CN116407794A - 一种动力电池火灾抑制降温系统、方法及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明属于动力电池设计领域，具体公开了一种动力电池火灾抑制降温系统、方法及车辆，包括锂电池密封箱体系统、液氮系统和控制器；密封箱体系统包括箱体，在箱体上设置有氧气浓度传感器、电解液浓度传感器、温度浓度传感器、压力浓度传感器和烟雾/火焰探测器；液氮系统包括液氮罐，液氮罐通过供气管路、供液管路、连通管路与密封箱体分别相连，且在供气管路上设置第一控制阀，在供液管路上设置第二控制阀，在连通管路上设置第三控制阀，供气管路向箱体内部提供氮气，供液管路向箱体内提供液氮；箱体内的压力为微正压，所述的第一控制阀为常开状态。

Description

一种动力电池火灾抑制降温系统、方法及车辆
技术领域
本发明涉及电池降温领域，具体涉及一种动力电池火灾抑制降温系统、方法及车辆。
背景技术
动力电池广泛应用于便携通信、电动汽车、电动船舶、航空航天、大规模电力储能和军事领域等多方面，例如现有的锂电池由于具有能量密度高、循环寿命长、对环境污染小等优点，被广泛应用，但近年来不断出现的安全性事故引起了人们的注意，如锂离子电池引起的手机爆炸、电动汽车起火、电动大巴燃烧、飞机电池起火、以及电池企业起火等，这些严重的安全事故制约了锂电池的应用。
锂电池起火的主要原因是热量集聚导致电芯内部温度升高，电解液等材料发生分解、燃烧，燃烧产生的高温进一步蔓延至临近电芯，造成燃烧的持续扩大和蔓延，锂电池起火具有热量聚集、升温迅速、火焰难以扑灭的特点，因此，在电池热失控的初期抑制电池的燃烧、快速降低电池内部温度是电池安全至关重要的防护措施。
在专利CN 202122445075.9中，公开了一种动力电池箱火灾抑制装置，其包括压缩空气罐、气体分离装置、缓冲罐和控制器，压缩空气罐通过空气进管与气体分离装置相连，气体分离装置设有尾气排气口与惰性气体排气口，气体分离装置以压缩空气罐中的气体为气源进行气体分离，且分离出的氧气供给至尾气排气口，分离出氧气后剩余的惰性气体供给至惰性气体排气口，惰性气体排气口通过连接管与缓冲罐相连，缓冲罐与排气总管相连，排气总管与若干分气管相连，每个分气管与一个电池箱相连，电池箱内设有火灾探测器，电池箱还设有排气阀，分气管上设有分阀。本实用新型将分离出来的惰性气体通入电池箱隔绝电芯与氧气的接触，从而能够有效延缓电池箱内部火情的扩散，但是该专利仅仅能实现火灾抑制，无法实现对电池箱体内部电池的降温。
同样的，在专利CN 202111044083.0中公开了一种动力电池箱体内探测系统及方法，该系统仅仅是对电池箱体内的火灾进行预警，无法实现火灾抑制和电池箱体内部的降温。
此外，虽然在现有技术中也有一些利用液氮对箱体进行降温的技术，但是对氮气和液氮的控制仅仅是简单粗略的控制，且没有应用在动力电池领域，当将液氮降温应用在该领域时，需要根据动力电池的实际环境进行控制，控制比较复杂，目前没有相关技术的记载。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种动力电池火灾抑制降温系统、方法及车辆，本发明将电池箱体采用密封设计，以高纯氮气取代大气环境，从而消除助燃剂(氧气)，阻止电池在过热情况下发生燃烧；同时通过液氮对箱体内部的电池进行快速降温。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种动力电池火灾抑制降温系统，包括密封箱体系统、液氮系统和控制器；
所述的密封箱体系统包括箱体，在所述的箱体上设置有氧气浓度传感器、电解液浓度传感器、温度浓度传感器、压力浓度传感器和烟雾/火焰探测器；所述的液氮系统包括液氮罐，所述的液氮罐通过供气管路、供液管路、连通管路与密封箱体分别相连，且在供气管路上设置第一控制阀，在供液管路上设置第二控制阀，在连通管路上设置第三控制阀，所述供气管路向箱体内部提供氮气，所述供液管路向箱体内提供液氮；且所述的箱体内的压力为微正压，所述的第一控制阀为常开状态。
所述的控制器根据压力传感器检测的压力值，确定是否对箱体进行泄压；控制器根据温度检测传感器的检测的温度值，确定是否向液氮罐内充入液氮；控制器根据电解液浓度传感器的监测值，确定是否切断电池输出；控制器根据氧气浓度传感器的监测值，确定是否利用氮气对箱体内的氧气进行置换；控制器根据烟雾/火焰探测器的监测值，确定是否向液氮罐内充入液氮。
作为进一步的技术方案，在所述的箱体侧面还安装有一对安全泄放阀。
作为进一步的技术方案，在所述的箱体侧面还安装有电磁泄放阀。
作为进一步的技术方案，所述的液氮罐的顶部通过供气管路与箱体相连通。
作为进一步的技术方案，所述的液氮罐的底部通过供液管路与箱体相连通。
作为进一步的技术方案，所述的供气管路还与吹扫系统相连。
作为进一步的技术方案，在供气管路上还设置有减压阀。
作为进一步的技术方案，所述的箱体内部的压力为微正压，即密封箱体充装高纯氮气，微正压可以保证箱体内气体环境与外界大气环境隔绝，当箱体局部泄露时不会与箱体外部空气发生气体交换。
第二方面，本发明还提供了一种利用动力电池火灾抑制降温系统对动力电池进行火灾抑制剂降温的方法，如下：
压力传感器监测箱体内部的压力，当压力传感器发出一级超压警报时，控制器自动关闭第一控制阀，关断氮气供应，当压力传感器发出二级超压警报时，自动开启箱体上的电磁泄压阀，进行压力泄放；当压力超过设定值，安全泄放阀自动开启进行压力泄放；
温度传感器监测箱体内部的温度，当温度传感器发出一级超温警报时，控制器自动切断电池输出；当温度传感器发出二级超温警报时，自动开启第二控制阀和第三控制阀，将液氮充入箱体进行蒸发吸热降温，考虑到液氮罐内压力过低、液氮无法快速排出，第三控制阀能够利用箱体与罐内压差，快速将液氮排到箱体；
所述的电解液浓度传感器监测箱体内部的电解液，当电解液浓度传感器发出电解液泄露报警时，控制器自动切断电池输出进行检查；
所述的氧气浓度传感器监测箱体内部的氧气，氧气浓度传感器发出氧气浓度超标报警时，向箱体内充入氮气进行气体置换，如果氧气浓度持续超标则检查箱体密封性；
所述的烟雾/火焰探测器实时监控箱内有无烟雾/火焰，如检测到烟雾/火灾一级报警，控制器自动切断电池输出进行检查，如检测到烟雾/火灾二级报警，自动开启第二控制阀、第三控制阀，将液氮充入箱体进行蒸发吸热降温，考虑到液氮罐内压力过低、液氮无法快速排出，第三控制阀能够利用箱体与罐内压差，快速将液氮排到箱体。
第三方面，本发明还提供了一种车辆，其上安装有所述的动力电池火灾抑制降温系统。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
1.本发明通过一套系统，对电池箱内部进行全面监测和控制，既实现了电池火灾抑制，还实现了电池过热降温，整个系统设计简单，实用性比较强，具体的，本发明通过一个液氮罐，同时实现氮气和液氮的控制，且本发明还设置连通管路，可以实现液氮的快速排出，进而实现对电池箱内电池过热的快速降温；进一步的，本发明的第一控制阀为常开状态，箱体内部的压力为微正压，即密封箱体充装高纯氮气，微正压可以保证箱体内气体环境与外界大气环境隔绝，当箱体局部泄露时不会与箱体外部空气发生气体交换。
2.本发明中还可以进行氮气输出，将氮气供至燃料电池系统和储氢系统的吹扫管路，实现燃料电池系统的吹扫。
3.本发明中还可以进行气体置换，当箱体内氧气浓度超过设定值后可以通过供气系统对箱体内气体环境进行置换，具体方法为：将瓶口电磁阀关闭，箱体电磁泄放阀打开，排出箱内惰性气体，待箱体内压力接近大气压后，打开瓶口电磁阀为箱体补充氮气，通过重复多次放气/补气操作，实现箱体内气体的置换。
4.液氮罐经减压阀与箱体相连，当箱体因局部密封失效或安全阀开启导致与大气相通，容器可持续为箱内补充氮气，保持箱体内的惰性气体环境；
5.箱体设置氧气浓度传感器和安全阀，实时监测箱体内氧气含量，当氧气含量超标时可以通过阀门操作对箱体内气体进行置换，当箱体内压力超过限值时自动排出箱内气体。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的结构示意图；
图中：1注液口，2瓶尾阀，3液氮罐，4瓶口组合阀，5减压阀，6吹扫系统，7高低压电连接器，8氧气浓度传感器，9电解液浓度传感器，10温度浓度传感器，11压力浓度传感器，12氮气，13安全泄放阀，14电磁泄放阀，15密封箱体，16电池，17烟雾及火焰探测器，18供气管路，19供液管路，20连通管路。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种动力电池火灾抑制降温系统及方法。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例公开的动力电池火灾抑制降温系统，包括密封箱体系统和液氮系统；本实施例将电池箱体采用密封设计，以高纯氮气取代大气环境，从而消除助燃剂(氧气)，阻止电池在过热情况下发生燃烧；箱体内保持微正压，避免箱体因局部密封失效导致外部大气窜入箱体，导致气体交换。
本实施例中的密封箱体系统，包括密封箱体15、阀门及各种传感器，具体的箱体上设置2只互为冗余安全泄压阀13、1只电磁泄压阀14，传感器包括压力传感器11、温度传感器10、电解液浓度传感器9、氧气浓度传感器8以及烟雾及火焰探测器17；压力传感器11、温度传感器10、电解液浓度传感器9、氧气浓度传感器8以及烟雾及火焰探测器17插装在密封箱体15上，温度传感器10采取贴片形式布置在锂电池模组上以实时监测电池模组温度，电解液浓度传感器9安装在箱体底部以及时监测电解液泄露，温度传感器10、烟雾及火焰探测器17安装在锂电池模组上部。
各个部件的功能如下：
上述的密封箱体15是电池安装的箱体，采用密封设计，内充装高纯氮气(二氧化碳、惰性气体同样适用)，并保持微正压(高于大气压200～400pa)；
当因箱体外部受热、电池过热或减压阀失效等导致箱体内气体压力超过设定值时，安全泄压阀13动作排出箱内气体，维持箱体内的压力值，保障箱体安全；如安全泄泄压阀13失效或需其他需要操作(如气体置换等)可采用电磁泄压阀14泄压；
上述的压力传感器11实时监控箱内气体压力，如超过安全阀泄放压力则发出超压警报，可设置多级警报值；
上述的温度传感器10实时监控箱内气体温度，如超过设定温度则发出超温警报，可设置多级警报值；
上述的电解液浓度传感器9实时监控箱内电解液浓度，如检测到电解液则发出电解液泄露报警，可设置多级警报值；
上述的氧气浓度传感器8实时监控箱内氧气浓度，如检测到氧气浓度超过一定值则发出密封失效报警，可设置多级警报值；
上述的烟雾/火焰探测器17实时监控箱内有无烟雾/火焰，如检测到烟雾/火焰则发出火灾报警，可设置多级警报值。
本实施例中的液氮系统包括液氮罐3、瓶口组合阀4、瓶尾组合阀2、供气管路(含减压阀5)、供液管路、连通管路(含电磁阀)，功能为：
液氮罐3用于储存液氮，能承受3MPa以上压力；(液态二氧化碳、液态稀有气体同样适用)；
瓶口组合阀4用于对外输出氮气，具备电磁开闭、手动开闭、超压泄放等功能；
瓶尾组合阀2用于对外输出液氮，具备电磁开闭、手动开闭、超压泄放、液氮加注等功能；
供气管路18(含减压阀)对外输出氮气，分为2路，一路向密封箱体供氢，另一路可向燃料电池系统吹扫管路供气，均设置减压阀对氮气进行减压；
供液管路19对外输出液氮。
连通管路20(电磁阀)连通密封箱体与液氮罐，当罐内氮气压力过低但需要对外供液氮时，可以打开电磁阀，利用箱体内压力将液氮压出；
上述的箱体保持非可燃环境，密封箱体充装高纯氮气(二氧化碳、惰性气体同样适用)，微正压可以保证箱体内气体环境与外界大气环境隔绝，当箱体局部泄露时不会与箱体外部空气发生气体交换；
当箱体因局部密封失效或安全阀失效开启导致与大气相通时，液氮系统可持续为箱内补充氮气，保持箱体内的氮气环境和微正压，实现方法为：液氮罐的瓶口组合阀正常状态下保持电磁阀常开，通过供气管路中的减压阀将气体压力降至设定压力(设定压力与箱内气体保持压力平衡)。
本实施例中的箱体压力安全主要通过安全泄压阀13和电磁泄压阀14保证，安全泄压阀13和电磁泄压阀14保证箱体内压力不会超过设定压力。
本实施例中的电池过热降温方法，当检测到电池可能发生热失控时，瓶尾电磁阀开启，液氮受重力作用以及液氮罐3上部氮气压力作用喷入密封箱体，通过蒸发吸热实现高效降温。
本实施例中的气体置换方法，当箱体内氧气浓度超过设定值后，可以通过供气系统对箱体内气体环境进行置换，具体方法为：将瓶口电磁阀关闭，箱体电磁泄放阀14打开，排出箱内惰性气体，待箱体内压力接近大气压后，打开瓶口电磁阀为箱体补充氮气，通过重复多次放气/补气操作，实现箱体内气体的置换。
本实施例中的氮气输出方法，通过开启管路电磁阀，将氮气供至燃料电池系统和储氢系统的吹扫管路，实现燃料电池系统的吹扫。
整个系统的控制方法如下：
压力传感器11监测箱体内部的压力，当压力传感器11发出一级超压警报时，控制器自动关闭瓶口组合阀，关断氮气供应，当压力传感器发出二级超压警报时，控制器自动开启电磁泄压阀14，进行压力泄放；当压力超过设定值，安全泄放阀自动开启进行压力泄放；
温度传感器10监测箱体内部的温度，当温度传感器10发出一级超温警报时，控制器自动切断电池输出；当温度传感器发出二级超温警报时，开启瓶尾组合瓶阀，将液氮充入箱体进行蒸发吸热降温，如果液氮罐内压力过低、液氮无法快速排出，连通管路电磁阀能够利用箱体与罐内压差，快速将液氮排到箱体；
所述的电解液浓度传感器9监测箱体内部的电解液，当电解液浓度传感器发出电解液泄露报警时，控制器自动切断电池输出进行检查；
所述的氧气浓度传感器8监测箱体内部的氧气，氧气浓度传感器8发出氧气浓度超标报警时，可以通过远程控制进行气体置换，如果氧气浓度持续超标则提示检查箱体密封性；
所述的烟雾/火焰探测器17实时监控箱内有无烟雾/火焰，如检测到烟雾/火灾一级报警，通过控制器切断电池输出进行检查，如检测到烟雾/火灾二级报警，开启瓶尾组合瓶阀，将液氮充入箱体进行蒸发吸热降温，如果液氮罐内压力过低、液氮无法快速排出，则打开连通管路电磁阀，利用箱体与罐内压差，快速将液氮排到箱体。
本实施例还提供了一种车辆，所述的车辆上安装有前面所述的动力电池降温系统。由于该车辆中设置有如上所述的动力电池降温系统，因此该车辆同样具备如上所述的全部优势。在一些实施例中，本发明提供的车辆可以是任何适当类型的车辆，当然还包括一些轮船等。
最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动力电池火灾抑制降温系统，包括密封箱体系统、液氮系统和控制器；其特征在于：所述的密封箱体系统包括箱体，在所述的箱体上设置有与控制器相连的氧气浓度传感器、电解液浓度传感器、温度浓度传感器、压力浓度传感器和烟雾/火焰探测器，所述的液氮系统包括液氮罐，所述的液氮罐通过供气管路、供液管路、连通管路与密封箱体分别相连，且在供气管路上设置第一控制阀，在供液管路上设置第二控制阀，在连通管路上设置第三控制阀，所述供气管路向箱体内部提供氮气，所述供液管路向箱体内提供液氮；所述的箱体内的压力为微正压，所述的第一控制阀为常开状态。
2.如权利要求1所述的动力电池火灾抑制降温系统，其特征在于，在所述的箱体侧面还安装有一对安全泄放阀。
3.如权利要求1所述的动力电池火灾抑制降温系统，其特征在于，在所述的箱体侧面还安装有电磁泄放阀。
4.如权利要求1所述的动力电池火灾抑制降温系统，其特征在于，所述的液氮罐的顶部通过供气管路与箱体相连通。
5.如权利要求1所述的动力电池火灾抑制降温系统，其特征在于，所述的液氮罐的底部通过供液管路与箱体相连通。
6.如权利要求1所述的动力电池火灾抑制降温系统，其特征在于，所述的供气管路还与吹扫系统相连。
7.如权利要求1所述的动力电池火灾抑制降温系统，其特征在于，在供气管路上还设置有减压阀。
8.如权利要求1所述的动力电池火灾抑制降温系统，其特征在于，所述的连通管路与供气管路并联在液氮罐顶部。
9.利用权利要求1-8任一所述的动力电池火灾抑制降温系统对动力电池进行火灾抑制剂降温的方法，其特征在于，
压力传感器监测箱体内部的压力，当压力传感器发出一级超压警报时，控制器自动关闭第一控制阀，关断氮气供应，当压力传感器发出二级超压警报时，控制器自动开启箱体上的电磁泄压阀，进行压力泄放；当压力超过设定值，安全泄放阀自动开启进行压力泄放；
温度传感器监测箱体内部的温度，当温度传感器发出一级超温警报时，控制器自动切断电池输出；当温度传感器发出二级超温警报时，控制器自动开启第二控制阀和第三控制阀，将液氮充入箱体进行蒸发吸热降温，考虑到液氮罐内压力过低、液氮无法快速排出，第三控制阀所在管路能够利用箱体与罐内压差，快速将液氮排到箱体；
所述的电解液浓度传感器监测箱体内部的电解液，当电解液浓度传感器发出电解液泄露报警时，控制器自动切断电池输出进行检查；
所述的氧气浓度传感器监测箱体内部的氧气，氧气浓度传感器发出氧气浓度超标报警时，可以通过远程控制进行气体置换，如果氧气浓度持续超标则提示检查箱体密封性；
所述的烟雾/火焰探测器实时监控箱内有无烟雾/火焰，如检测到烟雾/火灾一级报警，通过控制器切断电池输出进行检查，如检测到烟雾/火灾二级报警，开启第二控制阀，将液氮充入箱体进行蒸发吸热降温，如果液氮罐内压力过低、液氮无法快速排出，则打开第三控制阀，利用箱体与罐内压差，快速将液氮排到箱体。
10.一种车辆，其特征在于，其上安装有权利要求1-8任一所述的动力电池火灾抑制降温系统。
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