CN113745749B - 防爆抑爆锂离子动力电池系统及其控制方法 - Google Patents

防爆抑爆锂离子动力电池系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种防爆抑爆锂离子动力电池系统及其控制方法，包括单体电池组成的锂离子动力电池组，锂离子动力电池组安装在电池模组外壳内，每个单体电池的顶部设有外向安全阀，底部设有内向安全阀，内向安全阀连接有管道，每个管道均汇集到管道集成装置，然后通过压力泵连接到废弃电解液储液罐，废弃电解液储液罐设有排液阀门，压力泵设有排气管道阀门；锂离子动力电池组的电池正负极、压力泵还分别与电池管理系统控制单元电信号连接。本发明能在锂离子电动力电池内部发生失控反应导致安全阀爆开后有效控制可燃气体的浓度，降低电池发生自燃与爆炸的危险；可以实现漏液收集与降温的效果，结构简单。

Description

防爆抑爆锂离子动力电池系统及其控制方法
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种防爆抑爆锂离子动力电池系统及其控制方法。
背景技术
随着锂离子电池在便携式设备、电动汽车、航空航天等领域的广泛应用，其安全性问题越来越突出。锂离子动力电池在正常使用过程中就会发生一定程度的老化衰减，当遇到过放、过充、外短路、挤压、跌落等滥用情况时，电池内部反应易导致电解液分解产生有毒、易燃烟气，当烟气浓度过高时会发生严重的安全事故。
为了避免锂离子动力电池出现失效反应时密封的金属外壳发生爆炸，锂离子动力电池都会在顶部配有一个安全阀。安全阀是每一块锂离子动力电池一道重要的防爆屏障，当电池内部压力过大时，其顶部安全阀会开启排气减压，避免爆炸。但是，当安全阀开启之后，电池内部泄露出的化学物质在高温的条件下会与空气中的氧气发生化学反应，仍然有可能出现起火的情况。
专利申请号：202020124787.3，公开一种锂电池电解液漏液导流结构。该实用新型专利提供的锂电池漏液导流结构中的导管用于引导锂电池安全阀排出的气、液进入集液仓。集液仓对锂电池安全阀喷出的气、液起到缓冲的作用，随后排液管将集液仓的漏液排出，避免漏液粘附到锂电池上对锂电池造成腐蚀，同时避免漏液体引起电池短路。但该结构整体需要非常大的布置空间，不适合实际的工程应用。同时缺少对电解液的漏液压力影响的考虑，排液的效果不明显，达不到漏液漏气与电池隔离的效果，无法保证电池的安全性，电解液及烟气排出后仍有爆炸反应的可能。
专利申请号：202020150546.6，公开一种锂离子动力电池的泄压阀安全装置。该泄压阀装置安装在锂离子动力电池上盖，在锂离子动力电池上盖的中央位置开口设置壳体放气孔，并且内设置有至少一个铝板，铝板的四周边缘为刻痕或压痕。装置在电池内部压力过大时，通过设置的铝板结构，及时排气减压，避免安全事故，提升锂离子动力电池的安全性能。但该装置加装的铝板的开启压力大小无法精准控制，且可能会影响动力电池的密闭性能，在锂离子动力电池的使用过程中可能极易造成装置的开启，引起锂离子动力电池的安全问题。
综上，传统锂离子动力电池的安全阀只能在电池产气及内部短路后泄压排气，但不能抑制电池内部的反应，排出的可燃气体达到一定的浓度后还有燃烧爆炸的危险，且在安全阀爆开后电解液与空气直接接触也有促进燃烧的危险，从而亟需开发一种防爆抑爆锂离子动力电池系统，有效地抑制锂离子动力电池自燃、爆炸等安全问题。
发明内容
本发明采用一种在锂离子动力电池安全阀泄压过程中，利用气液压力泵吸出烟气及电解液的电池系统。该系统在电池内短路产气后迅速将烟气吸出，待电池内部的膨胀烟气排尽后，开启电解液阀门，将电解液强力吸出至收集罐内，缓解电池正负极的反应，降低电池内部短路电流，减少内部电化学反应热，罐体内壁有相变材料等吸热材料，可以将电解液温度降低至燃点以下。在电池内部压力低至一定程度后，单向安全阀开启，通过空气强力置换，将残余电解液排出同时起到降低电池内部温度的效果，确保其安全。
具体技术方案：
防爆抑爆锂离子动力电池系统，包括单体电池组成的锂离子动力电池组，锂离子动力电池组安装在电池模组外壳内，每个单体电池的顶部设有外向安全阀，底部设有内向安全阀，所述的外向安全阀连接有管道，每个管道均汇集到管道集成装置，然后通过压力泵连接到废弃电解液储液罐，废弃电解液储液罐设有排液阀门，压力泵设有排气管道阀门；
锂离子动力电池组的电池正负极、压力泵还分别与电池管理系统控制单元电信号连接。
废弃电解液储液罐侧壁设有相变材料，相变材料内表面设有吸附材料。
压力泵，为气液压力泵。
本发明在电池上设置特有的内向安全阀，当压力泵抽取电解液时受到压力的作用向内弹开，利于压力泵将电池内部残余电解液抽除，同时也可实现对流换热降温。
本发明通过气体导管将可燃烟气引排至大气中有效降低可燃气烟气的浓度，降低了电池组附近因可燃烟气浓度过高致使发生爆炸事故的危险。
本发明利用电池管理系统信号进行控制压力泵的工作状态，无需另外重新设置控制装置。
本发明对电解液主动收集于废弃电解液储液罐内，罐体内的吸附材料与内壁的相变材料对电解液进行冷却并抑制其反应。
本发明仅是在原有的电池系统上增加了压力泵、废弃电解液储液罐内以及相关的管线连接，就可实现动力电池的燃爆安全防控，符合实际应用中的轻量化设计且加装的成本不高。
防爆抑爆锂离子动力电池系统的控制方法为：
工作时，在锂锂离子动力电池组中某单体电池内部发生失控反应后开始产气产热，电池外壳迅速膨胀，电池内部压力增大使得外向安全阀向外爆开；同时，电池管理系统控制单元接受到电池的电信号后迅速响应，控制压力泵开始抽取烟气，压力泵打开排气管道阀门，通过排气管道将电池产生的可燃烟气排放到大气中将其稀释；
压力泵排出烟气后继续抽取电池内的电解液，当电池内部的压力过低时向内安全阀向内弹开，压力泵将残余的电解液一并排出至废弃电解液储液罐中进行冷却，抑制其自身反应；
同时在压力泵的作用下电池内部与外界形成对流换热，电池内部温度降低阻止产生的过多热量。
本发明技术方案带来的有益效果：
1.本发明能在锂离子电动力电池内部发生失控反应导致安全阀爆开后有效控制可燃气体的浓度，降低电池发生自燃与爆炸的危险。
2.本发明可以实现漏液收集与降温的效果，当锂离子动力电池的电解液泄漏后迅速收集，避免电解液与空气接触而发生进一步的剧烈化学反应，并使电解液在相变材料的作用下迅速降温。
3.本发明系统设计结构简单，符合动力电池在新能源电动汽车实际设计上的轻量化要求。
4.本发明在锂离子电池组中单个或多个电池发生热失控后立即介入进行工作，系统到达安全状态后，对储液罐及管道内的废弃电解液进行清理更换失效电池，系统仍可继续正常工作。
5.本发明也可实现整个电池组在工作过程中的早期预警，接收到锂离子电池的第一个安全阀爆开的信号后，由电池管理系统发出控制指令。
6.本发明的应用场景不局限于新能源电动汽车中，电池管理系统的控制功能可基于单片机或树莓派嵌入开发实现，实现锂离子电池在其他使用场景下的应用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的结构布局图；
图3为废弃电解液储液罐剖视图；
图4为单体电池的示意图。
在所有附图中，1-电池模组外壳、2-锂离子动力电池组、3-废弃电解液储液罐、4-排液阀门、5-压力泵、6-排气管道阀门、7-电池管理系统控制单元、8-管道集成装置、9-相变材料、10-吸附材料、11-外向安全阀、12-电池正负极、13-内向安全阀。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
防爆抑爆锂离子动力电池系统，包括单体电池组成的锂离子动力电池组2，锂离子动力电池组2安装在电池模组外壳1内，每个单体电池的顶部设有外向安全阀11，底部设有内向安全阀13，所述的内向安全阀13连接有管道，每个管道均汇集到管道集成装置8，然后通过压力泵5连接到废弃电解液储液罐3，废弃电解液储液罐3设有排液阀门4，压力泵5设有排气管道阀门6；
锂离子动力电池组2的电池正负极12、压力泵5还分别与电池管理系统控制单元7电信号连接。
废弃电解液储液罐3侧壁设有相变材料9，相变材料9表面设有吸附材料10。
压力泵5，为气液压力泵。
电池模组外壳1，用于固定安装电池组便于电池的工作，通常电池组外壳都是刚度较高的非金属材料，对电池组也起到保护的效果。
锂离子动力电池组2，动力电池组在实际应用中通常时有多块锂离子动力电池并联成组，电池组串联而成整个锂离子动力电池模组。
废弃电解液储液罐3，通过管道将压力泵5抽出的电解液存储在罐内，罐体内壁有相变材料9、吸附材料10，当压力泵5抽出电解液并将其排出到废弃电解液储液罐3中迅速降温，避免电解液暴露在外部环境中加速反应，并抑制电解液自身发生反应。
排液阀门4，系统工作过程中，废弃电解液排到废弃电解液储液罐3冷却停止反应后，需要将储液罐中的废弃电解液进行处理，避免影响储液罐的工作。
压力泵5，为气液压力泵，通过接收电池管理系统控制单元7的控制信号实现抽取烟气液体功能，在外向安全阀11爆开后压力泵5开始工作，泵体在内部集成了气液分流的功能，排出的气体可由管道排向大气中进行稀释，防止可燃气体浓度过高发生爆炸。
排气管道阀门6，阀门开启将压力泵5抽取的烟气排出，避免因锂离子动力电池组2的周围烟气浓度过高引发爆炸。
电池管理系统控制单元7，主要是接收锂离子动力电池组2的电信号，判断电池的安全状态，发出指令控制压力泵5工作状态。电池管理系统控制单元7既可依赖现有的电池管理系统实现控制功能，也可基于单片机或树莓派开发独立的控制单元。
管道集成装置8，连接压力泵5与锂离子动力电池组2中单体电池的安全阀门。
相变材料9，主要在废弃电解液储液罐3的外层有相变材料，使排到罐内的电解液能够迅速降温，避免其直接暴露空气中，从而抑制其中的活性物质继续发生反应。
相变材料9可以根据实际情形选用石蜡、无机水合盐、三水合乙酸钠、沸石-液态水等材料。
吸附材料10，用于吸附一部分抽取的电解液，阻止其反应保证安全。
吸附材料可根据电池电解液的成分选用活性炭、活性炭纤维、沸石、腐植酸系吸附剂等吸附材料。
外向安全阀11，是单向外向安全阀，当电池内部发生短路，电解液反应产生气体使电池壳体膨胀，外向安全阀11处产生大于压力泵5抽取压力的阀门压力，致使安全阀向外爆开释放气体压力；
电池正负极12，通过电池电极串联成电池组，实现充放电工况，电池管理系统控制单元7通过电极接收电池的电信号。
内向安全阀13，是单向内向安全阀，在压力泵5抽取烟气与电池内部电解液后，电池内部压力变小，阀门向内弹开；阀门向内弹开的压力是小于压力泵5的抽取压力的，可以保证压力泵5工作后能够顺利使阀门弹开，抽取内部的电解液。
该防爆抑爆锂离子动力电池系统的控制方法为：
工作时，在锂离子动力电池组2中某单体电池内部发生短路、隔膜融化等失控反应后开始产气产热，电池外壳迅速膨胀，电池内部压力增大使得外向安全阀11向外爆开。同时，电池管理系统控制单元7接受到电池的电信号后迅速响应，控制压力泵5开始抽取烟气，压力泵5打开排气管道阀门6，通过排气管道将电池产生的可燃烟气排放到大气中将其稀释。压力泵5排出烟气后继续抽取电池内的电解液，当电池内部的压力过低时向内安全阀13向内弹开，压力泵5可以将残余的电解液一并排出至废弃电解液储液罐3中进行冷却，抑制其自身反应。同时在压力泵5的作用下电池内部与外界形成对流换热，电池内部温度降低阻止产生的过多热量影响其他的电池。当整个电池组系统恢复到安全状态后，对储液罐及管道内的废弃电解液进行清理更换失效电池，系统仍可继续正常工作。

Claims (1)

1.防爆抑爆锂离子动力电池系统的控制方法，防爆抑爆锂离子动力电池系统包括单体电池组成的锂离子动力电池组（2），锂离子动力电池组（2）安装在电池模组外壳（1）内，每个单体电池的顶部设有外向安全阀（11），底部设有内向安全阀（13），所述的内向安全阀（13）连接有管道，每个管道均汇集到管道集成装置（8），然后通过压力泵（5）连接到废弃电解液储液罐（3），废弃电解液储液罐（3）设有排液阀门（4），压力泵（5）设有排气管道阀门（6）；锂离子动力电池组（2）的电池正负极（12）、压力泵（5）还分别与电池管理系统控制单元（7）电信号连接；所述的压力泵（5）为气液压力泵；
其特征在于，包括以下步骤：
工作时，在锂离子动力电池组（2）中某单体电池内部发生失控反应后开始产气产热，电池外壳迅速膨胀，电池内部压力增大使得外向安全阀（11）向外爆开；同时，电池管理系统控制单元（7）接受到电池的电信号后迅速响应，控制压力泵（5）开始抽取电池产生的可燃烟气，压力泵（5）打开排气管道阀门（6），通过排气管道将电池产生的可燃烟气排放到大气中将其稀释；
压力泵（5）排出烟气后继续抽取电池内的电解液，当电池内部的压力过低时向内安全阀（13）向内弹开，压力泵（5）将残余的电解液一并排出至废弃电解液储液罐（3）中进行冷却，抑制其自身反应；
同时在压力泵（5）的作用下电池内部与外界形成对流换热，电池内部温度降低阻止产生的过多热量。
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