CN113725547B - 一种电池用防火防爆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池用防火防爆装置，主要包括：上盖、箱体，上盖安装在箱体上，上盖顶部设置有正极电桩通孔、负极电桩通孔，防火防爆装置还包括：导热板、气囊，上盖上还设置有气压表管通孔、加注管通孔，上盖侧面设置有泄气管通孔，泄气管通孔设置有泄气管，泄气管内部设置有第一单向阀；箱体底部四周预置有硝酸铵和碳酸钠粉末，气囊上设置有加注管、气压表管，气囊套置在电池组四周，加注管穿过上盖通过螺母密封固定连接；电池组外侧四壁贴紧设置有导热板，导热板处在气囊与电池组之间，导热板上垂直于平面方向设置有若干穿刺针，导热板表面有一高温蜡层。本发明产品采用整体防爆箱体结构，箱体配置单向阀，有效与外部隔离。
Description
技术领域
本发明涉及电池相关技术领域，具体涉及一种电池用防火防爆装置。
背景技术
电池在使用过程中，由于电池过充、过放、短路等等原因，有可能导致电池内部产生高温、电火花等，严重的就可能导致电池解体、爆炸、起火，发生严重事故。所以要求较高的电池组一般都设置了一定的防爆装置。
目前现有技术的电池防爆装置一般为外部设置有泄压阀（便于内部气体释放，降低压力）、设置防爆装甲或防爆缓冲装置、设置减震和通风散热装置和熔化一定材质吸热降温等方案等等，但是该类方案不能有效地解决电池组短路时产生的电火花，而且降温效果很差，依靠泄压阀不能解决实际问题，现有单一技术方案或者现有技术组合方案也很难达到非常好的效果。相关的方案设计可以参见中国专利201721672347.6、201922501726.4、202011157464.5、202020464901.7、202020581920.8、202020584580.4、202021077898.X等。
美国波音公司申请的“201410697026.6、201910643793.1惰化含锂电池和相关容器的方法”，也只是对锂电池外部实施了填充了惰性化气体如六氟化硫这样简单的操作，并没有对电池组迅速降温的功效。
发明内容
（一）解决的技术问题
为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明设计一种电池用防火防爆装置，其目的在于：提供能够在电池内部发生短路产生较大热量和产生火源等故障时，及时、自动的对电池组进行灭弧、降温等操作，防止电池组发生爆燃甚至爆炸，同时满足装置结构简单、便于加工生产和推广使用。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电池用防火防爆装置，主要包括：上盖、箱体，所述上盖安装在箱体上，上盖顶部设置有正极电桩通孔、负极电桩通孔，其特征在于：所述防火防爆装置还包括：导热板、气囊，所述上盖上还设置有气压表管通孔、加注管通孔，上盖侧面设置有泄气管通孔，泄气管通孔设置有泄气管，所述泄气管内部设置有第一单向阀；
所述箱体底部四周预置有硝酸铵和碳酸钠粉末混合物，所述气囊上设置有加注管、气压表管，加注管内部设置有第二单向阀，气压表管与气压表密封连通，气压表用于显示气囊内部气压，气囊套置在电池组四周，加注管穿过上盖通过螺母密封固定连接；气压表管穿过上盖通过螺母密封固定连接，所述电池组外侧四壁贴紧设置有导热板，导热板处在气囊与电池组之间，所述导热板上垂直于平面方向设置有若干穿刺针，导热板表面有一高温蜡层，高温蜡层一侧朝向气囊，所述气囊内充有一定量的防冻液、六氟化硫。
作为上一步优选方案，所述上盖与箱体的连接面上设置有上盖法兰，上盖法兰上均布设置有螺栓孔，箱体与上盖的连接面上设置有箱体法兰，所述上盖与箱体之间设置有箱体密封圈，并通过连接螺栓密封连接。
作为上一步优选方案，所述电池组与上盖之间设置有密封垫，密封垫用于对上盖、箱体之间容腔密封和对电池组进行柔性固定，所述密封垫设置有正极电桩通孔、负极电桩通孔，正极电桩穿过正极电桩通孔、上盖并通过螺母密封固定连接，负极电桩穿过负极电桩通孔、上盖并通过螺母密封固定连接。
作为上一步优选方案，所述防冻液为纯水与氯化钙溶液，所述防冻液中中的氯化钙质量浓度为0-30%，所述箱体底部四周预置有硝酸铵和碳酸钠粉末，硝酸铵：碳酸钠：氯化钙的摩尔质量比例为2:4:1。硝酸铵：碳酸钠摩尔质量比为2:3时，其水溶液制冷可以最低达到-9℃。纯水、氯化钙、硝酸铵粉末和碳酸钠加入的量根据电池组的体积、电池容量来选择。氯化钙为无机盐，其溶液相对有机物的防冻液更加稳定。碳酸钠溶液与氯化钙溶液按摩尔质量比1:1发生反应，生成碳酸钙沉淀物和氯化钠，这里恰好把氯化钙作为防冻液的防冻效果解除；剩余的硝酸铵：碳酸钠摩尔质量比为2:3，在较低温度时，内部水溶液可以快速结冰，且可以较长时间保持低温环境，进而防止水溶液进入电池内部。
作为上一步优选方案，所述高温蜡层厚度大于穿刺针高度，高温蜡层厚度为1.0-2.0㎜。高温蜡层在低温环境中，能迅速固化，可将电池组产生破裂口固化密封，避免电池周围水溶液侵入到电池组内，造成短路。
作为上一步优选方案，所述高温蜡层熔点温度在50℃-90℃之间。低温融化，便于刺破气囊；如果在内蒙古等极寒地区，导热板传热慢，高温蜡层融化也相对变慢，所以对高温蜡层温度选择范围可以适当降低。
作为上一步优选方案，所述穿刺针为导热板经过冲裁形成顶部为锐角三角形的一体式尖刺结构；或者所述穿刺针为铆接和/或焊接在导热板上的穿刺圆形针结构。
（三）有益效果
本发明提供了一种电池用防火防爆装置，具备以下有益效果：
1、本发明产品采用整体防爆箱体结构，箱体配置单向阀，有效与外部隔离。
2、本发明产品内部带有气囊，充有六氟化硫惰性气体和防冻液，防冻液可吸收一部分电池组工作时的温度，且在一定低温时防冻液不会结冰，高温时不会很快沸腾。
3、本发明产品电池组外部设有导热板，导热板上设有穿刺针，并筑有一定厚度的高温蜡。电池组低温时高温蜡属于固态，保持一定形状；电池组内部短路出现高温爆燃，温度达到一定时，经导热板传递到高温蜡上，高温蜡融化，气囊内高气压压迫气囊挤压到穿刺针后爆破，气囊内防冻液和六氟化硫气体迅速流出。防冻液中主要溶液是纯净水，纯净水遇到硝酸铵后，硝酸铵溶解时吸收大量热，可对电池组进行快速降温，降低电池组箱体内部气压，降低爆炸发生率。
4、本发明产品装置内预置的碳酸钠可以与氯化钙发生反应，生产碳酸钙沉淀物和氯化钠无机盐；反应发生后，氯化钙被消除，因此防冻液效果也被解除，剩余的溶液在低温下可以逐步结冰，避免溶液侵蚀到电池组内部。
5、本发明产品装置内剩余的碳酸钠与硝酸铵合理配比的水溶液可以进一步加强制冷效果，提高防火、防爆功能。
6、本发明产品气囊爆破后，气囊内的六氟化硫气体充满在电池组周围，六氟化硫可起到提高电气绝缘对电池组产生的电火花进行灭弧，进一步提高了电池组的安全性。
7、本发明产品中的高温蜡层21在低温环境中，能迅速固化，可将电池组产生破裂口固化密封，避免电池周围水溶液侵入到电池组内，造成短路。
8、本发明产品本发明产品结构简单，便于加工制造和推广，产品使用方便，提高了电池组工作的安全性，降低了爆燃、爆炸的发生率。
附图说明
图1为本发明主视图；
图2为本发明左视图；
图3为本发明俯视图；
图4为本发明上盖结构局部剖视示意图；
图5为本发明总装局部剖视图；
图6为本发明M局部放大图；
图7为本发明气囊结构示意图；
图8为本发明密封垫结构示意图；
图9为本发明穿刺板结构示意图；
图10为本发明惰化后总装局部剖视图；
图11为硝酸铵不同浓度及反应时间的制冷效果统计表；
图12为硝酸铵与碳酸钠水溶液制冷效果图。
其中，1、加注管，2、气压表，3、上盖，4、负极电桩，5、泄气管，6、连接螺栓，7、箱体法兰，8、箱体，9、上盖法兰，10、正极电桩，11、密封垫，12、电池组，13、导热板，14、六氟化硫，15、气囊，16、防冻液，17、硝酸铵和碳酸钠粉末，18、第一单向阀，19、第二单向阀，20、穿刺针，21、高温蜡，22、气囊内部空间，23、正极电桩通孔，24、负极电桩通孔，25、螺母，26、加注管密封圈，27、箱体密封圈，28、螺栓孔，29、气压表管通孔，30、加注管通孔，31、泄气管通孔，32、气压表管。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-3、5、6、10所示，上盖3、箱体8为加强型容腔。上盖3与箱体8连接面有上盖法兰9，上盖法兰9上均布有螺栓孔28；箱体8与上盖3连接面有箱体法兰7，法兰7对应上盖法兰9上螺栓孔28均布有螺栓孔，上盖3与箱体8之间有箱体密封圈27，并通过连接螺栓6密封连接。
上盖3顶部设置有正极电桩通孔23、负极电桩通孔24、气压表管通孔29、加注管通孔30；上盖3侧面设置有泄气管通孔31，泄气管通孔31设置有泄气管5，泄气管5内部设置有第一单向阀18，第一单向阀18只可从外部施压导通，对气囊充气过程，如果密封装置没有对外泄气管5，则气囊很难充满装置内部的空腔；同时，泄气管5内部的第一单向阀18，在气囊被刺破之后，能保证六氟化硫气体不外泄，在装置内部空腔里保持一个良好的电气绝缘的环境。
箱体8中间位置放置有电池组12，电池组12与上盖3之间有密封垫11，密封垫11起到上盖3、箱体8之间容腔密封和对电池组12柔性固定作用。箱体8底部、环绕电池组12四周预置有硝酸铵和碳酸钠粉末17，推荐硝酸铵：碳酸钠：氯化钙的摩尔质量比例为2:4:1。硝酸铵：碳酸钠摩尔质量比为2:3时，其水溶液制冷可以最低达到-9℃。纯水、氯化钙、硝酸铵粉末和碳酸钠加入的量根据电池组的体积、电池容量来选择。氯化钙为无机盐，其溶液相对有机物的防冻液更加稳定。碳酸钠溶液与氯化钙溶液按摩尔质量比1:1发生反应，生成碳酸钙沉淀物和氯化钠，这里恰好把氯化钙作为防冻液的防冻效果解除；剩余的硝酸铵：碳酸钠摩尔质量比为2:3，在较低温度时，内部水溶液可以快速结冰，且可以较长时间保持低温环境，进而防止水溶液进入电池内部。
气囊15上设置有加注管1、气压表管32，加注管1内部设置有第二单向阀19，第二单向阀19只可从外部施压导通，气压表管32与气压表2密封连通，气压表2可显示气囊15内部气压，气囊15套置在电池组12四周。气囊15内充有一定量的防冻液16、六氟化硫14气体。
加注管1套有加注管密封圈26，加注管1穿过上盖3通过螺母25密封固定连接，气压表管32同样结构，穿过上盖3通过螺母密封固定连接。
密封垫11设置有正极电桩通孔23、负极电桩通孔24，便于正极电桩10、负极电桩4穿过上盖3通过螺母密封固定连接。
电池组12外侧四壁贴紧设置有导热板13，即导热板13处在气囊15与电池组12之间。
导热板13上垂直于平面方向设置有若干穿刺针20；导热板13表面有一层高温蜡层21，高温蜡层21一侧朝向气囊15，气囊15内冲有一定量的防冻液16、六氟化硫14。
如图4所示，上盖3为加强型容腔，上盖3与箱体8连接面有上盖法兰9，上盖法兰9上均布有螺栓孔28；上盖3顶部设置有正极电桩通孔23、负极电桩通孔24、气压表管通孔29、加注管通孔30；上盖3侧面设置有泄气管通孔31。
如图7所示，气囊15上设置有加注管1、气压表管32；加注管1内部设置有第二单向阀19，第二单向阀19只可从外部施压导通。气压表管32与气压表2密封连通，气压表2可显示气囊15内部气压，气囊15套置在电池组12四周。加注管1套有加注管密封圈26，加注管1穿过上盖3通过螺母25密封固定连接。气压表管32同样结构，穿过上盖3通过螺母密封固定连接，在此不做赘述。
如图8所示，密封垫11设置有正极电桩通孔23、负极电桩通孔24，便于正极电桩10、负极电桩4穿过上盖3通过螺母密封固定连接。密封垫11设置在电池组12与上盖3之间，密封垫11起到上盖3、箱体8之间容腔密封和对电池组12柔性固定作用。
如图9所示，电池组12外侧四壁贴紧设置有导热板13，导热板13上垂直于平面方向设置有若干穿刺针20。导热板13表面有一层高温蜡层21，高温蜡层21一侧朝向气囊15。高温蜡层21厚度大于穿刺针20高度，高温蜡层21厚度优选1.5±0.5㎜。高温蜡层21熔点温度根据实际使用环境选择，一般熔点选型在50℃---90℃之间。
具体实施过程：
①、将电池组12外侧四壁贴紧设置导热板13，导热板13表面的高温蜡层21一侧朝向外侧。
②、在上盖3与箱体8之间安装箱体密封圈27。把电池组12放置在箱体8中心位置，并在箱体8底部、环绕电池组12四周大致均匀的撒上硝酸铵和碳酸钠粉末17。
③、将气囊15套置在电池组12外侧的导热板13四周。把加注管1穿过上盖3通过螺母25、加注管密封圈26密封固定连接；气压表管32同样结构，穿过上盖3通过螺母密封固定连接，再将气压表管32与气压表2密封连通固定。
④、紧固连接螺栓6组件，将上盖3与箱体8密封连接。
⑤、对泄气管5内部的第一单向阀18从外部施压导通。
⑥、从加注管1，根据设定需要并结合气压表2实时显示，对气囊15内充入一定量的防冻液16、六氟化硫14气体。
⑦、泄气管5内部的第一单向阀18撤销外部施压，第一单向阀18关闭。
工作原理：
六氟化硫14气体（化学式为SF6），是一种无色、无臭、无毒、不燃的稳定气体微溶于水，电负性强，是新一代超高压绝缘介质材料。作为良好的气体绝缘体，主要用于高压开关中灭弧。六氟化硫14气体与防冻液16以纯净水为溶液、以氯化钙（化学式为CaCl2）为溶剂的水溶液不会发生复分解反应。
硝酸铵和碳酸钠粉末17，硝酸铵（化学式为NH4NO3）是一种铵盐，呈无色无臭的透明晶体或白色晶体，极易溶于水，易吸湿结块，溶解时吸收大量热。硝酸铵水溶液与氯化钙水溶液也不会发生复分解反应。
碳酸钠（化学式为Na2CO3），是一种无机盐，可以与氯化钙发生反应，生产碳酸钙沉淀物和氯化钠无机盐；按摩尔质量比1:1反应后，氯化钙被消除，因此防冻液效果也被解除，剩余的溶液在低温下可以逐步结冰，避免溶液侵蚀到电池组内部。
防冻液16中主要以纯净水为溶液、以氯化钙（CaCl2）为溶剂，作为廉价的防冻液，一般低温时候不会结冰，造成内部结构膨胀损坏，高温时候不会快速沸腾。能保持电池组12一个较好的工作环境。
当电池组12内部出现短路故障时，电池组12会急剧升温，热量通过导热板13吸收，并传递到高温蜡层21上。如高温蜡层21选型为60℃，当电池组12外部某处温度超过该温度时，高温蜡层21融化，气囊15内部高压六氟化硫14气体将气囊15压迫到导热板13上的穿刺针20上，穿刺针20将气囊15刺破，内部防冻液16流到箱体8底部，并与硝酸铵和碳酸钠粉末17接触。
防冻液16中的纯净水与硝酸铵和碳酸钠粉末17接触后，吸收大量热，可对发生故障的电池组12快速降温；同时，防冻液16中的纯净水与碳酸钠形成碳酸钠溶液，碳酸钠溶液与防冻液16中的氯化钙溶液反应，生成碳酸钙沉淀物和氯化钠。这里恰好把氯化钙作为防冻液16的防冻效果解除，在较低温度时，内部水溶液可以结冰，进而防止水溶液进入电池内部。再者，气囊15爆破之后，其内部高压的六氟化硫14气体进入电池组12内部，可以起到很好的灭弧、提高电池组12的工作环境的电气绝缘能力，进一步降低电池组的高温燃烧、电气短路产生的电弧甚至爆炸等问题。最后，高温蜡层21及剩余液体在低温环境中，能迅速固化，可将电池组产生破裂口固化密封，避免电池周围水溶液侵入到电池组内，造成短路。
以上达到设计目的。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。综上，本发明达到预期目的。
Claims (7)
1.一种电池用防火防爆装置，主要包括：上盖（3）、箱体（8），所述上盖（3）安装在箱体（8）上，上盖（3）顶部设置有正极电桩通孔（23）、负极电桩通孔（24），其特征在于：所述防火防爆装置还包括：导热板（13）、气囊（15），所述上盖（3）上还设置有气压表管通孔（29）、加注管通孔（30），上盖（3）侧面设置有泄气管通孔（31），泄气管通孔（31）设置有泄气管（5），所述泄气管（5）内部设置有第一单向阀（18）；
所述箱体（8）底部四周预置有硝酸铵和碳酸钠粉末混合物（17），所述气囊（15）上设置有加注管（1）、气压表管（32），加注管（1）内部设置有第二单向阀（19），气压表管（32）与气压表（2）密封连通，气压表（2）用于显示气囊（15）内部气压，气囊（15）套置在电池组（12）四周，加注管（1）穿过上盖（3）通过螺母（25）密封固定连接；气压表管（32）穿过上盖（3）通过螺母密封固定连接，所述电池组（12）外侧四壁贴紧设置有导热板（13），导热板（13）处在气囊（15）与电池组（12）之间，所述导热板（13）上垂直于平面方向设置有若干穿刺针（20），导热板（13）表面有一高温蜡层（21），高温蜡层（21）一侧朝向气囊（15），所述气囊（15）内充有一定量的防冻液（16）、六氟化硫（14），所述高温蜡层（21）厚度大于穿刺针（20）高度。
2.根据权利要求1所述的一种电池用防火防爆装置，其特征在于：所述上盖（3）与箱体（8）的连接面上设置有上盖法兰（9），上盖法兰（9）上均布设置有螺栓孔（28），箱体（8）与上盖（3）的连接面上设置有箱体法兰（7），所述上盖（3）与箱体（8）之间设置有箱体密封圈（27），并通过连接螺栓（6）密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种电池用防火防爆装置，其特征在于：所述电池组（12）与上盖（3）之间设置有密封垫（11），密封垫（11）用于对上盖（3）、箱体（8）之间容腔密封和对电池组（12）进行柔性固定，所述密封垫（11）设置有正极电桩通孔（23）、负极电桩通孔（24），正极电桩（10）穿过正极电桩通孔（23）、上盖（3）并通过螺母密封固定连接，负极电桩（4）穿过负极电桩通孔（24）、上盖（3）并通过螺母密封固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种电池用防火防爆装置，其特征在于：所述防冻液（16）为纯水与氯化钙溶液，所述防冻液（16）中的氯化钙质量浓度为0-30%，所述箱体（8）底部四周预置有硝酸铵和碳酸钠粉末混合物（17），硝酸铵：碳酸钠：氯化钙的摩尔质量比例为2:4:1。
5.根据权利要求1所述的一种电池用防火防爆装置，其特征在于：所述高温蜡层（21）厚度为1.0-2.0㎜。
6.根据权利要求1或5所述的一种电池用防火防爆装置，其特征在于：所述高温蜡层（21）熔点温度在50℃-90℃之间。
7.根据权利要求1或5所述的一种电池用防火防爆装置，其特征在于：所述穿刺针（20）为导热板（13）经过冲裁形成顶部为锐角三角形的一体式尖刺结构；或者所述穿刺针（20）为铆接和/或焊接在导热板（13）上的穿刺圆形针结构。
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