CN116315501A - 一种锂电池系统热安全管理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池系统热安全管理装置及方法，主要由恒温槽、液体储罐、液体药剂、输液泵、管路、电磁阀、雾化喷嘴、复合板结构、液冷板、温度传感器、气体传感器、单片机、调压器组成。正常工作时，电池单体之间的“热管‑隔热板‑热管”复合板与液冷板耦合形成热管理装置，使电池系统处于最佳工作温度；液冷板内的液体药剂由液体储罐通过输液泵供给，在管路内流动，液体药剂温度由恒温槽控制。当温度传感器、气体传感器监测到电池系统发生热失控或火灾时，经单片机处理向电磁阀及调压器输出信号，提高输液泵功率，开启电磁阀，喷放液体药剂抑制热失控。通过单片机控制功能切换，实现对系统正常循环时热管理、热失控过程的阻隔和抑制功能。

Description

一种锂电池系统热安全管理装置及方法
技术领域
本发明属于锂电池安全领域，具体涉及一种锂电池系统热安全管理装置及方法，兼具热管理和热失控阻隔抑制功能。
背景技术
作为绿色能源的重要储存载体，锂电池因其高电压，高比能量，长循环寿命等卓越性能，在电化学储能、电动汽车等领域有着广泛的应用。在国内储能、新能源汽车等蓬勃发展的背景下，锂电池需求量将持续增大。然而，近年来由锂电池热失控引发的电池系统火灾爆炸事故频繁发生，引起了广泛的社会关注，是公共安全面临的新问题，已成为新能源汽车、储能等行业发展的痛点和技术瓶颈。
锂电池在正常充放电过程或者滥用模式下会产生大量的热量，随着电池热量的产生和迅速积聚，电池内部的温度会逐渐升高，当达到电池热失控临界温度后，便会诱发电池发生热失控以及电池系统内的热失控传播。此外，相关研究表明锂电池最佳工作温度范围为20-40℃，当脱离最佳温度区间，会致使电池寿命的减少，甚至会导致热失控火灾事故的发生，由此可见温度对电池的电化学性能以及安全性都有着非常显著的影响。因此，为了提高电池的工作性能和使用寿命以及防止电池发生热失控，必须控制电池在正常温度范围之内，亟需发展高效电池系统热管理技术。同时，为防止电池热失控传播以及火灾事故的扩大，应在电池系统内配备锂电池热失控报警及抑制防控技术，通过持续不断监测电池系统温度、特征气体、烟雾等信号变化，一旦发现热失控发生，及时启动消防装置，实现对热失控的高效抑制和降温冷却，从而将热失控火灾事故控制在初期阶段。
针对锂电池系统装配必要的热管理和消防装置是保证其热安全的重要手段。目前，部分锂电池系统主要配置了如风冷、液冷等单一的热管理装置，但这些热管理技术存在着热管理效率低，对电池均温效果差等问题。此外，一些锂电池系统还配备了如气体、细水雾等的消防装置，然而当前报警技术对早期热失控信号感知滞后、响应慢、灭火效能差等不足。特别是，现有使用的热管理装置和消防装置(热失控抑制)之间各自独立，功能互不关联，从而导致无法系统地控制电池在最佳温度范围且出现温度异常过高时不能快速启动消防装置进行高效降温处置；同时两套装置也会增加电池系统重量，降低其比能量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种锂电池系统热安全管理装置及方法，兼具热管理和热失控阻隔抑制功能，本装置采用复合板结构与液冷板耦合形成热管理技术，通过液体药剂在管路和液冷板内循环流动，使电池系统处于最佳工作温度范围；当电池系统发生热失控或火灾时，通过雾化喷嘴快速喷放液体药剂进行灭火降温，抑制电池系统热失控。本发明不仅提供了一种高效的热管理设计方法，同时进一步发展完善了面向锂电池热失控火灾的消防技术，并实现了热管理和消防装置在技术、功能方面的有机融合。
本发明通过以下技术方案实现上述发明目的：
本发明提供了一种锂电池系统热安全管理装置，主要包括：恒温槽、液体储罐、液体药剂、输液泵、管路、电磁阀、雾化喷嘴、复合板结构、液冷板、温度传感器、监测模块、信号处理器、单片机、调压器等；
恒温槽、液体储罐、输液泵、信号处理器、单片机、调压器置于锂电池系统箱体外部；复合板结构安装于电池单体之间，液冷板安装在电池系统底部；气体传感器安装于电池系统箱体顶部，每一电池单体都应设置至少一处温度传感器；雾化喷嘴设置于电池系统上方5-10cm位置处。
复合板结构由热管、隔热板元件组成，以“热管-隔热板-热管”层状结构组成复合板形式，其中热管采用厚度小于1.5mm的铝制微通道平板热管，隔热板选用厚度小于3mm的气凝胶材料。
液冷板由高导热材质的上冷板和下冷板组成，上冷板锂电池系统底部直接贴合，下冷板为带有流道的冲压结构，流道内流动的液体药剂由液体储罐通过输液泵供给，在管路内循环流动。
液体药剂应为兼具高导热性和灭火降温能力的液体介质，如全氟己酮等。
管路应选用耐有机物腐蚀的橡胶材质软管。
输液泵应能在电池系统正常工作时使管道内液体介质按一定速度循环流动；电池系统热失控时，应能提供足够高压力使液体介质通过雾化喷嘴喷洒形成喷雾状态。
液体储罐中储备一定温度的液体药剂，恒温槽中的特定温度的水循环流入液体储罐中通过翅片与液体药剂的进行换热，使液体药剂维持在一定温度。
监测模块应集成至少两种以上易感知电池热失控的传感器，传感器类型主要包括一氧化碳、氢气、烟雾、挥发性有机物等探测器。
温度传感器与监测模块采集的信号传输至单片机进行信号处理后，向电磁阀及调压器输出电信号，控制液泵的运行功率以及电磁阀的开闭；电磁阀通过接电信号直接控制喷雾启动。
本发明还提供一种锂电池系统热安全管理方法，具备在锂电池系统正常工作时实现热管理功能；在电池系统发生热失控或火灾时，发挥热失控阻隔和灭火抑制功能。
热管理与热失控阻隔抑制功能的切换主要通过控制系统中单片机逻辑程序实现。
热管理功能的实现方法为，锂电池系统中电池单体之间安装的“热管-隔热板-热管”复合板结构与液冷板耦合形成热管理装置。当锂电池高温需要散热时，复合板结构通过热传导方法将电池散发的热量导入到底部的液冷板内；当锂电池低温需要加热时，液冷板流动的高温液体通过复合板结构将热量传导电池使其温度升高。液冷板内流动的液体药剂由液体储罐通过输液泵供给，在管路内循环流动，液体药剂的温度通过恒温槽进行控制，从而使锂电池系统处于最佳工作温度范围。
热失控阻隔和灭火抑制功能的实现方法为，当锂电池系统发生了热失控时，一方面复合板中的隔热板可以起到阻隔热量传递的功能，抑制热失控的传播；另一方面，锂电池系统里布置的温度传感器和监测模块持续监测电池工作状态，监测信号传输至单片机，并对信号进行分析判断。当判定锂电池发生热失控时，单片机输出信号至调压器和电磁阀，增大输液泵的运行功率并开启电磁阀，通过雾化喷嘴向电池系统喷洒液体药剂，经雾化后，对热失控电池进行冷却降温或灭火抑制功能。
进一步的，本发明可用于电动汽车锂电池模组、锂电池电化学储能模组等应用锂电池系统的场景。
本发明与现有技术的优点在于：
1、本发明提供的热安全管理装置兼具热管理和热失控阻隔抑制功能，可实现锂电池系统正常工作时，对其进行高效热管理，使电池处于最佳工作温度范围；发生热失控或火灾时，快速喷放液体药剂，抑制热失控和降温冷却，从而实现热管理和消防在技术、功能方面的有机融合。
2、本发明提供了一种高效的热管理技术方法，采用“热管-隔热板-热管”复合板结构与液冷板耦合成一体化热管理装置，通过液冷药剂在管路和液冷板内循环流动，实现对电池系统的快速散热和加热，解决了传统热管理技术存在的热管理效率低，对电池均温效果差等问题。
3、本发明提供了一种热失控阻隔和抑制技术方法，一方面可通过复合板结构中的隔热板抑制电池系统热失控的传播；另一方面，当温度传感器和监测模块监测到热失控发生时，通过雾化喷嘴向电池系统快速喷洒液体药剂，进行冷却降温或灭火抑制，攻克了传统消防技术对响应慢、灭火效能差等不足问题。
4、本发明提供的锂电池系统热安全管理装置中，热管理和热失控抑制装置共用同一种液体药剂，储存于液体储罐，液体药剂的流动和喷洒通过单片机逻辑程序进行控制，实现热管理与热失控阻隔抑制功能的切换。
附图说明
图1为本发明的一种锂电池系统热安全管理装置整体示意图；
图2为电池模组局部示意图；
图3为“热管-隔热板-热管”结构示意图；
图4为本发明的实验降温效果的结果图；
图5为本发明的实验热失控抑制效果的结果图；
图6为图4实验中每块锂电池的温度传感器位置示意图；
图7为图5实验中每块锂电池的温度传感器位置示意图。
附图标记说明：1为恒温槽，2为液体储罐，3为输液泵，4为电磁阀，5为雾化喷嘴，6为锂电池模组，7为气体传感器，8为温度传感器，9为单片机，10为调压器，11为热管，12为锂电池单体，13为隔热板，14为液冷板。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种锂电池系统热安全管理装置包括恒温槽1、液体储罐2、输液泵3、电磁阀4、雾化喷嘴5、锂电池模组6、气体传感器7、温度传感器8、单片机9和调压器10。恒温槽1、液体储罐2、电磁阀4、雾化喷嘴5及锂电池模组6间通过管路连接，气体传感器7、温度传感器8、单片机9和调压器10间通过信号传输线连接。
所述恒温槽1、液体储罐2、输液泵3、单片机9、调压器10为系统外置部分，将多个锂电池拼接成锂电池模组6；为详细描述电池成组方式，图2给出了电池成组的局部示意图，锂电池单体12之间通过镀镍铜片进行焊接，锂电池单体间的夹层采用热管11-隔热板13-热管11的复合板结构(如图3所示)相隔，在实际应用中可以根据电压及容量需求扩大电池组规模，此处不赘述；此处采用的热管是一种铝制平板状空心微流道结构，内部填充导热液丙酮，通过导热液的相变过程快速传热，等效导热系数约为10000W/(m*K)；液冷板14为铝制平板，内部布置流道以供液体药剂流动，上部布置沟槽以供复合板结构插入。
恒温槽1对槽体内的水温进行调节，并通过内置的输液泵流入液体储罐2内的翅片管结构，随后流回恒温槽1内构成循环；液体储罐2内的翅片浸泡于液体药剂中，与液体药剂进行充分换热；与水进行换热后的液体药剂从液体储罐2流出后经过输液泵3加压，以较快速度流经三通阀，分别通向电磁阀4入口及液冷板14入口，正常工作情况下电磁阀关闭，液体无法通过；
电磁阀4出口通向雾化喷嘴5，雾化喷嘴5置于锂电池模组6正上方；液冷板14出口通向液体储罐2入口；所述液冷板14采用高导热材料，优选为铝制。
在各锂电池单体12不同位置布置温度传感器8，并在锂电池模组6正上方设置气体传感器7，两者信号输出至单片机9进行处理，随后通过单片机9发出的电信号对调压器10的输出电压进行调节，同时判断电磁阀是否开启，保证整个电池模组处于合适温度区间的同时降低能耗，并在热失控发生时进行有效抑制。
在锂电池模组6高倍率充放电时，电芯产生的热量将从电芯表面传递至贴附于侧面的热管11蒸发端，热管11通过内部的相变传热将热量传递至冷凝端，冷凝端热量传递至液冷板14，随后由液冷板14内部流道中的液体药剂携带至液体储罐2中。为展示其效果，以4块40Ah三元锂电池以两并两串的方式连接，在初始环境温度为22℃的条件下进行高倍率充放电。图4展示了以3C倍率恒流放电-1C倍率恒流恒压充电为一次充放电循环，进行三组循环过程中锂电池模组的最高温度，图中对无热管理系统和有热管理系统两种工况下的温度进行了对比，具体为4块40Ah锂电池以两并两串成组后，以3C倍率恒流放电-1C倍率恒流恒压充电为一次充放电循环，进行三组循环过程中电池模组的最高温度；本实施例中采用的液体药剂为全氟己酮。通常不希望锂电池温度超过45℃，可见本发明提供的热管理系统表现出了良好的散热性能，最高温度始终处于40℃左右，而无热管理系统时的电池模组最高温度超过了70℃。
在锂电池发生热失控时，热失控的电芯产热速率迅速上升，通过锂电池单体12间的隔热板13实现了对电芯热失控传播的被动阻隔功能；同时通过电磁阀4实现热管理与主动热失控抑制功能的切换，将原通入液冷板14中的液体药剂通入雾化喷嘴5，从锂电池模组6上部对其进行喷雾降温及热失控抑制。为展示其效果，以4块40Ah三元锂电池以逐一排列的方式放置，对最左侧的1#电池采用300W恒功率加热板以热滥用方式触发热失控。雾化喷嘴5置于锂电池模组中央正上方5cm处，喷雾触发条件设置为临近热失控电池的2#电池Ts测温点温度达到100℃，本实施例中采用的液体药剂为全氟己酮。图5展示了从对1#电池进行热失控触发到电池组内热失控传播完全结束时的温度随时间的变化曲线。具体为4块40Ah锂电池依次排列，对1号电池触发热失控后各电芯测温点的温度。可见基于本发明的热失控抑制系统能够有效阻隔电芯间的热失控传播，保证临近热失控电池的其他电池不会发生热失控。
如图6所示，Tm-n表示图4中4块40Ah锂电池上的温度传感器的位置，其中m＝1,2,3,4，n＝1,2,3。
如图7所示，圆点表示图5中4块40Ah锂电池上的温度传感器的位置。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种锂电池系统热安全管理装置，其特征在于，包括恒温槽、液体储罐、液体药剂、输液泵、管路、电磁阀、雾化喷嘴、复合板结构、液冷板、气体传感器、温度传感器、单片机、调压器；所述恒温槽、液体储罐、电磁阀、雾化喷嘴与锂电池模组通过管路连接；所述气体传感器、温度传感器、单片机和调压器之间通过信号传输线连接；
所述恒温槽、液体储罐、输液泵、信号处理器、单片机、调压器置于锂电池系统箱体外部；所述复合板结构安装于锂电池单体之间，液冷板安装在锂电池系统底部；气体传感器安装于锂电池系统箱体顶部，每一锂电池单体都设置至少一处温度传感器；雾化喷嘴设置于锂电池系统上方5-10cm位置处；
所述复合板结构由热管、隔热板组成，以“热管-隔热板-热管”的层状结构组成复合板，其中热管采用厚度小于1.5mm的铝制微通道平板热管，隔热板选用厚度小于3mm的气凝胶材料；
所述液冷板由高导热材质的上冷板和下冷板组成，上冷板与锂电池系统底部直接贴合，下冷板为带有流道的冲压结构，流道内流动的液体药剂由液体储罐通过输液泵供给，在管路内循环流动；
所述液体药剂为兼具高导热性和灭火降温能力的液体介质；
所述管路选用耐有机物腐蚀的橡胶材质软管；
所述输液泵在锂电池系统正常工作时使管路内液体介质按一定速度循环流动；锂电池系统热失控时，提供足够压力使液体介质通过雾化喷嘴喷洒形成喷雾状态；
所述液体储罐中储备一定温度的液体药剂，恒温槽中的特定温度的水循环流入液体储罐中通过翅片与液体药剂的进行换热，使液体药剂维持在一定温度；
所述监测模块集成至少两种以上易感知锂电池热失控的传感器；
所述温度传感器与监测模块采集的信号传输至单片机进行信号处理后，向电磁阀及调压器输出电信号，控制输液泵的运行功率以及电磁阀的开闭；电磁阀通过接电信号直接控制雾化喷嘴开闭。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池系统热安全管理装置，其特征在于，所述液体介质为全氟己酮。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池系统热安全管理装置，其特征在于，所述传感器类型包括一氧化碳、氢气、烟雾、挥发性有机物的探测器。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种锂电池系统热安全管理装置的热安全管理方法，其特征在于，在锂电池系统正常工作时实现热管理功能；在锂电池系统发生热失控或火灾时，实现热失控阻隔和灭火抑制功能；所述热管理功能与热失控阻隔和灭火抑制功能的切换通过单片机逻辑程序实现。
5.根据权利要求4所述的热安全管理方法，其特征在于，所述热管理功能的实现方法为，锂电池系统中电池单体之间安装的“热管-隔热板-热管”复合板结构与液冷板耦合形成热管理装置；当锂电池高温需要散热时，复合板结构通过热传导方法将锂电池散发的热量导入到底部的液冷板内；当锂电池低温需要加热时，液冷板流动的高温液体通过复合板结构将热量传导锂电池使其温度升高；液冷板内流动的液体药剂由液体储罐通过输液泵供给，在管路内循环流动，液体药剂的温度通过恒温槽进行控制，从而使锂电池系统处于最佳工作温度范围。
6.根据权利要求4所述的热安全管理方法，其特征在于，所述热失控阻隔和灭火抑制功能的实现方法为，当锂电池系统发生了热失控时，一方面复合结构板中的隔热板起到阻隔热量传递的功能，抑制热失控的传播；另一方面，锂电池系统里布置的温度传感器和监测模块持续监测锂电池工作状态，监测信号传输至单片机，并对信号进行分析判断；当判定锂电池发生热失控时，单片机输出信号至调压器和电磁阀，增大输液泵的运行功率并开启电磁阀，通过雾化喷嘴向锂电池系统喷洒液体药剂，经雾化后，对热失控电池进行冷却降温或灭火抑制功能。
7.根据权利要求4-6之一所述的热安全管理方法，其特征在于，用于电动汽车锂电池模组或锂电池电化学储能模组。
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