CN116399472A - 液冷电池包安全监测装置、方法及模块级安全监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池储能技术领域，尤其是指一种液冷电池包安全监测装置、方法及模块级安全监测装置。本发明所述的液冷电池包安全监测装置，通过光纤贯通器把光纤传感器集成在液冷电池包内，可以实现电池温度、氢气的安全监测，并且插拔、更换简便，方便电池包安装以及后期运维。且光纤传感器体积小、易集成，本质安全、适用于易燃、易爆场所。

Description

液冷电池包安全监测装置、方法及模块级安全监测装置
技术领域
本发明涉及电池储能技术领域，尤其是指一种液冷电池包安全监测装置、方法及模块级安全监测装置。
背景技术
在储能行业快速发展的同时，国内外的储能事故也屡见不鲜，电池储能技术仍存在较大的安全问题。单个储能项目规模越来越大，储能安全隐患也随之增大，安全已成为制约储能产业发展的瓶颈之一。电池在充放电过程中会产生大量的热量，导致电池温度上升，而电池温度又会直接影响电池的安全性。目前，储能电站的电池热管理方式逐渐采用液冷代替传统风冷，可以有效改善电芯散热效果，提升电池安全性。但是，液冷电池包结构是将电池包裹在密封的壳体中，一旦发生电池热失控，释放出的热量、可燃气体等难以逸出密封壳体，无法被电池舱顶部的温感、烟感、可燃气体探测器及时探测。因此，储能电站中采用的传统安全监测方法不适用于液冷电池包结构。近日，国家标准《电化学储能电站安全规程》发布，在消防安全方面标准指出“每个电池模块宜单独配置探测器和灭火介质喷头”。储能消防配置迎来重大变化，电池模块级安全监测成为趋势。因此，亟需开发一种新的安全监测方法，实现单个液冷电池包的热失控早期监测及消防预警。
传统的可燃气体、温感等探测器体积较大，置于液冷电池包内集成难度大，运维困难；同时，商用的电化学、电学原理的氢气探测器容易产生电火花，集成在液冷电池包内具有一定的安全风险。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中传统的可燃气体、温感等探测器集成在液冷电池包内具有一定的安全风险的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种液冷电池包安全监测装置，包括：
光纤贯通器，所述光纤贯通器设置于液冷电池包箱体上，并通过尾部传感光纤与外部光纤解调设备插拔连接；
光纤传感器，所述光纤传感器设置于液冷电池包箱体内部，与所述光纤贯通器连接，用于监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度。
优选地，所述光纤传感器包括：
封装外壳；
第一光纤布拉格光栅；
第二光纤布拉格光栅，所述第二光纤布拉格光栅与所述第一光纤布拉格光栅串联连接，所述第二光纤布拉格光栅上覆盖有氢敏涂覆层。
优选地，
优选地，所述第一光纤布拉格光栅和所述第二光纤布拉格光栅均去除了保护层，所述第二光纤布拉格光栅上依次覆盖有金属Ti、Pd/Ag合金和氢敏涂覆层。
优选地，所述封装外壳为陶瓷或不锈钢材质。
优选地，所述光纤贯通器为不锈钢材质。
优选地，所述液冷电池包包括：
箱体，所述箱体内部上下层设有液冷板；
内部电池，所述内部电池设置于所述箱体内部；
液冷进液和出液接口，所述液冷进液和出液接口设置于所述箱体面板上；
防爆阀，所述防爆阀设置于所述箱体面板上；
电池管理单元，所述电池管理单元设置于所述箱体面板上；
消防喷头，所述消防喷头设置于所述箱体面板上；
电气总集成，所述电气总集成设置于所述箱体面板上。
本发明还提供了一种液冷电池包安全监测方法，包括：
利用如上述的液冷电池包安全监测装置，监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度；
当液冷电池包内部的温度大于第一温度阈值，或液冷电池包内部的氢气浓度大于第一氢气浓度阈值时，发出预警信息；
当液冷电池包内部的温度大于第二温度阈值，或液冷电池包内部的氢气浓度大于第二氢气浓度阈值时，启动液冷电池包的消防喷头喷洒灭火介质。
本发明还提供了一种液冷电池包模块级安全监测装置，包括：
多个光纤贯通器，所述多个光纤贯通器分别设置于多个液冷电池包箱体上，并通过尾部传感光纤并联至一个光纤分路盒中，所述光纤分路盒通过一根光纤与外部光纤解调设备的任意一个通道插拔连接；
多个光纤传感器，所述多个光纤传感器分别设置于多个液冷电池包箱体内部，并分别与不同的光纤贯通器连接，用于监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度。
优选地，所述多个液冷电池包中，每预设数量个液冷电池包串联组成1个电池簇。
优选地，所述外部光纤解调设备包括32个通道。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的液冷电池包安全监测装置，通过光纤贯通器把光纤传感器集成在液冷电池包内，可以实现电池温度、氢气的安全监测，并且插拔、更换简便，方便电池包安装以及后期运维。且光纤传感器体积小、易集成，本质安全、适用于易燃、易爆场所。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为液冷电池包外部结构示意图；
图2为本发明所提供的一种液冷电池包安全监测装置结构示意图；
图3是本发明一种实施例提供的一种储能电池舱内液冷电池包模块级安全监测与消防系统布置示意图；
附图标记说明：1-1-箱体，1-2-防爆阀，1-3-光纤贯通器（内连光纤传感器），1-4-电池管理单元BMU，1-5-液冷进液接口，1-6-消防喷头，1-7-电气总集成，1-8-液冷出液接口，2-1-传感光纤，2-2-光纤贯通器，2-3-光纤布拉格光栅FBG，2-4- 氢敏涂覆层，2-5-光纤传感器封装外壳，3-1-电池簇，3-2-光纤传感器，3-3-消防管道。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种液冷电池包安全监测装置、方法及模块级安全监测装置，有效实现了电池温度、氢气的安全监测。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
液冷电池包外部结构参见图1，由一个密封箱体包裹着内部电池，箱体内部上下层装有液冷板，箱体面板上有液冷进液接口以及液冷出液接口，用于冷凝液循环。此外，箱体面板上还集成有防爆阀、电池管理单元（BMU）、消防喷头和电气总集成。
请参考图 2，图2为本发明所提供的一种液冷电池包安全监测装置结构示意图；具体包括：
光纤贯通器，所述光纤贯通器设置于液冷电池包箱体上，并通过尾部传感光纤与外部光纤解调设备插拔连接；
光纤传感器，所述光纤传感器设置于液冷电池包箱体内部，与所述光纤贯通器连接，用于监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度。
本发明采用一个不锈钢材质的光纤贯通器连接光纤传感器，然后将光纤贯通器集成到电池包箱体上。光纤贯通器一端连接光纤传感器，另一端通过尾部光纤连接到光纤解调仪设备上。光纤贯通器是一个灵活的插拔结构，当所有电池包完成集成、调试工作后，储能电站正式工作时，将贯通器尾端与光纤解调设备连接；当单个电池包需要维修、更换时，将光纤贯通器尾部拔出，则该电池包就与光纤解调仪设备断开，方便进行后续维修。解决了传统的氢气、温度探测器体积较大，置于液冷电池包内集成难度大，运维困难的弊端。
基于以上实施例，本发明同时实现温度、氢气测量的光纤传感器由两个光纤布拉格光栅(FBG)串联的单模光纤、氢敏涂覆层、封装外壳组成。光纤涂覆层250μm，光纤包层外径为125μm，纤芯直径9μm，FBG光栅区域长度为5-10mm ，FBG反射中心波长范围为1520-1580nm。具体地：采用光纤剥线钳将FBG光栅区域保护层去除，然后用无尘布蘸取无水乙醇轻轻擦拭。去除涂覆层后，其中一个FBG光栅区域不做处理，命名为第一光纤布拉格光栅FBG1，作为测温区；另一个串联的FBG光栅区域采用磁控溅射的方法镀上氢敏涂覆层，命名为第二光纤布拉格光栅FBG2，作为测氢区。FBG2光栅区域，先镀一层金属Ti，作为粘结层，增强氢敏材料与光纤粘附力，Ti膜厚度为5~20 nm；再镀一层Pd/Ag合金，Pd/Ag原子比3:1~4:1，厚度100~150nm，Ag可以抑制纯Pd膜的相变、脆化。最后采用陶瓷或者不锈钢外壳封装传感器探头。
根据光纤布拉格光栅的温度传感原理，FBG1只受温度的影响，不受氢气浓度的影响，FBG1测温区的反射中心波长的变化量Δλ B1与周围环境温度变化量ΔT的关系为：
Δλ B1=λ B(α n+α Λ) ΔT（1）
其中，α n为光纤的热光系数，α Λ为光纤的热膨胀系数（α n和α Λ为常参量）；根据公式（1）可实现温度测量。FBG1的波长变化量仅代表温度因素的影响，FBG2与FBG1的波长变化量之差能对温度误差进行补偿。因此，氢气浓度变化产生的波长变化量可以表示为：
Δλ BH= Δλ B2-Δλ B1（2）
因此，根据FBG1、FBG2中心波长的变化即可准确地分析氢气浓度与温度信息，实现同一FBG传感探头同时在线监测液冷电池包内温度和氢气浓度：FBG1只受温度的影响，不受氢气浓度的影响，FBG1的波长变化量仅代表温度变化；FBG2与FBG1的波长变化量之差能对温度误差进行补偿，代表氢气浓度的变化。
结合FBG解调仪的测量结果，即可实现利用同一FBG传感探头同时在线监测液冷电池包内温度和氢气浓度。
本发明采用由两个光纤布拉格光栅串联的光纤传感器可以同时在线监测液冷电池包内温度和氢气浓度。商用的电化学、电学原理的氢气探测器容易产生电火花，集成在液冷电池包内具有一定的安全风险。光纤传感器体积小、易集成，本质安全、适用于易燃、易爆场所。
基于以上实施例，本发明还提供了一种液冷电池包安全监测方法，包括：
利用如上述的液冷电池包安全监测装置，监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度；
当液冷电池包内部的温度大于第一温度阈值，或液冷电池包内部的氢气浓度大于第一氢气浓度阈值时，发出预警信息；
当液冷电池包内部的温度大于第二温度阈值，或液冷电池包内部的氢气浓度大于第二氢气浓度阈值时，启动液冷电池包的消防喷头喷洒灭火介质。
基于以上实施例，本发明还提供了一种液冷电池包模块级安全监测装置，包括：
多个光纤贯通器，所述多个光纤贯通器分别设置于多个液冷电池包箱体上（所述多个液冷电池包中，每预设数量个液冷电池包串联组成1个电池簇），并通过尾部传感光纤并联至一个光纤分路盒中，所述光纤分路盒通过一根光纤与外部光纤解调设备的任意一个通道插拔连接,一台解调设备最多可有32个通道；
多个光纤传感器，所述多个光纤传感器分别设置于多个液冷电池包箱体内部，并分别与不同的光纤贯通器连接，用于监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度。
如图3所示，基于以上实施例，本实施例提供了一种储能电池舱内液冷电池包模块级安全监测与消防系统布置，具体包括:
储能电池舱内电池成簇排布，由8个液冷电池包串联组成1个电池簇1，每个电池包都内置光纤传感器和消防管道。每列电池簇的8个光纤传感器通过贯通器尾部光纤并联到一个光纤分路盒中，从光纤分路盒中汇总成一根光纤输出，连接到光纤解调仪设备的一个通道上。不同电池簇引出的光纤连接到不同解调通道上，互不影响，一台解调设备最多可有32个通道，可实现一个电池舱内所有液冷电池包的温度、氢气浓度信息解析。
基于以上实施例，本实施例提供一套储能电站用安全监测及消防预警系统。每个液冷电池包代表一个监测点，将监测点对应的温度与氢气浓度保存在系统内，以便于对各监测点的温度与氢气浓度的追溯。同时，该监测系统可以可视化呈现各监测点对应的温度和氢气浓度。当任一监测点的温度大于第一温度阈值，和/或任一监测点的氢气浓度大于第一氢气阈值时，说明可能发生热失控，根据任一监测点的位置生成异常提示信息，便于安全员快速确定存在电池热失控风险的液冷电池包，及时做出热失控风险应对措施。当任一监测点的温度大于第二温度阈值，和/或任一监测点的氢气浓度大于第二氢气阈值时，直接启动该监测点的消防措施，自动开启该路消防管道，通过电池包内置的消防喷头喷洒灭火介质。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种液冷电池包安全监测装置，其特征在于，包括：
光纤贯通器，所述光纤贯通器设置于液冷电池包箱体上，并通过尾部传感光纤与外部光纤解调设备插拔连接；
光纤传感器，所述光纤传感器设置于液冷电池包箱体内部，与所述光纤贯通器连接，用于监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度。
2.根据权利要求1所述的液冷电池包安全监测装置，其特征在于，所述光纤传感器包括：
封装外壳；
第一光纤布拉格光栅；
第二光纤布拉格光栅，所述第二光纤布拉格光栅与所述第一光纤布拉格光栅串联连接，所述第二光纤布拉格光栅上覆盖有氢敏涂覆层。
3.根据权利要求2所述的液冷电池包安全监测装置，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅和所述第二光纤布拉格光栅均去除了保护层，所述第二光纤布拉格光栅上依次覆盖有金属Ti、Pd/Ag合金和氢敏涂覆层。
4.根据权利要求2所述的液冷电池包安全监测装置，其特征在于，所述封装外壳为陶瓷或不锈钢材质。
5.根据权利要求1所述的液冷电池包安全监测装置，其特征在于，所述光纤贯通器为不锈钢材质。
6.根据权利要求1所述的液冷电池包安全监测装置，其特征在于，所述液冷电池包包括：
箱体，所述箱体内部上下层设有液冷板；
内部电池，所述内部电池设置于所述箱体内部；
液冷进液和出液接口，所述液冷进液和出液接口设置于所述箱体面板上；
防爆阀，所述防爆阀设置于所述箱体面板上；
电池管理单元，所述电池管理单元设置于所述箱体面板上；
消防喷头，所述消防喷头设置于所述箱体面板上；
电气总集成，所述电气总集成设置于所述箱体面板上。
7.一种液冷电池包安全监测方法，其特征在于，包括：
利用如权利要求1-6任一项所述的液冷电池包安全监测装置，监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度；
当液冷电池包内部的温度大于第一温度阈值，或液冷电池包内部的氢气浓度大于第一氢气浓度阈值时，发出预警信息；
当液冷电池包内部的温度大于第二温度阈值，或液冷电池包内部的氢气浓度大于第二氢气浓度阈值时，启动液冷电池包的消防喷头喷洒灭火介质。
8.一种液冷电池包模块级安全监测装置，其特征在于，包括：
多个光纤贯通器，所述多个光纤贯通器分别设置于多个液冷电池包箱体上，并通过尾部传感光纤并联至一个光纤分路盒中，所述光纤分路盒通过一根光纤与外部光纤解调设备的任意一个通道插拔连接；
多个光纤传感器，所述多个光纤传感器分别设置于多个液冷电池包箱体内部，并分别与不同的光纤贯通器连接，用于监测液冷电池包内部的温度和氢气浓度。
9.根据权利要求8所述的液冷电池包模块级安全监测装置，其特征在于，所述多个液冷电池包中，每预设数量个液冷电池包串联组成1个电池簇。
10.根据权利要求8所述的液冷电池包模块级安全监测装置，其特征在于，所述外部光纤解调设备包括32个通道。
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