CN113300020B - 一种防爆电池及防爆方法 - Google Patents

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Abstract

本公开公开的一种防爆电池，包括：存储吸热剂的相变材料储存箱和包含多个电池安装间的电池箱，每个电池安装间内安装由多个单体电池组成的单节电池，相变材料储存箱连接输送管道的一端，输送管道的另一端伸入电池安装间内部，输送管道在每个电池安装间内的出口处设置电磁阀，电磁阀与控制器连接，控制器用于当某单体电池温度达到爆炸预警温度时，控制相应电池安装间内的电磁阀打开，向电池安装间内释放设定质量的吸热剂。在具备防爆功能的基础上，成本最低。

Description

一种防爆电池及防爆方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种防爆电池及防爆方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
锂离子电池具有传输电压高、能量密度大、循环寿命长、低自放电率、无记忆效应等优良性能，已被广泛应用于人们的生活、生产中。然而，锂离子电池热失控导致的事故却屡见不鲜。
锂离子电池在高温、过充或短路的条件下，会诱发电池内部发生一系列放热反应，致使电池温度升高，高温则会进一步加快放热反应速率，导致电池放热和温升两方面呈相互促进的失控状态，最终导致电池出现燃烧爆炸等安全事故。
但现有的电池在防爆方面效果不佳。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种防爆电池及防爆方法，该防爆电池在具备防爆功能的基础上，成本最低。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了一种防爆电池，包括：存储吸热剂的相变材料储存箱和包含多个电池安装间的电池箱，每个电池安装间内安装由多个单体电池组成的单节电池，相变材料储存箱连接输送管道的一端，输送管道的另一端伸入电池安装间内部，输送管道在每个电池安装间内的出口处设置电磁阀，电磁阀与控制器连接，控制器用于当某单体电池温度达到爆炸预警温度时，控制相应电池安装间内的电磁阀打开，向电池安装间内释放设定质量的吸热剂。
第二方面，提出了一种防爆电池的防爆方法，包括：
采集单体电池的温度；
当单体电池的温度达到爆炸预警温度时；
向安装该单体电池的电池安装间内释放设定质量的吸热剂，对单节电池进行防爆。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开的防爆电池，通过将单节电池安装于电池安装间内，将吸热剂通过输送管道输送至每个电池安装间内，实现了对单节电池的单独防爆。
2、本公开的防爆电池，以单体电池防爆所需吸收的能量确定了单节电池防爆时所需要的吸热剂质量，以防爆电池成本最低为目标，计算了单节电池中单体电池的数量，在保证防爆效果的前提下，使得防爆电池的成本最低。
3、本公开通过将单节电池安装于电池安装间内，相邻电池安装间之间设置绝热隔板，防止了需要防爆的单节电池对其他电池的影响，保证其余电池的正常工作。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例1公开的防爆电池的整体结构示意图。
其中：1、控制器，2、导线，3、绝热隔板，4、安全气阀，5、相变材料储存箱，6、泵，7、电磁阀，8、单节电池。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了一种防爆电池，包括：存储吸热剂的相变材料储存箱和包含多个电池安装间的电池箱，每个电池安装间内安装由多个单体电池组成的单节电池，相变材料储存箱连接输送管道的一端，输送管道的另一端伸入电池安装间内部，输送管道在每个电池安装间内的出口处设置电磁阀，电磁阀与控制器连接，控制器用于当某单体电池温度达到爆炸预警温度时，控制相应电池安装间内的电磁阀打开，向该电池安装间内释放设定质量的吸热剂。
进一步的，电池箱上设置安全气阀，用于吸热剂浸没单节电池吸热气化后的汽体排出电池箱。
进一步的，相变材料储存箱通过泵与输送管道连接。
进一步的，输送管道包括总管道和支管道，总管道与相变材料储存箱连接，支管道的一端与总管道连接，另一端伸入电池安装间内部，电磁阀安装于支管道上。
进一步的，相邻电池安装间之间设置绝热隔板。
进一步的，单体电池上设置温度传感器。
进一步的，相变材料储存箱内储存的吸热剂为氟碳物质。
进一步的，单节电池由多个单体电池串联而成，单节电池中单体电池的数量，以防爆电池成本最低为目标计算获得。
进一步的，相变材料储存箱向电池安装间内释放设定质量的吸热剂，该设定质量通过单体电池防爆所需吸收的能量确定。
结合图1对本实施例公开的一种防爆电池进行详细说明。
如图1所示，一种防爆电池，包括，相变材料储存箱5和安装电池的电源箱。
其中，电源箱内设置多个电池安装间，每个电池安装间内安装单节电池8，相邻的电池安装间之间设置绝热隔板3。
单节电池8由多个单体电池组成，在每个单体电池上设置温度传感器，通过温度传感器实时监测单体电池的温度，当单体电池的温度达到设定的爆炸预警温度设定值时，对由该单体电池组成的单节电池进行防爆处理。
相变材料储存箱5中存储有吸热剂，该吸热剂为稿稳定性的氟碳物质，使用该氟碳物质作为电池降温的吸热剂，高效节能且节省空间。
将相变材料储存箱5的出口与输送管道连接，输送管道能够将相变材料储存箱5中储存的吸热剂输送至每一个电池安装间内，为电池安装间内的单节电池进行降温。
为了将吸热剂对单节电池降温时，吸热气化产生的汽体排出，在电池箱上设置了安全气阀4，使汽体能够从安全气阀4中排出电池箱，保证电池的有效降温。
输送管道包括总管道和多条支管道，总管道与相变材料储存箱5的出口连通，支管道的一端与总管道连通，支管道的另一端伸至电池安装间内。
在每一个支管道上均设置电磁阀7，通过电磁阀7控制管道的通段。
总管道上设置泵6，通过泵6将相变材料储存箱5中的吸热剂输送至输送管道内。
在具体实施时，将温度传感器、电磁阀和泵均通过导线2与控制器1连接，当某单体电池的温度传感器检测该单体电池的温度达到爆炸预警温度时，控制器1控制泵6打开，相应的安装该单体电池的电池安装间内的电磁阀打开，向该电池安装间内释放设定质量的吸热剂，使得吸热剂能够对该单节电池进行降温防爆，在降温过程中，吸热剂气化，气化后汽体从安全气阀排出电池箱，实现了对单节电池的有效防爆。
通过单体电池防爆所需吸收的能量确定单节电池防爆所需的吸热剂的质量及体积，从而确定对单节电池防爆时，向电池安装间内释放的吸热剂的质量及体积，并以防爆电池成本最低为目标，对单节电池的数量和单节电池中单体电池的数量进行了计算。
在计算单体电池防爆所需吸收的能量时，首先计算了一个满电磷酸铁锂单体电池所具备的能量为：电池额定能量(Wh)＝ab，其中，a为单体电池的额定电压(V)，b为单体电池容量(Ah)。
发生爆炸时电池单体释放的能量为3600ab(J)。
其次，计算要使单体电池降温至室温时，需要吸收的能量为：单体电池降温至室温时需要吸收的能量(J)＝fh(g-20)，其中，f为单体电池的质量(kg)，h为单体电池的比热容(J/(kg·K))，g为设置的爆炸预警温度(℃)，20为选定的室温为20℃。
再次，单体电池防爆所需的理论能量包括发生爆炸时电池单体释放的能量和单体电池降温至室温时需要吸收的能量两部分。即：
Q1＝(3600ab+fh(g-20))/1000
Q1为单体电池防爆所需的理论能量(kJ)。
最后，根据单体电池防爆所需的理论能量计算单体电池防爆所需的实际能量：
Figure BDA0003039794890000071
其中，Q为单体电池防爆所需的实际能量(kJ)，u为效率。
吸热剂吸收的热量Q有两部分组成，一部分是相变温升吸收的热量Q2，一部分是相变材料的汽化潜热Q3。
Q2＝mk(i-20)
Q3＝ml/1000
Q＝Q2+Q3＝mk(i-20)+ml/1000 (2)
其中，l为汽化热(J/g)，m为吸热剂质量，k为吸热剂比热容(J/(kg·℃))，i为吸热剂的沸点(℃)。
通过公式(1)(2)计算获得吸热剂质量m(kg)为：
m＝3600ab+fh(g-20))/u(k(i-20)+l/1000)。
吸热剂体积V(cm3)为：
V＝1000*(3600ab+fh(g-20))/uj(k(i-20)+l/1000)。
假设防爆电池中电池包容量为X，以防爆电池成本最低为目标计算单节电池的数量及单节电池中单体电池的数量过程为：
防爆电池的成本W为：
Figure BDA0003039794890000081
其中，q为电池价格(元/Wh)，n为单节电池单体电池的数量(个)，s为绝热隔板价格(元/m2)，c为电池箱高(cm)，d为电池箱宽(cm),e为电池箱长(cm),t为输送管道价格(元/m)，r为电磁阀价格(元/个)，p为吸热剂价格(元/kg)。
当W最小时，求得：
Figure BDA0003039794890000082
在实际使用时，n取整数。
从而以防爆电池成本最低为目标，计算出单节电池中单体电池的数量，进而确定处单节电池的数量。
以额定电压3.2V、电池容量为25Ah的磷酸铁锂单体电池为例，对吸热剂的质量确定、单节电池中单体电池的数量确定进行说明。
其中，磷酸铁锂单体电池发生的爆炸预警温度为135℃，比热容Cp为1158J/(kg·K)。
磷酸铁锂单体电池的参数如表1所示。
表1
Figure BDA0003039794890000083
Figure BDA0003039794890000091
则磷酸铁锂单体电池所具备的能量为80Wh，发生爆炸时释放的能量为288000J。
使磷酸铁锂单体电池从爆炸预警温度降至20℃时，所需吸收的能量为70580.1J。
则，单体电池防爆所需的理论能量为358.6kJ。考虑到单体电池可能在任何情况下发生爆炸，选定单体电池爆炸时释放的能量最大值进行计算。
吸热剂选用高稳定性氟碳物质，其沸点为47℃，具有良好的流动性，极低的粘度(低于清水)，不燃不爆，无毒无害无刺激性，无腐蚀性。高稳定性氟碳物质的相关数据下表给出：
项目 沸点 密度ρ 比热容C<sub>p</sub> 汽化热r
参数 47℃ 1.587g/cm<sup>3</sup> 1.26J/(kg·℃) 121.7J/g
选定单体电池防爆所需的理论热量与实际热量的效率u为1.1
则单体电池防爆所需的实际能量为326kJ。
根据公式(2)计算单体电池防爆所需高稳定性氟碳物质的质量为9.55kg，该材料的密度ρ为1.587g/cm3，则所需材料的体积V为6017.6cm3。
假设一个电池包的容量为1000Ah，防爆电池中原材料的成本如下表所示：
Figure BDA0003039794890000092
Figure BDA0003039794890000101
则，根据公式(3)计算，当防爆电池成本最小时，单节电池需由11个单体电池组成，取n＝10，采用五串两并的方式将10个单体电池连接成单节电池，此单节电池的电压为16V，容量为50Ah。
为防止该单节电池发生爆炸，因此需要95.5kg的高稳定性氟碳物质，其体积为60176cm3。
此电池包由4组单节电池并联而成，其电压为16V，容量为1000Ah。
本实施例公开的一种防爆电池，首次运用高稳定性氟碳物质作为电池降温的吸热剂，该材料高效节能，节省空间，对电池防爆预警提出了可行性装置，防止电池出现燃烧爆炸的安全事故，并保护电池包中正常工作的其他单节电池，为实现成本最优，对单节电池中单体电池的数量提出了算法，对预防单节电池爆炸的吸热量以及所需吸热剂的体积进行了估算。
实施例2
在该实施例中，公开了一种防爆电池的防爆方法，包括：
采集单体电池的温度；
当单体电池的温度达到爆炸预警温度时；
向安装该单体电池的电池安装间内释放设定质量的吸热剂，对单节电池进行防爆。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种防爆电池，其特征在于，包括：存储吸热剂的相变材料储存箱和包含多个电池安装间的电池箱，每个电池安装间内安装由多个单体电池组成的单节电池，相变材料储存箱连接输送管道的一端，输送管道的另一端伸入电池安装间内部，输送管道在每个电池安装间内的出口处设置电磁阀，电磁阀与控制器连接，控制器用于当某单体电池温度达到爆炸预警温度时，控制相应电池安装间内的电磁阀打开，向该电池安装间内释放设定质量的吸热剂；
所述输送管道包括总管道和支管道，总管道与相变材料储存箱连通，支管道的一端与总管道连通，另一端伸入电池安装间内部，电磁阀安装于支管道上，总管道上设置泵；
相邻电池安装间之间设置绝热隔板，单体电池上设置温度传感器；
所述单节电池由多个单体电池串联而成，单节电池中单体电池的数量，以防爆电池成本最低为目标计算获得，具体计算方法为：假设防爆电池中电池包采用满电磷酸铁锂单体电池，防爆电池的成本W为：
Figure FDA0003846700970000011
其中，q为电池价格，n为单节电池中单体电池的数量，s为绝热隔板价格，c为电池箱高，d为电池箱宽，e为电池箱长，t为输送管道价格，r为电磁阀价格，p为吸热剂价格，a为单体电池的额定电压，b为单体电池容量，ab为电池额定能量，u为实际热量的效率，k为吸热剂比热容，i为吸热剂的沸点，l为汽化热，f为单体电池的质量，h为单体电池的比热容，g为设置的爆炸预警温度；
当W最小时，求得：
Figure FDA0003846700970000021
在实际使用时，n取整数，
从而以防爆电池成本最低为目标，计算出单节电池中单体电池的数量，进而确定出单节电池的数量；
所述相变材料储存箱向电池安装间内释放设定质量的吸热剂，该设定质量通过单体电池防爆所需吸收的能量确定。
2.如权利要求1所述的一种防爆电池，其特征在于，电池箱上设置安全气阀，用于吸热剂浸没单节电池吸热气化后的汽体排出电池箱。
3.如权利要求1所述的一种防爆电池，其特征在于，相变材料储存箱内储存的吸热剂为氟碳物质。
4.如权利要求1～3之一所述的一种防爆电池的防爆方法，其特征在于，包括：
采集单体电池的温度；
当单体电池的温度达到爆炸预警温度时；
向安装该单体电池的电池安装间内释放设定质量的吸热剂，对单节电池进行防爆。
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