CN113593194B - 一种储能用锂离子电池热失控预警方法及预警消防系统 - Google Patents

一种储能用锂离子电池热失控预警方法及预警消防系统 Download PDF

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Abstract

一种储能用锂离子电池热失控预警方法及预警消防系统，属于锂离子电池热失控技术领域。所述储能用锂离子电池热失控预警方法包括：温度传感器检测电池单体内部的温度T，气体传感器检测氢气的浓度、二氧化碳的浓度、一氧化碳的浓度、甲烷的浓度、乙烯的浓度、乙烷的浓度和烟雾浓度，发送到主控单元，主控单元进行判断；所述储能用锂离子电池热失控预警消防系统包括特征采集装置、主控单元、报警装置和消防装置，特征采集装置检测电池热失控特征参数发送到主控单元，主控单元根据储能用锂离子电池热失控预警方法控制报警装置和消防装置工作。所述储能用锂离子电池热失控预警方法及预警消防系统能够对电池热失控进程的危险阶段做出预警。

Description

一种储能用锂离子电池热失控预警方法及预警消防系统
技术领域
本发明涉及锂离子电池热失控技术领域，特别涉及一种储能用锂离子电池热失控预警方法及预警消防系统。
背景技术
国内针对电化学储能电站消防系统设计多依据GB 50370-2005《气体灭火系统设计规范》、GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》等，通过设置感烟火灾探测器、感温火灾探测器实时监测火警信息，并上传至灭火控制器，一旦探测到火警信息，发出报警信号，自动启动气体灭火装置，喷射灭火剂，抑制电池热失控蔓延。
专利CN 112316332 A提出了一种用于锂离子电池柜的预警方法，预警特征包括温度、特征气体、烟雾、火焰，灭火系统为位于锂电池四周的喷头和灭火剂存储罐。三级预警包括：1，锂电池温度异常但未达到预设温度阈值；2，锂电池温度高于预设阈值且检测到特征气体、烟雾信号和火焰信号；3，锂电池温度高于预设阈值且特征气体浓度、烟雾浓度持续上升并高于预设阈值，其消防措施为喷洒不同剂量的灭火剂，该专利监测电池外部温度信息，但是电池内外存在明显的温度差，导致其不能准确反应电池热失控状态。专利CN108008083 A提出了一种基于气体监测的锂离子电池组热失控自动报警器，由收集装置、气体监测装置、控制装置和报警装置组成。收集装置包括安装在电池正极上方的收集罩、阻火器、气泵；监测装置包括气体收集箱、气体感应器、杜邦线。其预警方法为气体收集罩收集锂离子电池逸出的气体，由气泵传至气体感应器，其设置的CO和H2的浓度阈值均为120ppm，当其中一种气体浓度达到阈值时发出报警信号，该专利的H2浓度阈值设置不合理，并且只是通过单一的气体进行监测，结果可靠性差，容易误报和错报，而且，上述两个专利均不能有效避免电池热失控产生的混合气体导致的爆炸问题。
目前，储能电站系统的热失控预警装置，预警策略不完善，且预警与消防缺乏联动，即消防缺乏针对性。首先，现有预警策略没有针对特征气体爆炸极限做出预警，相对于电池燃烧来说，可燃气体可以随气流扩散，其爆炸带来的危害远大于燃烧，现有预警策略涉及到的温度预警所监测的温度来源于电池表面，不能真实反应电池内部温度信息，但电池内部的温度决定了热失控化学反应的程度。其次，现有的消防措施大多是在电池起火之后进行灭火，当预警系统将监测热失控的时间提前之后，消防措施应该在早期阶段对电池进行散热、阻燃等预防措施，防止燃烧。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种储能用锂离子电池热失控预警方法及预警消防系统，其能够对电池热失控进程的危险阶段做出预警，并针对可燃混合气体的爆炸做出预警，同时系统根据预警级别，第一时间做出应急自动消防处理，预防电池状态进一步恶化。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种储能用锂离子电池热失控预警方法，包括：
温度传感器检测电池单体内部的温度T，并发送到主控单元；
气体传感器检测气体收集箱内氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6和烟雾浓度，并发送到主控单元；
所述主控单元判断锂离子电池的工作状态，启动对应的预警、消防措施。
进一步的，所述主控单元判断锂离子电池的工作状态，启动对应的预警、消防措施，具体包括：
(1)如果T＜T1，则电池单体为正常工作状态，T1为电池单体内部温度的阈值下限；
(2)如果T1≤T＜T2，启动一级预警，启动一级消防措施，T2为电池单体内部温度的阈值上限；
(3)如果T≥T2、c3＜cco、并且
Figure BDA0003176657110000021
启动二级预警，启动二级消防措施，cco为一氧化碳的浓度设定阈值，
Figure BDA0003176657110000022
为氢气的浓度设定阈值；
(4)如果c3≥cco和/或
Figure BDA0003176657110000023
启动三级预警，启动三级消防措施；
(5)如果
Figure BDA0003176657110000024
启动四级预警，启动四级消防措施，X为混合气体总浓度占比，
Figure BDA0003176657110000025
为混合气体可燃极限阈值下限，
Figure BDA0003176657110000026
为混合气体可燃极限阈值上限；
(6)如果烟雾浓度大于等于烟雾浓度设定阈值，启动五级预警，启动五级消防措施。
进一步的，所述混合气体可燃极限阈值下限
Figure BDA0003176657110000027
小于混合气体可燃下极限XL，所述混合气体可燃极限阈值上限
Figure BDA0003176657110000028
大于混合气体可燃上极限XU，所述混合气体总浓度占比X、混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU按照如下方式计算：
1)计算混合气体总浓度占比X：
锂离子电池热失控排气混合气体中单组分浓度占比表示为：
Figure BDA0003176657110000029
得到：氢气的浓度占比X1、二氧化碳的浓度占比X2、一氧化碳的浓度占比X3、甲烷的浓度占比X4、乙烯的浓度占比X5和乙烷的浓度占比X6；
混合气体总浓度占比X：
X＝X1+X2+X3+X4+X5+X6 (2)
2)计算混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU：
计算混合气体燃烧反应中空气的化学计量系数k：
Figure BDA0003176657110000031
针对混合气体根据燃料计算的无量纲吸热量QF：
Figure BDA0003176657110000032
针对混合气体根据燃料计算的无量纲放热量HF：
Figure BDA0003176657110000033
针对混合气体根据氧气计算的无量纲放热量HO：
Figure BDA0003176657110000034
式中，ki为混合气体中单组分气体燃烧反应空气的化学计量系数；QF,i为混合气体中单组分气体燃烧的无量纲吸热量；HF,i为混合气体中单组分气体燃烧的无量纲放热量；HO,i为混合气体中单组分气体燃烧时根据氧气计算的无量纲放热量；
得到混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU：
Figure BDA0003176657110000035
Figure BDA0003176657110000036
式中，cD为惰性气体浓度，QAir为空气的无量纲吸热量，QD为惰性气体的无量纲吸热量。
进一步的，所述一级预警、二级预警、三级预警、四级预警和五级预警均通过报警指示灯闪烁发出预警信号，所述四级预警时，蜂鸣器响；
所述一级消防措施为：对电池单体表面进行散热；
所述二级消防措施为：电池模组断电，风机一将电池模组内的气体抽取到气体收集箱内，并经过气体处理装置处理后排出；
所述三级消防措施为：风机二向电池模组内输送惰性气体，降低危险气体浓度，并且风机一持续工作，将危险气体抽离电池模组；
所述四级消防措施为：风机一和风机二均持续工作，灭火剂喷管向电池单体喷射阻燃剂；
所述五级消防措施为：灭火剂喷管向电池单体喷射灭火剂。
一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，包括特征采集装置、主控单元、报警装置和消防装置；
所述特征采集装置检测电池热失控特征参数发送到主控单元，所述主控单元根据上述储能用锂离子电池热失控预警方法控制报警装置和消防装置工作。
进一步的，所述电池热失控特征参数包括电池单体内部的温度T以及气体收集箱内氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6和烟雾浓度。
进一步的，所述特征采集装置包括设置于电池单体内部的温度传感器、与电池模组通过风机一连通的气体收集箱、以及设置于所述气体收集箱内部的气体传感器，所述气体传感器包括氢气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、乙烯传感器、乙烷传感器和烟雾传感器。
进一步的，所述电池模组的上方设置有气体收集罩，所述气体收集罩通过管道与所述风机一的入口相连，所述风机一的出口与所述气体收集箱相连，所述气体收集箱通过排气管与气体处理装置相连，气体处理装置用于消除有害气体。
进一步的，所述报警装置包括报警指示灯和蜂鸣器；所述消防装置包括分布于电池单体表面的散热管、与电池模组通过风机二连通的储气罐、以及设置于电池模组内壁的灭火剂喷管，所述散热管通过管道与泵机相连，所述泵机与储存有冷却液的储液罐相连；所述风机二的入口与所述储气罐相连，所述风机二的出口与设置于电池模组外部的气体输送罩相连。
进一步的，所述主控单元分别与气体传感器和温度传感器相连；所述主控单元还分别与报警指示灯、蜂鸣器、风机一、风机二、泵机和灭火剂喷管相连。
本发明的有益效果：
1)本发明通过置于电池内部的温度传感器监测其内部温度信息，目前的锂离子电池温度预警均监测电池外部温度，但是热失控过程中电池内部温度明显大于外部温度，相对于现有预警系统而言，本发明监测电池内部温度大大提前首次预警时间，留出更多反应时间；
2)本发明通过风机一将电池产生的危险混合气吸入气体管道，经气体传感器检测后排入气体处理装置，气体处理装置消除有害气体后排出电站，防止污染环境；
3)本发明在混合气爆炸前进行预警，通过对一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、乙烯和乙烷混合气的爆炸极限进行研究，得到了混合气的爆炸范围，确定混合气体可燃极限阈值下限和混合气体可燃极限阈值上限，在气体即将爆炸时进行预警，大大降低了电站的危险性，实用价值较高，克服了现有预警系统及消防装置没有涉及到混合气的可燃极限的缺陷；
4)本发明实现了报警-消防的联动，依据不同级别的预警，设置了有针对性的消防措施，且消防装置由主控单元自动控制，使得预警消防系统能在热失控发生后、工作人员采取措施前，第一时间做出应急处理，提高了安全性。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供一种储能用锂离子电池热失控预警方法的预警流程图；
图2是本发明实施例提供的一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统的整体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的电池模组的内部结构示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
1、电池模组；2、电池单体；3、风机一；4、风机二；5、储液罐；6、手动控制开关；7、储气罐；8、阻燃电缆；9、气体收集箱；10、气体传感器；11、主控单元；12、排气管；13、气体处理装置；14、蜂鸣器；15、报警指示灯；16、风机一启动指示灯；17、风机二启动指示灯；18、泵机启动指示灯；19、泵机；20、温度传感器；21、灭火剂喷管；22、散热管；23、气体收集罩，24、气体输送罩。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种储能用锂离子电池热失控预警方法，用于监测储能用锂离子电池的工作状态，包括：
温度传感器20检测电池单体2内部的温度T，并发送到主控单元11；
气体传感器10检测气体收集箱9内氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6和烟雾浓度，并发送到主控单元11；
主控单元11判断锂离子电池的工作状态，启动对应的预警、消防措施。
本发明中，主控单元11判断锂离子电池的工作状态，启动对应的预警、消防措施，具体包括：
(1)如果T＜T1，则电池单体2为正常工作状态，T1为电池单体2内部温度的阈值下限；
(2)如果T1≤T＜T2，启动一级预警，启动一级消防措施，T2为电池单体2内部温度的阈值上限；
(3)如果T≥T2、c3＜cco、并且
Figure BDA0003176657110000061
启动二级预警，启动二级消防措施，cco为一氧化碳的浓度设定阈值，
Figure BDA0003176657110000062
为氢气的浓度设定阈值；
(4)如果c3≥cco和/或
Figure BDA0003176657110000063
启动三级预警，启动三级消防措施；
(5)如果
Figure BDA0003176657110000064
启动四级预警，启动四级消防措施，X为混合气体总浓度占比，
Figure BDA0003176657110000065
为混合气体可燃极限阈值下限，
Figure BDA0003176657110000066
为混合气体可燃极限阈值上限；
(6)如果烟雾浓度大于等于烟雾浓度设定阈值，启动五级预警，启动五级消防措施。
本实施例中，电池模组1采用电站内使用的电池模组1，其外壁有通气孔，其内部有若干个电池单体2，只要有任何一个电池单体2满足一级预警、二级预警、三级预警、四级预警或五级预警的条件，就进行预警，对应的，启动一级消防措施、二级消防措施、三级消防措施、四级消防措施或者五级消防措施。温度传感器20采用布拉格光纤传感器或者电阻温度传感器20。锂离子电池热失控排气混合气体包括一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、乙烯和乙烷。电池单体2内部温度的阈值下限T1＝80℃、电池单体2内部温度的阈值上限T2＝150℃、一氧化碳的浓度设定阈值cco＝100ppm、氢气的浓度设定阈值
Figure BDA0003176657110000067
混合气体可燃极限阈值下限
Figure BDA0003176657110000068
混合气体可燃极限阈值上限
Figure BDA0003176657110000069
烟雾浓度设定阈值为6.5％obs/m。
本发明中，混合气体可燃极限阈值下限
Figure BDA00031766571100000610
小于混合气体可燃下极限XL，混合气体可燃极限阈值上限
Figure BDA00031766571100000611
大于混合气体可燃上极限XU，混合气体总浓度占比X、混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU按照如下方式计算：
1)计算混合气体总浓度占比X：
根据氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6，锂离子电池热失控排气混合气体中单组分浓度占比表示为：
Figure BDA00031766571100000612
得到：氢气的浓度占比X1、二氧化碳的浓度占比X2、一氧化碳的浓度占比X3、甲烷的浓度占比X4、乙烯的浓度占比X5和乙烷的浓度占比X6；
混合气体总浓度占比X：
X＝X1+X2+X3+X4+X5+X6 (2)
2)计算混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU
混合气体燃烧过程各组分的反应通式为：
Mi+ki(O2+3.773N2)+cDD＝jiH2O+hiCO2+3.773kiN2+cDD
式中，Mi为混合气体，其中，M1为氢气、M2为二氧化碳、M3为一氧化碳、M4为甲烷、M5为乙烯、M6为乙烷；ki为混合气体中单组分气体燃烧反应空气的化学计量系数；ji为生成物水的化学计量系数、hi为生成物二氧化碳的化学计量系数；cD为惰性气体浓度；D为惰性气体；
计算混合气体燃烧反应中空气的化学计量系数k：
Figure BDA0003176657110000071
针对混合气体根据燃料计算的无量纲吸热量QF：
Figure BDA0003176657110000072
针对混合气体根据燃料计算的无量纲放热量HF：
Figure BDA0003176657110000073
针对混合气体根据氧气计算的无量纲放热量HO：
Figure BDA0003176657110000074
式中，ki为混合气体中单组分气体燃烧反应空气的化学计量系数；QF,i为混合气体中单组分气体燃烧的无量纲吸热量；HF,i为混合气体中单组分气体燃烧的无量纲放热量；HO,i为混合气体中单组分气体燃烧时根据氧气计算的无量纲放热量；
QF,i、HF,i和HO,i的值只与气体的种类有关，与气体的体积百分比无关，QF,i、HF,i和HO,i的值按如下方式得到：
根据燃烧过程中各组分的吸热量和放热量相等，混合气中单组分气体的可燃下极限xL,i和可燃上极限xU,i，按照下面公式计算：
xL,iQF,i+cDQD+(1-xL,i-cD)QAir＝xL,iHF,i，i＝1,3,4,5,6 (7)
Figure BDA0003176657110000081
式中，xL,i为混合气中单组分气体的可燃下极限；xU,i为混合气中单组分气体的可燃上极限；QAir为空气的无量纲吸热量，QAir被标定为1，在确定可燃气的绝热火焰温度(AFT)后，可以得到燃料和稀释气的冷却能力，例如当AFT＝1600K时，QF,2＝1.603；QD为惰性气体的无量纲吸热量；
整理后，混合气中单组分气体的可燃极限计算式为：
Figure BDA0003176657110000082
Figure BDA0003176657110000083
因此，QF,i、HF,i和HO,i值可以根据极限工况下的xL,i和xU,i进行计算，并且QF,i、HF,i和HO,i的值只与气体的种类有关，取cD为0；氢气在空气工况下的可燃极限为4.0％～75.0％，一氧化碳在空气工况下的可燃极限为12.0％～74.5％，甲烷在空气工况下的可燃极限为4.9％～15.0％，乙烯在空气工况下的可燃极限为2.75％～34.0％，乙烷在空气工况下的可燃极限为3.0％～15.0％，将这些标准可燃极限值带入式(9)、(10)中，能够求解得到QF,i、HF,i和HO,i，如表1所示：
表1
Figure BDA0003176657110000084
本发明中，通过不同的i值来区分不同气体的数据，比如i为1时，表述氢气的相关数据；i为2时，表述二氧化碳的相关数据；i为3时，表述一氧化碳的相关数据；i为4时，表述甲烷的相关数据；i为5时，表述乙烯的相关数据；i为6时，表述乙烷的相关数据。
在得到了QF,i、HF,i和HO,i后，对混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU进行如下计算：
在混合气体可燃下极限XL处，空气过剩，燃料反应完全，则有：
Figure BDA0003176657110000091
即得：
XLQF+cDQD+(1-XL-cD)QAir＝XLHF (12)
整理得：
Figure BDA0003176657110000092
在公式(11)中，左边前5项表示混合气体中可燃组分的吸热量，左边第6项表示混合气中不参与燃烧反应的二氧化碳的吸热量，左边第7项表示不参与反应的稀释气体的吸热量，即左边第6、7两项之和可认为是稀释气体的吸热量，左边第8项表示反应中空气的吸热量；右边5项表示混合气中可燃组分的放热量。
在混合气体可燃上极限XU处，燃料过剩，空气反应完全，则有：
Figure BDA0003176657110000093
即得：
Figure BDA0003176657110000094
整理得：
Figure BDA0003176657110000095
在公式(14)中，左边前5项表示混合气体中可燃组分的吸热量，左边第6项表示混合气中不参与燃烧反应的二氧化碳的吸热量，左边第7项表示不参与反应的稀释气的吸热量，即左边第6、7两项之和可认为是稀释气体的的吸热量，左边第8项表示燃烧反应中消耗的空气的吸热量；右边表示燃烧过程中混合气可燃组分对应氧气的放热量。
将前面得到得混合气中单组分可燃气相关值代入到公式(4)、(5)、(6)中，得：
QF＝3.5089X1+1.603X2+0.8283X3+14.4060X4+3.3004X5+8.0224X6 (17)
HF＝27.50897X1+8.1617X3+33.8142X4+38.6640X5+40.3557X6 (18)
HO＝55.01794X1+16.3233X3+16.9071X4+12.8880X5+11.5302X6 (19)
将公式(17)、(18)、(19)代入公式(13)和(16)中，得到：
Figure BDA0003176657110000101
Figure BDA0003176657110000102
荷电状态对电池热失控排出混合气体可燃下极限和可燃上极限的影响：
当稀释气浓度cD为0时，即锂电池排气直接在外界空气环境下被点燃，不受其他稀释气影响，此时将cD＝0以及X1、X2、X3、X4、X5、X6的值代入到上述理论推导公式中，得到的可燃极限值即为不同荷电状态锂电池排气的可燃极限，如表2所示：
荷电状态(％) 可燃下极限X<sub>L</sub>(％) 可燃上极限X<sub>U</sub>(％)
25 16.9124611 34.65339535
50 10.14775126 52.86813964
75 8.023428411 56.823844
100 8.457446359 58.43287082
120 8.701705534 60.13755782
132 8.400325933 62.27249072
可以发现，随着电池荷电状态(SOC)的增加，排放气体的可燃下极限(LFL)逐渐下降然后趋于平稳，排放气体的可燃上极限(UFL)逐渐上升。从表2中可以看出，当锂电池带电荷低于50％SOC时，LFL处在一个相对较高的位置。电池应以低于50％SOC的状态储存，并储存在不太干燥的环境中，以降低锂离子电池爆炸的风险。最好不要将SOC保持在75％以上，这是一个较低的LEL，当热失控发生时，危险风险很高。这也为锂电池的储存标准提出要求，尽量避免锂电池在高SOC条件下储存。
混合气体可燃极限阈值上限选取需要保证在混合气体可燃上极限最大值之上，混合气体可燃极限阈值下限选取需要保证在混合气体可燃下极限最小值之下。通过计算结果我们可以得到，在SOC＝132％时为混合气体可燃上极限最大值，此时混合气体可燃上极限值为62.27249％；在SOC＝75％时为混合气体可燃下极限最小值，此时混合气体可燃下极限值为8.023428％。考虑到锂电池排气是一个瞬态的变化，排气时间相对较短，因此采用较低的阈值修正，取安全系数为0.8，则混合气体可燃极限阈值上限
Figure BDA0003176657110000103
混合气体可燃极限阈值下限
Figure BDA0003176657110000104
本发明混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU计算的原理(锂电池排气可燃极限的计算模型)：
热理论认为，混合气体中的可燃气体，氧气和稀释气体都具备冷却或者加热能力。在燃烧反应过程中，混合气体中的各组分都吸收能量，即都具备冷却能力；而燃料气体和氧气都释放能量，即具备加热能力。
使用无量纲数对气体燃料混合物中各部分的吸热量和放热量进行人为标定，空气的吸热量和放热量都被标定为1。以空气为基准，通过对比得到其它部分的吸热量或者放热量。这样做有两方面的依据：首先，稀释气对气体燃料的影响在LFL和UFL处是相同的，气体燃料的放热量不会发生改变；其次，气体燃料混合物的绝热火焰温度保持恒定，不随燃料浓度发生改变。这保证了混合物中各部分的吸热量不随浓度的改变而发生变化。基于热理论，推导了锂电池排气可燃极限的计算模型。
本发明中，一级预警、二级预警、三级预警、四级预警和五级预警均通过报警指示灯15闪烁发出预警信号，四级预警时，蜂鸣器14响。本实施例中，报警指示灯15通过数量或者颜色区分不同级别的预警，比如，一级预警、二级预警、三级预警、四级预警和五级预警中，每级预警时报警指示灯15闪烁的数量不同，或者，每级预警时报警指示灯15闪烁的颜色不同。
一级消防措施为：对电池单体2表面进行散热；二级消防措施为：电池模组1断电，风机一3将电池模组1内的气体抽取到气体收集箱9内，并经过气体处理装置13处理后排出；三级消防措施为：风机二4向电池模组1内输送惰性气体，降低危险气体浓度，并且风机一3持续工作，将危险气体抽离电池模组1；四级消防措施为：风机一3和风机二4均持续工作，向电池单体2喷射阻燃剂；五级消防措施为：向电池单体2喷射灭火剂或阻燃剂。
本发明中，一级预警状态时，电池模组1危险性较低，虽然温度异常但是还未触发热失控；一级消防措施为：泵机19打开，抽取储液罐5中的冷却液通过散热管22流经电池单体2表面进行散热，泵机19工作指示灯亮起，散热管22缠绕在电池单体2表面，尽可能增大其与电池单体2的接触面积，增大散热速率。二级预警状态时，二级消防措施为：主控单元11控制电池模组1电源断开，主控单元11控制风机一3启动，风机一启动指示灯16亮起，风机一3通过气体收集罩23抽取电池模组1内的气体送至气体收集箱9内，气体再经排气管12排入气体处理装置13，气体处理装置13处理有害气体后排出，防止污染空气。三级预警状态时，三级消防措施为：主控单元11控制风机二4启动，风机二启动指示灯17亮起，风机二4通过气体管道将储气罐7内储存的惰性气体输送至电池模组1内部，降低危险气体浓度，并且，风机一3持续工作，将危险气体抽离电池模组1。四级预警状态时，为爆炸预警，表示电池单体2内部化学反应产生的危险气体浓度已经满足爆炸条件，是电池单体2最危险的状态，报警指示灯15闪烁的同时蜂鸣器14响；四级消防措施为：主控单元11控制风机一3和风机二4持续工作，主控单元11控制灭火剂喷管21向电池单体2喷射阻燃剂。五级预警状态时，电池单体2即将起火燃烧；五级消防措施为：主控单元11控制灭火剂喷管21向电池单体2喷射灭火剂。
如图2和图3所示，一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，包括特征采集装置、主控单元11、报警装置和消防装置；
特征采集装置检测电池热失控特征参数发送到主控单元11，主控单元11根据上述储能用锂离子电池热失控预警方法控制报警装置和消防装置工作。
电池热失控特征参数包括电池单体2内部的温度T以及气体收集箱9内氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6和烟雾浓度。
特征采集装置包括设置于电池单体2内部的温度传感器20、与电池模组1通过风机一3连通的气体收集箱9、以及设置于气体收集箱9内部的气体传感器10，气体传感器10包括氢气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、乙烯传感器、乙烷传感器和烟雾传感器。一氧化碳传感器用于检测一氧化碳的浓度c3、氢气传感器用于检测氢气的浓度c1，甲烷传感器用于检测甲烷的浓度c4、乙烯传感器用于检测乙烯的浓度c5、乙烷传感器用于检测乙烷的浓度c6、二氧化碳传感器用于检测二氧化碳的浓度c2和烟雾传感器用于检测烟雾浓度。
电池模组1的上方设置有气体收集罩23，气体收集罩23通过管道与风机一3的入口相连，风机一3的出口与气体收集箱9相连，气体收集箱9通过排气管12与气体处理装置13相连，气体处理装置13用于消除有害气体(一氧化碳、氢气、甲烷、乙烯、乙烷和氟化氢)，比如，通过气体处理装置13内的四氯化碳吸收甲烷、乙烯和乙烷。
报警装置包括报警指示灯15和蜂鸣器14；消防装置包括分布于电池单体2表面的散热管22、与电池模组1通过风机二4连通的储气罐7、以及设置于电池模组1内壁的灭火剂喷管21，散热管22通过管道与泵机19相连，泵机19与储存有冷却液的储液罐5相连；风机二4的入口与储气罐7相连，风机二4的出口与设置于电池模组1外部的气体输送罩24相连。本发明中，气体输送罩24优选设置于电池模组1的侧面或者底部；储气罐7内置有惰性气体，用于稀释电池模组1内的可燃气体，气体收集罩23将稀释后的气体通过风机一3和排气管12输送至气体处理装置13；灭火剂喷管21置于电池模组1内壁的两侧，其内部存有灭火剂或者阻燃剂，启动时将灭火剂或阻燃剂喷出，使灭火剂或阻燃剂覆盖于电池单体2表面。
主控单元11分别与气体传感器10和温度传感器20相连，温度传感器20检测电池单体2内部的温度T，并发送到主控单元11；气体传感器10检测气体收集箱9内氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6和烟雾浓度，并发送到主控单元11；主控单元11还分别与报警指示灯15、蜂鸣器14、风机一3、风机二4、泵机19和灭火剂喷管21相连，用于控制报警指示灯15、蜂鸣器14、风机一3、风机二4、泵机19和灭火剂喷管21工作。本实施例中，主控单元11可采用单片机，主控单元11还与手动控制开关6连接，系统出现故障时，通过手动控制开关6控制系统工作；主控单元11还分别与风机一启动指示灯16、风机二启动指示灯17和泵机启动指示灯18相连，风机一3工作时，风机一启动指示灯16亮；风机二4工作时，风机二启动指示灯17亮；泵机19工作时，泵机启动指示灯18亮；主控单元11与其他部件的连接均采用阻燃电缆8。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种储能用锂离子电池热失控预警方法，其特征在于，包括：
温度传感器检测电池单体内部的温度T，并发送到主控单元；
气体传感器检测气体收集箱内氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6和烟雾浓度，并发送到主控单元；
所述主控单元判断锂离子电池的工作状态，启动对应的预警、消防措施，具体包括：
(1)如果T＜T1，则电池单体为正常工作状态，T1为电池单体内部温度的阈值下限；
(2)如果T1≤T＜T2，启动一级预警，启动一级消防措施，T2为电池单体内部温度的阈值上限；
(3)如果T≥T2、c3＜cco、并且
Figure FDA0003553185860000011
启动二级预警，启动二级消防措施，cco为一氧化碳的浓度设定阈值，
Figure FDA0003553185860000012
为氢气的浓度设定阈值；
(4)如果c3≥cco和/或
Figure FDA0003553185860000013
启动三级预警，启动三级消防措施；
(5)如果
Figure FDA0003553185860000014
启动四级预警，启动四级消防措施，X为混合气体总浓度占比，
Figure FDA0003553185860000015
为混合气体可燃极限阈值下限，
Figure FDA0003553185860000016
为混合气体可燃极限阈值上限；
(6)如果烟雾浓度大于等于烟雾浓度设定阈值，启动五级预警，启动五级消防措施；
所述混合气体可燃极限阈值下限
Figure FDA0003553185860000017
小于混合气体可燃下极限XL，所述混合气体可燃极限阈值上限
Figure FDA0003553185860000018
大于混合气体可燃上极限XU，所述混合气体总浓度占比X、混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU按照如下方式计算：
1)计算混合气体总浓度占比X：
锂离子电池热失控排气混合气体中单组分浓度占比表示为：
Figure FDA0003553185860000019
得到：氢气的浓度占比X1、二氧化碳的浓度占比X2、一氧化碳的浓度占比X3、甲烷的浓度占比X4、乙烯的浓度占比X5和乙烷的浓度占比X6；
混合气体总浓度占比X：
X＝X1+X2+X3+X4+X5+X6 (2)
2)计算混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU：
计算混合气体燃烧反应中空气的化学计量系数k：
Figure FDA00035531858600000110
针对混合气体根据燃料计算的无量纲吸热量QF：
Figure FDA00035531858600000111
针对混合气体根据燃料计算的无量纲放热量HF：
Figure FDA0003553185860000021
针对混合气体根据氧气计算的无量纲放热量HO：
Figure FDA0003553185860000022
式中，ki为混合气体中单组分气体燃烧反应空气的化学计量系数；QF,i为混合气体中单组分气体燃烧的无量纲吸热量；HF,i为混合气体中单组分气体燃烧的无量纲放热量；HO,i为混合气体中单组分气体燃烧时根据氧气计算的无量纲放热量；
得到混合气体可燃下极限XL和混合气体可燃上极限XU：
Figure FDA0003553185860000023
Figure FDA0003553185860000024
式中，cD为惰性气体浓度，QAir为空气的无量纲吸热量，QD为惰性气体的无量纲吸热量。
2.根据权利要求1所述的一种储能用锂离子电池热失控预警方法，其特征在于，
所述一级预警、二级预警、三级预警、四级预警和五级预警均通过报警指示灯闪烁发出预警信号；所述四级预警时，蜂鸣器响；
所述一级消防措施为：对电池单体表面进行散热；
所述二级消防措施为：电池模组断电，风机一将电池模组内的气体抽取到气体收集箱内，并经过气体处理装置处理后排出；
所述三级消防措施为：风机二向电池模组内输送惰性气体，降低危险气体浓度，并且风机一持续工作，将危险气体抽离电池模组；
所述四级消防措施为：风机一和风机二均持续工作，灭火剂喷管向电池单体喷射阻燃剂；
所述五级消防措施为：灭火剂喷管向电池单体喷射灭火剂。
3.一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，其特征在于，包括特征采集装置、主控单元、报警装置和消防装置；
所述特征采集装置检测电池热失控特征参数发送到主控单元，所述主控单元根据权利要求1所述的储能用锂离子电池热失控预警方法控制报警装置和消防装置工作。
4.根据权利要求3所述的一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，其特征在于，所述电池热失控特征参数包括电池单体内部的温度T以及气体收集箱内氢气的浓度c1、二氧化碳的浓度c2、一氧化碳的浓度c3、甲烷的浓度c4、乙烯的浓度c5、乙烷的浓度c6和烟雾浓度。
5.根据权利要求3所述的一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，其特征在于，所述特征采集装置包括设置于电池单体内部的温度传感器、与电池模组通过风机一连通的气体收集箱、以及设置于所述气体收集箱内部的气体传感器，所述气体传感器包括氢气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、乙烯传感器、乙烷传感器和烟雾传感器。
6.根据权利要求5所述的一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，其特征在于，所述电池模组的上方设置有气体收集罩，所述气体收集罩通过管道与所述风机一的入口相连，所述风机一的出口与所述气体收集箱相连，所述气体收集箱通过排气管与气体处理装置相连，气体处理装置用于消除有害气体。
7.根据权利要求6所述的一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，其特征在于，所述报警装置包括报警指示灯和蜂鸣器；所述消防装置包括分布于电池单体表面的散热管、与电池模组通过风机二连通的储气罐、以及设置于电池模组内壁的灭火剂喷管，所述散热管通过管道与泵机相连，所述泵机与储存有冷却液的储液罐相连；所述风机二的入口与所述储气罐相连，所述风机二的出口与设置于电池模组外部的气体输送罩相连。
8.根据权利要求7所述的一种储能用锂离子电池热失控预警消防系统，其特征在于，所述主控单元分别与气体传感器和温度传感器相连；所述主控单元还分别与报警指示灯、蜂鸣器、风机一、风机二、泵机和灭火剂喷管相连。
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