CN113594565A - 一种用于储能电池站主动安全防护系统及方法 - Google Patents

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彭梁
戢行毅
王妍萍
杨曦
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Abstract

本发明属于储能电池技术领域，具体涉及一种用于储能电池站主动安全防护系统及方法。其技术方案为：一种用于储能电池站主动安全防护系统，包括安装于相邻锂电池模组之间的若干温度传感器和若干气体浓度探测器；还包括控制装置，锂电池模组、温度传感器和气体浓度探测器均与控制装置电连接；还包括灭火剂储罐，灭火剂储罐上连接有泵组，泵组的出口连接有灭火剂输送管道，灭火剂输送管道上连接有若干分支管道，分支管道上安装有电磁阀，锂电池模组上安装有喷嘴，喷嘴伸进锂电池模组内，喷嘴通过管道与分支管道连接，泵组和电磁阀均与控制装置电连接。本发明提供了一种能及时探测热失控并进行处理的用于储能电站主动安全防护系统及方法。

Description

一种用于储能电池站主动安全防护系统及方法
技术领域
本发明属于储能电池技术领域，具体涉及一种用于储能电池站主动安全防护系统及方法。
背景技术
现有的储能电池温度探测系统多通过在集装箱设置点型温度传感器，对环境温度进行探测，具有响应严重滞后，无法真实有效反应电池组内电芯发生热失控的时间点，也无法准确定位失控电池组。现有BMS(电池管理系统)当中也有针对电芯温度的监测预警，但多数仅对电池组内的数个焊接点温度进行监测。由于精确到单个电芯温度管理的技术成本较高难以普及，无法有效对单个电芯的热失控产生的温度异常进行监控，同样存在响应滞后。
现有的气体浓度探测仪仅能针对单一气源进行浓度探测，而锂电池模组发生热失控或故障时，电芯将释放出CO、H2、CH4等可燃气体，现有的气体浓度探测装置难以对多元混合气体的浓度分析与判定问题。并且，储能电池气体探测系统目前多通过在集装箱设置点型气体浓度探测器，对环境气体浓度进行探测，具有响应严重滞后，无法真实有效反应电池组内电芯发生热失控的时间点，也无法准确定位失控电池组。
现有的储能电池探测系统无法早期热失控时释放的气体进行浓度、温度等各种参数进行全面探测，从而无法及时、准确发现早期热失控并进行相应处理。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种能及时探测热失控并进行处理的用于储能电站主动安全防护系统及方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于储能电池站主动安全防护系统，包括安装于相邻锂电池模组之间的若干温度传感器和若干气体浓度探测器；还包括控制装置，若干锂电池模组、若干温度传感器和若干气体浓度探测器均与控制装置电连接；还包括灭火剂储罐，灭火剂储罐上连接有泵组，泵组的出口连接有灭火剂输送管道，灭火剂输送管道上连接有若干分支管道，分支管道上安装有电磁阀，锂电池模组上安装有喷嘴，喷嘴伸进锂电池模组内，喷嘴通过管道与分支管道连接，泵组和电磁阀均与控制装置电连接。
本发明的温度传感器嵌入式地安装于锂电池模组之间的间隙内，则温度传感器能及时探测锂电池模组的电芯发生热失控时释放的高热气体的温度，气体浓度探测器能及时探测可燃气体浓度，从而可根据探测结果判断早期热失控的发生并迅速定位发生热失控的锂电池模组，为及时灭火创造必要条件。控制装置接收温度传感器和气体浓度探测器的信号，并计算温升速率，控制装置还可检测锂电池模组的电压降速率，从而方便通过锂电池模组的锂电池模组电压降速率、绝对温度、温升速率和气体浓度来判断早期热失控。
根据工信部的《电动客车安全技术条件》和即将实施的国家标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，对于热失控状态判定，一般依据以下条件：当以下的①、③同时发生或②、③同时发生时，判定发生热失控：①监测点温度达到制造商规定的最高工作温度(一般为60℃)；②电池电压下降值超过初始电压25％；③监测点温升速率≥1℃/s,且持续3s以上。
作为本发明的优选方案，所述温度传感器为光纤光栅测温元件或热敏电阻传感器。使用光纤光栅测温元件进行测温，容易实现对被测信号的远距离监控。光纤光栅测温元件电绝缘性能好、抗雷击性能好、抗电磁干扰能力强、长期稳定性好，且具有高灵敏度的优点。
作为本发明的优选方案，所述气体浓度探测器包括CO浓度探测器、H2浓度探测器、CH4浓度探测器。本发明对CO浓度、H2浓度、CH4浓度均设置一级预警阈值和二级报警阈值，并设置判断热失控或其他故障的规则，即：当CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任意两个出现一级预警时或任意一个出现二级报警时则判断锂电池模组内部电芯出现包括热失控的若干故障中的一种或多种。因此，本发明能通过气体探测监控来判定储能电池热失控。
作为本发明的优选方案，所述灭火剂为全氟己酮灭火剂。全氟己酮灭火剂属于氟化酮类，是一种液体灭火剂；且不属于危险物品，释放后不留残余物，运输时储罐压力低，运输和储存十分方便稳定。根据中科大火灾重点实验室的研究，全氟己酮表现出了对磷酸铁锂电池火灾良好的抑制作用，其在阻断电池内部反应的同时，通过汽化吸收热量，对电池火灾的抑制效果明显优于其他灭火剂。
作为本发明的优选方案，还包括安装于电池仓上的通风装置，通风装置与控制装置电连接。当气体浓度探测器检测到电池仓内可燃气体浓度报警信号时将信号发送至控制装置，控制装置控制通风装置启动，从而降低电池仓内可燃气体浓度。
作为本发明的优选方案，所述灭火剂储罐上设置有补液接口，补液接口连接有用于补充灭火剂的补液装置。补液装置可为单独的灭火剂储存罐体或者消防车。当灭火剂储罐内的灭火剂不足时，补液装置通过补液接口向灭火剂储罐补充灭火剂，保证灭火能连续进行。
作为本发明的优选方案，还包括安装于电池仓内的点型感烟探测器，点型感烟探测器与控制装置电连接。点型感烟探测器可探测到电池仓内是否有烟雾，当点型感烟探测器探测到烟雾时表明有锂电池模组出现着火情况。此时，可通过控制装置控制所有分支管道上的电磁阀打开，从而电池仓内进行全淹没灭火防护。
一种用于储能电池站主动安全防护方法，包括如下步骤：
S1：探测锂电池模组的绝对温度；检测锂电池模组的电压下降率；
S2：根据锂电池模组的绝对温度变化分析锂电池模组的温升速率；
S3：判断锂电池模组是否发生热失控，其中热失控的条件包括以下两种情况：
S31：监测点绝对温度达到制造商规定的最高工作温度，且监测点温升速率≥1℃/s并持续3s以上；
S32：锂电池模组电压下降值超过初始电压25％，且监测点温升速率≥1℃/s并持续3s以上；
S4：在发生热失控时，向发生热失控的锂电池模组的内部电芯喷洒灭火剂。
本发明的温度传感器能探测锂电池模组的绝对温度，控制装置接绝对温度信息后，可分析锂电池模组的温升速率，并且控制装置能实施检测锂电池模组的电压降速率。从而根据上述数据信息，系统可实施监测锂电池模组是否发生热失控，保证第一时间发现热失控并对相应的锂电池模组进行冷却或灭火，减少损失。
温度传感器直接安装于相邻锂电池模组之间，则锂电池模组发生热失控时的温度变化能被及时发现。向锂电池模组喷洒灭火剂时，喷嘴伸进锂电池模组内部，以便对电芯进行及时冷却或灭火，提高冷却或灭火效果。
作为本发明的优选方案，还包括以下步骤：
T1：探测锂电池模组处的CO浓度、H2浓度、CH4浓度；
T2：对于探测的CO浓度、H2浓度、CH4浓度，均设置一级预警阈值和二级报警阈值；
T3：当CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任意两个出现一级预警时或任意一个出现二级报警时，则判断锂电池模组内部电芯出现包括热失控的若干故障中的一种或多种；
T4：当步骤T3发生时，向发生热失控的锂电池模组的内部电芯喷洒灭火剂。
本发明对CO浓度、H2浓度、CH4浓度均设置一级预警阈值和二级报警阈值，并设置判断热失控或其他故障的规则，即：当CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任意两个出现一级预警时或任意一个出现二级报警时则判断锂电池模组内部电芯出现包括热失控的若干故障中的一种或多种。因此，本发明能通过气体探测监控来判定储能电池热失控。在气体浓度达到报警状态时，可触发控制装置，从而控制装置控制相应位置的喷嘴对锂电池模组的电芯进行冷却或灭火。
作为本发明的优选方案，在步骤T2中，CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任一超过相应一级预警阈值时发出预警信号，CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任一超过相应二级报警阈值时发出报警信号。CO浓度探测器、H2浓度探测器、CH4浓度探测器均在电池包内相邻锂电池模组之间对气体进行探测，从而锂电池模组发生热失控或其他故障时释放的气体能被第一时间探测到，本发明气体探测的响应较快。通过相应位置的气体浓度探测器发出的预警或报警可精准判定出现热失控或其他故障的锂电池模组的位置，为处理热失控或故障提供必要条件。
本发明的有益效果为：
本发明的温度传感器嵌入式地安装于锂电池模组之间的间隙内，则温度传感器能及时探测锂电池模组的电芯发生热失控时释放的高热气体的温度，气体浓度探测器能及时探测可燃气体浓度，从而可根据探测结果判断早期热失控的发生并迅速定位发生热失控的锂电池模组，为及时灭火创造必要条件。控制装置接收温度传感器和气体浓度探测器的信号，并计算温升速率，控制装置还可检测锂电池模组的电压降速率，从而方便通过锂电池模组的锂电池模组电压降速率、绝对温度、温升速率和气体浓度来判断早期热失控。综上，本发明可通过多种方式对锂电池模组的状态进行监控，并在热失控发生的第一时间对锂电池模组进行冷却或灭火，实现主动安全防护。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的部分结构图；
图3是本发明的方法流程图。
图中，1-锂电池模组；2-温度传感器；3-气体浓度探测器；4-控制装置；5-灭火剂储罐；6-电池仓；7-湿度传感器；31-CO浓度探测器；32-H2浓度探测器；33-CH4浓度探测器；51-泵组；52-灭火剂输送管道；53-分支管道；54-电磁阀；55-喷嘴；56-补液装置；61-通风装置；62-点型感烟探测器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例的用于储能电池站主动安全防护系统，包括安装于相邻锂电池模组1之间的若干温度传感器2和若干气体浓度探测器3；还包括控制装置4，若干锂电池模组1、若干温度传感器2和若干气体浓度探测器3均与控制装置4电连接；还包括灭火剂储罐5，灭火剂储罐5上连接有泵组51，泵组51的出口连接有灭火剂输送管道52，灭火剂输送管道52上连接有若干分支管道53，分支管道53上安装有电磁阀54，锂电池模组1上安装有喷嘴55，喷嘴55伸进锂电池模组1内，喷嘴55通过管道与分支管道53连接，泵组51和电磁阀54均与控制装置4电连接。
本发明的温度传感器2嵌入式地安装于锂电池模组1之间的间隙内，则温度传感器2能及时探测锂电池模组1的电芯发生热失控时释放的高热气体的温度，气体浓度探测器3能及时探测可燃气体浓度，从而可根据探测结果判断早期热失控的发生并迅速定位发生热失控的锂电池模组1，为及时灭火创造必要条件。控制装置4接收温度传感器2和气体浓度探测器3的信号，并计算温升速率，控制装置4还可检测锂电池模组1的电压降速率，从而方便通过锂电池模组1的锂电池模组1电压降速率、绝对温度、温升速率和气体浓度来判断早期热失控。
根据工信部的《电动客车安全技术条件》和即将实施的国家标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，对于热失控状态判定，一般依据以下条件：当以下的①、③同时发生或②、③同时发生时，判定发生热失控：①监测点温度达到制造商规定的最高工作温度(一般为60℃)；②电池电压下降值超过初始电压25％；③监测点温升速率≥1℃/s,且持续3s以上。
其中，所述温度传感器2为光纤光栅测温元件或热敏电阻传感器。使用光纤光栅测温元件进行测温，容易实现对被测信号的远距离监控。光纤光栅测温元件电绝缘性能好、抗雷击性能好、抗电磁干扰能力强、长期稳定性好，且具有高灵敏度的优点。
更进一步，所述气体浓度探测器3包括CO浓度探测器31、H2浓度探测器32、CH4浓度探测器33。本发明对CO浓度、H2浓度、CH4浓度均设置一级预警阈值和二级报警阈值，并设置判断热失控或其他故障的规则，即：当CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任意两个出现一级预警时或任意一个出现二级报警时则判断锂电池模组1内部电芯出现包括热失控的若干故障中的一种或多种。因此，本发明能通过气体探测监控来判定储能电池热失控。
当控制装置4接收到储能电池热失控的报警信号时，将启动系统对发生热失控的电池包释放全氟己酮灭火剂，通过冷却作用抑制热失控的持续发生，通过惰化和窒息作用降低电池包内因热失控产生的可燃气体浓度。
本发明所使用的的灭火剂为全氟己酮灭火剂。全氟己酮灭火剂属于氟化酮类，是一种液体灭火剂；且不属于危险物品，释放后不留残余物，运输时储罐压力低，运输和储存十分方便稳定。根据中科大火灾重点实验室的研究，全氟己酮表现出了对磷酸铁锂电池火灾良好的抑制作用，其在阻断电池内部反应的同时，通过汽化吸收热量，对电池火灾的抑制效果明显优于其他灭火剂。
本发明还包括安装于电池仓6上的通风装置61，通风装置61与控制装置4电连接。当气体浓度探测器3检测到电池仓6内可燃气体浓度报警信号时将信号发送至控制装置4，控制装置4控制通风装置61启动，从而降低电池仓6内可燃气体浓度。
所述灭火剂储罐5上设置有补液接口，补液接口连接有用于补充灭火剂的补液装置56。补液装置56可为单独的灭火剂储存罐体或者消防车。当灭火剂储罐5内的灭火剂不足时，补液装置56通过补液接口向灭火剂储罐5补充灭火剂，保证灭火能连续进行。
本发明还包括安装于电池仓6内的点型感烟探测器62，点型感烟探测器62与控制装置4电连接。点型感烟探测器62可探测到电池仓6内是否有烟雾，当点型感烟探测器62探测到烟雾时表明有锂电池模组1出现着火情况。此时，可通过控制装置4控制所有分支管道53上的电磁阀54打开，从而电池仓6内进行全淹没灭火防护。
相邻锂电池模组1之间还安装有湿度传感器7。湿度传感器7可实时探测锂电池模组1表面湿度情况，从而方便通过湿度来判定锂电池模组1是否正常。
实施例2：
如图1～图3所示，本实施例的用于储能电池站主动安全防护方法，包括如下步骤：
S1：探测锂电池模组1的绝对温度；检测锂电池模组1的电压下降率；
S2：根据锂电池模组1的绝对温度变化分析锂电池模组1的温升速率；
S3：判断锂电池模组1是否发生热失控，其中热失控的条件包括以下两种情况：
S31：监测点绝对温度达到制造商规定的最高工作温度，且监测点温升速率≥1℃/s并持续3s以上；
S32：锂电池模组1电压下降值超过初始电压25％，且监测点温升速率≥1℃/s并持续3s以上；
S4：在发生热失控时，向发生热失控的锂电池模组1的内部电芯喷洒灭火剂。
本发明的温度传感器2能探测锂电池模组1的绝对温度，控制装置4接绝对温度信息后，可分析锂电池模组1的温升速率，并且控制装置4能实施检测锂电池模组1的电压降速率。从而根据上述数据信息，系统可实施监测锂电池模组1是否发生热失控，保证第一时间发现热失控并对相应的锂电池模组1进行冷却或灭火，减少损失。
温度传感器2直接安装于相邻锂电池模组1之间，则锂电池模组1发生热失控时的温度变化能被及时发现。向锂电池模组1喷洒灭火剂时，喷嘴55伸进锂电池模组1内部，以便对电芯进行及时冷却或灭火，提高冷却或灭火效果。
本发明还包括以下步骤：
T1：探测锂电池模组1处的CO浓度、H2浓度、CH4浓度；
T2：对于探测的CO浓度、H2浓度、CH4浓度，均设置一级预警阈值和二级报警阈值；
T3：当CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任意两个出现一级预警时或任意一个出现二级报警时，则判断锂电池模组1内部电芯出现包括热失控的若干故障中的一种或多种；
T4：当步骤T3发生时，向发生热失控的锂电池模组1的内部电芯喷洒灭火剂。
本发明对CO浓度、H2浓度、CH4浓度均设置一级预警阈值和二级报警阈值，并设置判断热失控或其他故障的规则，即：当CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任意两个出现一级预警时或任意一个出现二级报警时则判断锂电池模组1内部电芯出现包括热失控的若干故障中的一种或多种。因此，本发明能通过气体探测监控来判定储能电池热失控。在气体浓度达到报警状态时，可触发控制装置4，从而控制装置4控制相应位置的喷嘴55对锂电池模组1的电芯进行冷却或灭火。
在步骤T2中，CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任一超过相应一级预警阈值时发出预警信号，CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任一超过相应二级报警阈值时发出报警信号。CO浓度探测器31、H2浓度探测器32、CH4浓度探测器33均在电池包内相邻锂电池模组1之间对气体进行探测，从而锂电池模组1发生热失控或其他故障时释放的气体能被第一时间探测到，本发明气体探测的响应较快。通过相应位置的气体浓度探测器3发出的预警或报警可精准判定出现热失控或其他故障的锂电池模组1的位置，为处理热失控或故障提供必要条件。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于储能电池站主动安全防护系统，其特征在于，包括安装于相邻锂电池模组(1)之间的若干温度传感器(2)和若干气体浓度探测器(3)；还包括控制装置(4)，若干锂电池模组(1)、若干温度传感器(2)和若干气体浓度探测器(3)均与控制装置(4)电连接；还包括灭火剂储罐(5)，灭火剂储罐(5)上连接有泵组(51)，泵组(51)的出口连接有灭火剂输送管道(52)，灭火剂输送管道(52)上连接有若干分支管道(53)，分支管道(53)上安装有电磁阀(54)，锂电池模组(1)上安装有喷嘴(55)，喷嘴(55)伸进锂电池模组(1)内，喷嘴(55)通过管道与分支管道(53)连接，泵组(51)和电磁阀(54)均与控制装置(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于储能电池站主动安全防护系统，其特征在于，所述温度传感器(2)为光纤光栅测温元件或热敏电阻传感器。
3.根据权利要求1所述的一种用于储能电池站主动安全防护系统，其特征在于，所述气体浓度探测器(3)包括CO浓度探测器(31)、H2浓度探测器(32)、CH4浓度探测器(33)。
4.根据权利要求1所述的一种用于储能电池站主动安全防护系统，其特征在于，所述灭火剂为全氟己酮灭火剂。
5.根据权利要求1所述的一种用于储能电池站主动安全防护系统，其特征在于，还包括安装于电池仓(6)上的通风装置(61)，通风装置(61)与控制装置(4)电连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于储能电池站主动安全防护系统，其特征在于，所述灭火剂储罐(5)上设置有补液接口，补液接口连接有用于补充灭火剂的补液装置(56)。
7.根据权利要求1所述的一种用于储能电池站主动安全防护系统，其特征在于，还包括安装于电池仓(6)内的点型感烟探测器(62)，点型感烟探测器(62)与控制装置(4)电连接。
8.一种用于储能电池站主动安全防护方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：探测锂电池模组(1)的绝对温度；检测锂电池模组(1)的电压下降率；
S2：根据锂电池模组(1)的绝对温度变化分析锂电池模组(1)的温升速率；
S3：判断锂电池模组(1)是否发生热失控，其中热失控的条件包括以下两种情况：
S31：监测点绝对温度达到制造商规定的最高工作温度，且监测点温升速率≥1℃/s并持续3s以上；
S32：锂电池模组(1)电压下降值超过初始电压25％，且监测点温升速率≥1℃/s并持续3s以上；
S4：在发生热失控时，向发生热失控的锂电池模组(1)的内部电芯喷洒灭火剂。
9.根据权利要求8述的一种用于储能电池站主动安全防护方法，其特征在于，还包括以下步骤：
T1：探测锂电池模组(1)处的CO浓度、H2浓度、CH4浓度；
T2：对于探测的CO浓度、H2浓度、CH4浓度，均设置一级预警阈值和二级报警阈值；
T3：当CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任意两个出现一级预警时或任意一个出现二级报警时，则判断锂电池模组(1)内部电芯出现包括热失控的若干故障中的一种或多种；
T4：当步骤T3发生时，向发生热失控的锂电池模组(1)的内部电芯喷洒灭火剂。
10.根据权利要求9述的一种用于储能电池站主动安全防护方法，其特征在于，在步骤T2中，CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任一超过相应一级预警阈值时发出预警信号，CO浓度、H2浓度、CH4浓度中任一超过相应二级报警阈值时发出报警信号。
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