CN116387724A - 一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备 - Google Patents

一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，包括金属和钢制电池组外壳，锂电池相变材料热管理系统、火灾监测报警系统。所述相变材料热管理系统包括相变材料、温度及电流电压测量模块；所述火灾监测报警系统包括气体探头、温度探头、应变压力传感器、智能报警器。两个系统连接到电池管理系统（Battery Management System，简称BMS）。本发明运用相变材料对电池组进行热管理，能够有效吸收电池使用过程中产生的热量，避免电池发生热失控，通过温度、电流电压测量模块可以实时检测电池本身温度、电流电压的变化，并反馈给电池管理系统。

Description

一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备。
背景技术
随着新能源产业的快速发展，锂离子电池技术的发展面临着更大的挑战，同时锂离子电池储能领域也被人们密切关注。由于锂离子电池具有高能量密度、高容量和高转换效率等优点，所以在储能领域有着广阔的前景，储能电站的建设就更加受到新能源发展的需要。电化学储能的大力应用能够改变传统供能模式，推动我国能源结构转型，促进新能源产业的发展，从而实现节能减排的目标，致力于保护环境。
储能电站的建设正在不断进行，更高质量、更有效和更安全的储能电站系统也受到各大企业和工厂的青睐，对于储能电站内部储能设施，要做到储能多和储能高效，更要做到储能的安全。储能电站的稳定发展需要电池热管理的强力保障，因为相变材料在相变中能贮藏或放出较多的热量，目前相变材料在热管理领域的应用越来越多。另外储能设施的报警以及预警处理也尤为重要，储能设施内部发生紧急情况后要能及时对数据进行处理并发生报警，告知人员及时进行处理，使损失降到最低。为了更好地促进储能电站的稳定进步和长远发展，因此对储能电站内部电池组进行热管理以及对储能设备设置火灾报警设施尤为重要，有必要设计一种相变材料热管理系统和火灾监测报警系统同时工作的储能电站设备，预防电池组热失控的发生并在发生危险情况时进行报警和处理。
发明内容
本发明旨在提供一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，对设备内进行电池的温度、电压和电流监测，对设备内电池组单元温度、气体、形变压力进行监测，达到提前预警以及报警的功能，并将设备内各种参数的状态发给控制室和管理员，达到实时监控的目的。
本发明采用以下技术方案：
一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，包括电池组及外壳整体，相变材料热管理系统，火灾监测报警系统；
所述电池组及外壳整体包括电池组、金属外壳、钢制电池组外壳和防爆阀，所述钢制电池组外壳内放置锂电池，钢制电池组外壳由金属外壳包裹，金属外壳上盖设置9个防爆阀用于防止气体堆积而引发爆炸；
所述相变材料热管理系统包括相变材料、温度和电流电压测量模块，温度和电流电压测量模块和电池管理系统连接，相变材料铺设在钢制电池组外壳内与锂电池紧密贴合，温度和电流电压测量模块测量电池的温度、电流和电压变化；
所述火灾监测报警系统包括气体探头、温度探头、应变压力传感器和智能报警器；监测数据传输到火灾监测模块，并由火灾监测模块传输到电池管理系统，智能报警器布置在金属外壳外侧，通过电池管理系统传输的信息发出声光报警信号，并可通过无线网络传输器将报警信息传输到个人用户，实现多重报警。
相变材料作用是能够有效吸收电池充放电释放的热量，阻断电池的热量积累，防止电池本身发生热失控，减少电池由于热失控导致热失控传播的大规模火灾爆炸事故的产生。防爆阀设置在金属外壳上方，可以释放电池热失控过程中的有毒有害气体，防止气体堆积发生爆炸。
进一步的，所述锂电池设置有20块，每10块横向排列，间隔2cm，纵向间隔3cm。
进一步的，所述温度和电流电压测量模块之间以及模块与电池管理系统通过传输数据线连接，进行数据交互与处理，电池管理系统将信号传输给控制室和管理员。每块电池均配有一个模块，并与电池管理系统连接，实时监测电池的温度、电流和电压变化，并进行分析处理。
进一步的，所述气体探头和温度探头布置在金属外壳的上壳处，分别用于监测设备内的气体和温度变化。电池在热失控过程中会产生大量的有毒有害的可燃性气体，释放出的气体可以通过气体探头进行检测；电池组在热失控过程中会产生大量的热量，温度探头可对温度进行监测，并将数据传输给电池管理系统。
进一步的，应变压力传感器贴合在电池中间右侧部分，监测电池是否发生形变。电池在热失控过程中，安全阀未破裂之前，电池内部会产生气体，导致电池变形，形变压力传感器可根据电池形变记录数据，将数据通过电池管理系统传输，管理人员从而采取措施，达到提前预警的目的。
进一步的，所述火灾监测模块设置在金属外壳内的一侧。
进一步的，所述智能报警器设置在金属外壳外的一侧。智能报警器可对电池温度、电流电压以及气体和应变压力在满足发生失控临界条件时或发生热失控过程中进行报警，并可将数据传输给控制室和管理员，进行实时监控，精准监控。
进一步的，所述无线网络发射器设置在智能报警器上。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明的应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，相变材料与电池组紧密贴合，防止热失控的产生，温度、电压电流测量模块设置在金属外壳与钢制电池组外壳中间，通过传输数据线将数据汇总到电池管理系统，电池组在充放电过程中会产生并放出热量，电压电流由模块中电压电流传感器进行测量，温度由温度传感器进行测量，并将检测到的信号传输给电池管理系统。火灾监测报警系统的气体探头和温度探头以及应变压力传感器都可将信号由火灾监测模块传输给电池管理系统，再传输给智能报警器进行报警，达到提前预警的目的，并可将设备内信息传输给控制室和管理员，达到实时监控的目的。
综上所述，本发明采用相变材料热管理的方式，对电池组进行热管理，达到防患于未然的效果，通过温度、电流电压测量模块可精准测量每块电池的参数变化，并通过火灾监测报警系统对设备内气体、温度、形变压力进行实时监测和报警，做到实时监测、精准监测以及预警和报警。
附图说明
图1为本发明的俯视结构图；
图2为电池温度和电流电压测量模块连接示意图；
图3为智能报警器正面图；
图4为本发明整体连接示意图；
图中各附图标记含义：1-金属外壳、2-钢制电池组外壳、3-温度和电流电压测量模块、4-相变材料、5-气体探头、6-温度探头、7-应变压力传感器、8-智能报警器、9-传输数据线、10-防爆阀、11-火灾监测模块、12-无线网络传输器。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-4所示，本发明的应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，包括电池组及外壳部分、相变材料热管理系统和火灾监测报警系统；
所述电池组及外壳部分包括电池组、金属外壳1、钢制电池组外壳2和防爆阀10，金属外壳1阻断外界环境的影响，钢制电池组外壳2用于保护电池组，防爆阀10可防止设备内部气体堆积。当电池或者电池组发生热失控时，防爆阀10可释放产生的气体。
所述相变材料热管理系统包括相变材料4、温度和电流电压测量模块3，温度和电流电压测量模块3和电池管理系统（BMS）连接，相变材料4主要由石蜡-膨胀石墨复合相变材料组成，相变材料4在电池充放电过程中可吸收电池释放的热量，并可在电池发生热失控过程中有效吸收电池释放的热量，避免热失控的传播。当电池本身温度、电压电流发生非正常变化时，温度和电流电压测量模块3便会记录参数的变化，传输至电池管理系统进行分析处理，并可分析具体某一块电池发生了非正常行为变化，以便于管理员或工作人员精准找到异常电池块。电池管理系统可将数据处理，然后将信号传输给智能报警器8，智能报警器8发生报警。
所述火灾监测报警系统包括气体探头5、温度探头6、应变压力传感器7和智能报警器8，当电池（组）发生热失控，电池温度以及环境温度会急剧升高，并伴随大量有毒有害易燃气体的产生，气体探头5可以探测到电池产生的气体，温度探头6探测到温度的升高，两者将数据通过传输数据线9先传输给火灾监测模块11，再由火灾监测模块11传输给电池管理系统，当电池在发生热失控前或者安全阀破裂前，电池内部由于温度升高会产生气体，这会导致电池发生形变，形变压力传感器7便会接收到电池形变的数据，并将数据通过传输数据线9传输给火灾监测模块11，再通过电池管理系统将信号传输给智能报警器8，使其报警。同时电池管理系统将数据传输给控制室，通知管理员及时进行处理。智能报警器8可通过无线网络传输器12将数据信号传输给管理员，达到实时监控的目的。
实施例
电池组及外壳整体的钢制电池组外壳2内放置20块锂电池，每10块横向排列，间隔2cm，纵向间隔3cm，并由相变材料4紧密贴合，避免电池发生热失控和热失控传播，钢制电池组外壳2由一层金属外壳1包裹，金属外壳1上盖设置9个防爆阀10用于防止气体堆积而引发爆炸。
所述相变材料热管理系统中相变材料4铺设在钢制电池组外壳2内与电池紧密贴合，有效吸收电池使用过程中产生的热量，避免电池发生热失控和热失控传播，温度和电流电压测量模块3可以测量电池的温度、电流和电压变化，模块之间以及模块与电池管理系统通过传输数据线9连接，进行数据交互与处理，电池管理系统将信号传输给控制室和管理员。
所述火灾监测报警系统的气体探头5和温度探头6布置在金属外壳1的上壳处，两者分别用于监测设备内的气体和温度变化；应变压力传感器7贴合在电池中间右侧部分，监测电池是否发生形变，数据传输到固定在监护外壳1上的火灾监测模块11，由火灾监测模块11传输到电池管理系统，智能报警器8布置在金属外壳外侧，通过电池管理系统传输的信息便可发出声光报警信号，并可通过无线网络传输器12将报警信息传输到个人用户，实现多重报警。
相变材料热管理系统内设有温度和电压电流测量模块3，通过传输数据线9连接，并于电池系统连接，进行数据交互。
金属外壳1上壳处设置有防爆阀10和火灾监测报警系统的气体探头（5）以及温度探头6，从而获得整体电池组泄漏气体和温度数据。
应变压力传感器7设置在电池的一侧，可以测得电池形变压力。
火灾监测模块11设置在金属外壳1内的一侧，可收集气体、温度和压力数据。
智能报警器8设置在金属外壳1外的一侧，可发生声光报警。
无线网络发射器12设置在智能报警器8上，可将报警信号通过无线网络传输给控制室和管理员。
通过电池管理系统，将温度、电压电流测量模块3以及火灾监测模块11的数据分析处理信号传输给智能报警器8，智能报警器8可发出声光报警，并将报警信号通过无线网络传输器12传输给控制室和管理员。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：包括电池组及外壳整体，相变材料热管理系统，火灾监测报警系统；
所述电池组及外壳整体包括电池组、金属外壳（1）、钢制电池组外壳（2）和防爆阀（10），所述钢制电池组外壳（2）内放置锂电池，钢制电池组外壳（2）由金属外壳（1）包裹，金属外壳（1）上盖设置9个防爆阀（10）用于防止气体堆积而引发爆炸；
所述相变材料热管理系统包括相变材料（4）、温度和电流电压测量模块（3），温度和电流电压测量模块（3）和电池管理系统连接，相变材料（4）铺设在钢制电池组外壳（2）内与锂电池紧密贴合，温度和电流电压测量模块（3）测量电池的温度、电流和电压变化；
所述火灾监测报警系统包括气体探头（5）、温度探头（6）、应变压力传感器（7）和智能报警器（8）；监测数据传输到火灾监测模块（11），并由火灾监测模块（11）传输到电池管理系统，智能报警器（8）布置在金属外壳外侧，通过电池管理系统传输的信息发出声光报警信号，并可通过无线网络传输器（12）将报警信息传输到个人用户，实现多重报警。
2.根据权利要求1所述的一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：所述锂电池设置有20块，每10块横向排列，间隔2cm，纵向间隔3cm。
3.根据权利要求1所述的一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：所述温度和电流电压测量模块（3）之间以及模块与电池管理系统通过传输数据线（9）连接，进行数据交互与处理，电池管理系统将信号传输给控制室和管理员。
4.根据权利要求1所述的一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：所述气体探头（5）和温度探头（6）布置在金属外壳（1）的上壳处，分别用于监测设备内的气体和温度变化。
5.根据权利要求1所述的一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：应变压力传感器（7）贴合在电池中间右侧部分，监测电池是否发生形变。
6.根据权利要求1所述的一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：所述火灾监测模块（11）设置在金属外壳（1）内的一侧。
7.根据权利要求1所述的一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：所述智能报警器（8）设置在金属外壳（1）外的一侧。
8.根据权利要求1所述的一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备，其特征在于：所述无线网络发射器（12）设置在智能报警器（8）上。
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