离子电池组，每个储存仓单元中设置一个第一温度传感器，换热器上设置有第二温度传感器，多个温度传感器用于检测锂电池组和外界环境的温度，并将该温度信号通过传送给控制器，控制器根据设定的温度阈值与检测值进行比较，依据比较结果判断是否驱动液泵和换热器工作，是否需要将箱体中热量与外界环境进行热交换，从而更好的锂离子电池组热失控传播，同时防止火灾蔓延至电池组内部，极大保证了锂离子电池组在储存、运输和使用过程中的安全性和可靠性，减少由于锂离子电池组热失控而引发的火灾事故对财产的损失和人体的伤害。本发明具有实时监控、操作简便、安全可靠等优点。
附图说明
图1为本发明所述阻止锂离子电池组热失控传播的装置示意图；
图2为本发明所述箱体的结构图；
图3为本发明所述箱体的示意图；
图4为图3的剖面A所剖视图。
图5为图3的剖面B所剖视图。
图6为图3的剖面C所剖视图。
图7为图5的D-D剖视图。
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。
实施例一：
阻止锂离子电池组热失控传播的装置，包括用于收纳锂离子电池的箱体1、控制器4、换热器2和泵3。
所述箱体1包括储存仓和仓门8，储存仓的壳体为双层结构，从外至内依次为绝热层11和液冷层12。
所述绝热层11为由两层不锈钢板制成的封闭结构，两层不锈钢板之间为真空层。
所述液冷层12由两层铜板制成，两层铜板之间的腔体中有冷却液。
所述绝热层的不锈钢板和液冷层的铜板通过焊接固定连接为一体。
箱体1下端开设有进液口14，上端开设有出液口15，图2中箭头为冷却液流动方向。进液口和出液口均与液冷层的腔体连通；其中，出液口通过管道与换热器2的进口端连通，换热器2出口端通过管道与泵3的进口连通，泵3的出口通过管道与进液口连通。
所述储存仓被隔板13分割为10行10列共计100个储存仓单元20，每个储存仓单元20用于收纳一个锂离子5，每个储存仓单元中安装有一个第一温度传感器。本实施例中，所述锂离子电池为18650型锂离子电池(该电池以2C充电时放热速率约为0.75W，以1C放电时放热速率约为0.31W。正常充电过程的充电倍率一般不超过1C，正常放电过程的放电倍率一般不超过0.5C)，因此正常使用过程中100颗锂离子电池组成的系统最大产热量不超过75W，将放入10*10的双层液冷箱体内。
所述箱体上设置有显示器6和RGB LED指示灯6，换热器2上设置有第二温度传感器；所述显示器、RGB LED指示灯、第一温度传感器、第二温度传感器，以及换热器和泵均与控制器通过电连接。
在本实施例中，所述仓门88为由两层不锈钢板制成的封闭结构，两层不锈钢板之间为真空层，防止通过仓门进行热交换，提高检测精度；所述箱体和仓门上均设置耳板10，耳板上开设有螺纹孔，通过螺栓将仓门与箱体可拆卸式连接。
在本实施例中，所述隔板13由两层铜板制成，两层铜板之间的腔体中有冷却液，隔板的腔体与液冷层的腔体连通。通过设置液冷层隔板，关闭仓门后，每个储存仓单元承为独立的密闭隔热空间，便于准确测量每个储存仓单元中电池的温度。
在本实施例中，每个第一温度传感器设置于对应储存仓单元20的顶部，收纳电池后，第一温度传感器与对应锂离子电池的正极电极帽接触。由于锂离子电池从开始自热到发生热失控的过程中，最高温度始终在正极附近，因此温度传感器紧贴电池正极。
在本实施例中，所述仓门的内壁设置有100个弹簧9，每个弹簧位于对应储存仓单元底部，每个锂离子电池收纳于对应的储存仓单元中后，电池的下端与弹簧接触，上端正极电极帽与第一温度传感器接触。通过设置弹簧，以确保电池正极与温度传感器紧密接触，提高检测精度，防止箱体晃动时锂离子电池与第一温度传感器脱离。
在本实施例中，每个储存仓单元的顶部开设有一个通孔16，通孔贯穿液冷层设置形成穿线通道，穿线通道的筒状侧壁两端分别与对应的铜板密封连接，连接第一温度传感器的导线穿过对应的通孔与控制器连接。控制部分置于包装内顶部，该通孔用于走线，孔径比较小，对散热和绝热的影响可以忽略不计。在本实施例中，液冷层12的顶部设置有收纳腔，控制器4设置于收纳腔中，通过液冷层对控制器4进行降温，如图7所示。
在本实施例中，所述绝热层的外层不锈钢板厚度为5mm，内层不锈钢板厚度为2mm，真空层的厚度为3mm。
在本实施例中，所述泵3上设置有爆破片，以防止电池热失控使冷却液沸腾后发生超压爆炸。
在本实施例中，所述仓门内壁、液冷层铜板内壁，以及弹簧表面均喷涂有特氟龙涂层，以防止电池在箱体内部发生短路。
在本实施例中，泵采用市售流量为600L/h的水泵，换热器采用120mm*120mm*27mm的平板-肋片(单流程)紧凑式换热器，采用120mm*120mm*5mm风扇作为辅助散热装置，使风压为2mmH2O，风量为65.25CFM。该系统组成的换热部分换热量可达到130W，满足电池组在正常使用过程中的散热需求。
实施例二：
基于上述阻止锂离子电池组热失控传播的装置的控制方法，包括如下步骤：
1)、打开仓门，将锂离子电池组中的每个锂离子电池放入对应的一个储存仓单元中，电池正极朝上，关闭仓门后使正极电极帽紧贴温度传感器；
2)、每个储存仓单元都对应一个唯一的编号Ki,j，每个第一温度传感器也对应一个唯一的编号Gi,j，i和j均为正整数，i∈[1,m]，j∈[1,n]；储存仓单元和第一温度传感器的编号信息储存于控制器中存储单元中；每个第一温度传感器实时的将检测的温度信息发送给控制器，控制器接收到温度信息后，通过计算单元计出箱体中的最高温度Tmax，并将该温度值Tmax和储存仓单元编号Ki,j通过显示器显示，第二传感器实时的将检测的环境温度T1也发送给控制器；同时，控制器通过计算单元将最高温度Tmax与设定的温度阈值T0进行比较，控制器根据比较结果发出指令控制换热器和泵工作：
2.1)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均低于80℃，且箱体内的最高温度Tmax大于环境温度T1时，箱体处于正常工作状态，控制器发出指令驱动泵和换热器工作，使液冷层内的冷却液流动，从而使箱体内热量与外界环境进行热交换，将箱体内部的热量传递到外界环境；同时控制器发送“正常”指令给显示器显示，RGB LED指示灯显示绿色；
2.2)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均低于80℃，箱体内的最高温度Tmax小于环境温度T1时，控制器发出指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换；RGB LED指示灯显示蓝色；
2.3)、当箱体内的最高温度Tmax高于80℃，且环境温度T1低于80℃，则箱体内电池组中的部分电池可能已经开始发生自热反应，此时控制器发出指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换，防止箱体内部由于电池自热或发生热失控而产生的热量传递到外界环境中；RGB LED指示灯显示橙色；
2.4)、当箱体内的最高温度Tmax低于80℃，且环境温度T1高于80℃时，则箱体外可能已经发生火灾，若外界环境中的热量持续传递到箱体内，可能会使电池组内的电池发生热失控。此时控制器指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换，防止外界环境的热量传递到箱体内部；RGB LED指示灯显示黄色；
2.5)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均高于80℃时，此时箱体内电池组中的部分电池可能已经开始发生自热反应，且外界已经发生火灾；此时控制器指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换；RGB LED指示灯显示红色。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；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 (6)
1.阻止锂离子电池组热失控传播的装置，其特征在于，包括用于收纳锂离子电池的箱体、控制器、换热器和泵；
所述箱体包括储存仓和仓门，储存仓的壳体为双层结构，从外至内依次为绝热层和液冷层，绝热层和液冷层固定连接为一体；
所述绝热层为由两层不锈钢板制成的封闭结构，两层不锈钢板之间为真空层；
所述液冷层由两层铜板制成，两层铜板之间的腔体中有冷却液；箱体下端开设有进液口，上端开设有出液口，进液口和出液口均与液冷层的腔体连通；其中，出液口通过管道与换热器的进口端连通，换热器出口端通过管道与泵的进口连通，泵的出口通过管道与进液口连通；
所述储存仓被隔板分割为m行n列的储存仓单元，每个储存仓单元用于收纳一个锂离子电池，每个储存仓单元中安装有一个第一温度传感器，m、n均为正整数；
所述箱体上设置有显示器和RGB LED指示灯，换热器上设置有第二温度传感器；所述显示器、RGB LED指示灯、第一温度传感器、第二温度传感器，以及换热器和泵均与控制器通过电连接；
所述仓门的内壁设置有若干弹簧，弹簧的数量与储存仓单元的数量相同，每个弹簧位于对应储存仓单元底部，每个锂离子电池收纳于对应的储存仓单元中后，电池的下端与弹簧接触，上端正极电极帽与第一温度传感器接触；
所述仓门为由两层不锈钢板制成的封闭结构，两层不锈钢板之间为真空层；
所述仓门通过螺栓与箱体可拆卸式连接；
基于上所述阻止锂离子电池组热失控传播的装置的控制方法，包括如下步骤：
1)、打开仓门，将锂离子电池组中的每个锂离子电池放入对应的一个储存仓单元中，电池正极朝上，关闭仓门后使正极电极帽紧贴温度传感器；
2)、每个储存仓单元都对应一个唯一的编号Ki,j，每个第一温度传感器也对应一个唯一的编号Gi,j，i和j均为正整数，i∈[1,m]，j∈[1,n]；储存仓单元和第一温度传感器的编号信息储存于控制器中存储单元中；每个第一温度传感器实时的将检测的温度信息发送给控制器，控制器接收到温度信息后，通过计算单元计出箱体中的最高温度Tmax，并将该温度值Tmax和储存仓单元编号Ki,j通过显示器显示，第二传感器实时的将检测的环境温度T1也发送给控制器；同时，控制器通过计算单元将最高温度Tmax与设定的温度阈值T0进行比较，控制器根据比较结果发出指令控制换热器和泵工作：
2.1)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均低于80℃，且箱体内的最高温度Tmax大于环境温度T1时，箱体处于正常工作状态，控制器发出指令驱动泵和换热器工作，使液冷层内的冷却液流动，从而使箱体内热量与外界环境进行热交换，将箱体内部的热量传递到外界环境；同时控制器发送“正常”指令给显示器显示，RGB LED指示灯显示绿色；
2.2)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均低于80℃，箱体内的最高温度Tmax小于环境温度T1时，控制器发出指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换；RGB LED指示灯显示蓝色；
2.3)、当箱体内的最高温度Tmax高于80℃，且环境温度T1低于80℃，则箱体内电池组中的部分电池可能已经开始发生自热反应，此时控制器发出指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换，防止箱体内部由于电池自热或发生热失控而产生的热量传递到外界环境中；RGB LED指示灯显示橙色；
2.4)、当箱体内的最高温度Tmax低于80℃，且环境温度T1高于80℃时，则箱体外可能已经发生火灾，此时控制器指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换，防止外界环境的热量传递到箱体内部；RGB LED指示灯显示黄色；
2.5)、当箱体内的最高温度Tmax和环境温度T1均高于80℃时，此时箱体内电池组中的部分电池可能已经开始发生自热反应，且外界已经发生火灾；此时控制器指令停止泵和换热器工作，阻止液冷层内的冷却液流动，从而阻止箱体内热量与外界环境进行热交换；RGBLED指示灯显示红色。
2.根据权利要求1所述的阻止锂离子电池组热失控传播的装置，其特征在于，所述隔板由两层铜板制成，两层铜板之间的腔体中有冷却液，隔板的腔体与液冷层的腔体连通。
3.根据权利要求2所述的阻止锂离子电池组热失控传播的装置，其特征在于，每个第一温度传感器设置于对应储存仓单元的顶部，收纳电池后，第一温度传感器与对应锂离子电池的正极电极帽接触。
4.根据权利要求3所述的阻止锂离子电池组热失控传播的装置，其特征在于，每个储存仓单元的顶部开设有一个通孔，通孔贯穿液冷层设置形成穿线通道，穿线通道的筒状侧壁两端分别与对应的铜板密封连接，连接第一温度传感器的导线穿过对应的通孔与控制器连接。
5.根据权利要求4所述的阻止锂离子电池组热失控传播的装置，其特征在于，所述绝热层的外层不锈钢板厚度为5mm，内层不锈钢板厚度为2mm，真空层的厚度为3mm。
6.根据权利要求5所述的阻止锂离子电池组热失控传播的装置，其特征在于，所述仓门内壁、液冷层铜板内壁，以及弹簧表面均喷涂有特氟龙涂层。
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