CN116914339B - 一种双防储能柜及其防控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双防储能柜，涉及储能柜的日常安全防护相关技术领域，所述储能柜包括储能模块、双防模块，储能模块设多个电池模组，所述电池模组从上到下依次排列；双防模块包括水箱、防高温组件和防火防爆组件，防高温组件包括防高温管路、换热件，防高温管路连接换热件和水箱；每个电池模组均配有一防火防爆组件。本发明还公开了一种防控方法，水箱内设有低温液体冷媒，防控方法包括：（1）防高温模式，储能柜内形成由水箱内的低温液体冷媒换热后的低温冷气，低温冷气流转至电池模组内进行降温处理，再通过抽气扇排出形成散热通道；（2）防火防爆模式，电池模组超过防火防爆温度时将水箱内低温液体冷媒喷入电池模组将电池单体浸泡。

Description

一种双防储能柜及其防控方法

技术领域

本发明涉及储能柜的日常安全防护相关技术领域，特别是涉及一种双防储能柜及其防控方法。

背景技术

近年来，我国储能产业的发展速度越来越快，不仅在大电网的发电侧、输配电侧和负荷侧起着削峰填谷、改善电能质量等重要作用，而且在用户侧微电网的分布式能源中的应用也越来越广泛，电网储能日益成为我国能源消费的重要环节，储能市场需求巨大。而锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、环境友好、自放电小等优点而被广泛应用于储能电站，消费电子和新能源汽车等领域。尤其在储能设备中，作为电池的首选。

储能系统中锂离子电池的消防安全一直是研究热点。锂离子电池，一方面，因其具有能量密度高、快速充放电产热量大等特点，存在很大的火灾风险和危害性，是发生火灾的主要危险源;另一方面，锂离子电池在火灾特性、消防设施的运用和管理方面都有自身的特点，与一般传统的仓库的火灾危险性不同。

锂离子通过正负极移动帮助锂离子电池完成充电、放电工作，其属于当前充电电池中性能较高品类。而锂离子电池与“锂电池”存在较大区别，“锂电池”将二氧化锰、亚硫酰氯作为正极材料，负极以锂配平，不需充电即储有电能作为电池组装完成后的特点，因电池内部短路多是由于充放电循环所形成的锂结晶形成的，通常情况下锂离子电池禁止充电，所以在消防管控上，并不能将锂离子电池与“锂电池”相提并论。锂离子电池充、放电循环作为功能过程中，其在运动中会在内部产生极为复杂的化学反应。而负极表面SEI膜具有热稳定特定，受温度限定影响达到临界点会发生热分解现象。而负极裸露多是因SEI膜造成的，其裸露面与电解液直接接触所产生的还原反应不仅剧烈还伴随可燃气体与热大量释放。当电芯温度达到190℃左右时多是由于SEI膜分解释放的热造成的，而这也是正极分解的主要原因。原子态氧在正极分解中被快速释放，高活性的原子态氧是导致电解液直接剧烈氧化分解的根源，进而导致电芯在短时间内积聚大量的热。潜在热副反应是指在温度或充电电压过高时因热量积聚使得电芯温度与压力快速上升，进而发生热失控。正极热分解量大于负极，而电芯热稳定性受不同正极材料影响，所展现的情况存在较大差异。

电池的使用，如遇掉落、挤压、撞击、过充过放导致内部的枝晶与电池生产过程中的杂质灰尘等，将恶化生成刺穿隔膜，产生微短路，电能量的释放导致温升，升温带来的电池材料化学反应又扩大了短路路径，形成了更大的短路电流，这种互相累积、互相增强的破坏，导致热失控。而外部短路因在人为操作不当而产生，由于外部短路造成电池放电电流过大，易使电芯发热，而高温则会使电芯内部的隔膜损坏，造成内部短路，因而燃烧爆炸。通常，锂离子电池出现热失控的95%源自电池的内部短路，而内短路时间进程快且时间短，往往会在50秒左右快速导致热失控，而热失控后会继而导致锂离子电池快速燃烧。锂离子电池的燃烧特性与众不同，其中燃烧激烈、热蔓延迅速、活泼金属发生猛烈反应生成产物作为基础特性，在燃烧加剧的条件下火势迅速蔓延。而在剧烈燃烧后所产生的烟尘与毒性极具危险性，致使锂离子电池在燃烧会释放大量有毒有害气体、粉尘颗粒，严重危害人体。不仅如此，难以控制的火势极易引发爆炸，扑灭复燃可能性极大，扑救难度校大。而因锂离子电池引发的火灾应用常规物理方式仅能扑灭，无法通过关隔绝氧气与切断燃烧链的形式达到预期目标，而未能有效抑制火灾所引发的复燃问题。因而，锂离子电池引发的火灾灭火的难度远高于其他火灾性。

集成式储能柜主要包括电池柜、储能双向变流器以及控制系统、后台监控管理系统等。储能柜的核心组成部分为电池柜，其子单元为电池模块。锂离子电池虽然拥有优良的性能，但其处于过热、过充、短路等滥用条件下，电池内部会因热量积聚而发生热失控，进而引起火灾爆炸事故。由于能量密度和空间的限制，储能柜一般排布相对紧密，且无工作人员对集装箱内的工作状态进行实时监控。因此，如果电池柜内电池发生热失控引发火灾后没有及时进行灭火降温，则火灾极易在电池模块间、电池柜间甚至是储能集装箱之间传播蔓延，从而造成大规模的火灾爆炸事故，对人员和财产安全造成了极大的威胁。因此，发展适用于储能柜火灾的消防应对策略对保障储能系统的安全运行具有重大意义。

目前，国内外对锂离子电池储能柜火灾防控技术研究尚处于初始阶段，虽然很多机构进行了相关研究，但使用的都是单一的传统灭火剂及灭火系统设计方式，针对电池热失控火灾后其表面温度不低于900°C的情况，都不能同时实现快速扑灭明火及后期快速降温及长期抑制的火灾防控要求，达到理想的火灾防控效果，具体分析如下:

（1）卤代烷(七氟丙烷等)、全氟己酮等化学气体灭火设备

应用方式主要是管网式灭火系统及柜式灭火装置，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，其灭火机理是切断燃烧链，并无冷却和降温的效果，扑灭明火30min后降温不超过50°C，易复燃。

（2）惰性气体灭火设备

应用方式主要是管网式灭火系统，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，但主要有以下不足：在灭火方面，气体灭火系统启动时会向防护区喷放大量灭火气体，引起防护区空气压力瞬间升高；在应用方面，火灾燃烧产生的热量也会使室内空气压力有所升高，喷放时火势越大，时间越长，空气压力升离值就越大，因此防护区围护结构应考虑承受内压的允许压强、泄压口与自动泄压阀；在设备方面，由于惰性气体灭火剂灭火浓度高，故在储能电站的防火设计中，设计用量大，占地面积广，且工作压力高(最高达到23.2MPa)，有发生安全隐患的风险；在冷却降温方面，高压气体的喷放降温效果很小，扑灭明火30min后降温不超过100°C，易复燃。

（3）干粉灭火设备

应用方式主要是管网式灭火系统及悬挂式灭火装置，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，但由于干粉流通性能较差，所以在储能电站设计时不仅需要预留一定空间用于药剂的流通，而且由于干粉灭火剂无冷却降温作用，导致火灾扑灭后极易复燃，导致大规模的火灾失控。不仅没有降温效果，还会自体产热，加速储能电站温度的升高，导致火势进一步增大，效果非常不理想。

（4）气溶胶灭火设备

应用方式主要是柜式灭火装置，靠产生化学气体烟雾进行灭火，灭火效率低，而且不仅没有降温效果，还会自体产热，加速储能电站温度的升高，导致火势进一步增大，效果非常不理想。

（5）水喷淋灭火设备

水喷淋系统技术非常成熟，且灭火后降温效果均较为理想，适用于由多个集装箱组合而成的储能系统，但其不足也很明显。在灭火介质方面，由于采用水作为灭火介质，其导电的特性在扑灭火灾后，将导致储能电站内的电池短路损坏，从而无法使用;在用量方面，若要扑灭明火并保持后期抑制，需要大量的水，其用量可能成倍于被保护对象的体积；在占地方面，由于用量较大，须在储能电站就近修建消防水池，占地面积较大。

（6）细水雾灭火设备

应用方式主要是管网式灭火系统，其灭火机理是大量吸热及隔绝空气实现灭火，易用于无遮挡的局部灭火。在储能柜中各个电池单体布置较紧密，且空间狭小，细水雾喷放后无法达到起火点，会倍隔板或各种障碍遮挡住，无法实现其降温隔绝的效果，无法有效扑灭火灾及降温抑制。

（7）泡沫灭火设备

应用方式主要是管网式灭火系统，其灭火机理隔绝可燃物与助燃物洋气，实现灭火，适用于由多个集装箱组合而成的储能系统。虽然可对于初期火灾进行控制，但由于无降温作用，电池温度持续升高发生热失控后，可自发产生氧气、氢气等可燃和助燃气体，无法实现有效隔绝，最终导致泡沫失效，无法有效扑灭火灾和后期抑制。

CN104882639A公开了一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法及装置，通过使用液态惰性气体按照一定的喷淋量、喷淋方式和喷淋时问来对故障锂离子电池组进行灭火和制冷。但喷淋温度设罝在60~140°C,在电池组温度偏高时就采取强制制冷措施，这属于过度保护，会给电池组造成不可道转的损失。同时部分种类的液态惰性气体由于成本及存储条件等因素的限制,完全不具有实用性。

US6599656B2公开了一种阻止锂离子电池热失控的方法，通过在锂离子电池组中增加装载有二氧化碳或者氛气与氩气的混合物的罐体，在探测到异常情况时，使这些高压惰性气体喷射到电池周围，驱逐可燃气体和氧气,从而达到阻燃的日的。但电池燃烧只加剧而不能决定热失控进程,因而,通过喷射高压惰性气体并不能完全阻断热失控在电池组内的传播。

US20130312947A1和US20130316198A1公开了一种冷却液喷射灭火的锂离子电池组设计。正常使用时，制冷剂以高压液态的形式储存在罐中，当BMS检测到出现热失控等紧急情况时，高压制冷剂(R-123)从预设管道喷出，扑灭火焰、在热失控电池表面汽化，吸收大量热量，并稀释可燃电解液，从而阻断热失控传播，保护整个电池组安全。R-123常作为空调、冰箱等电器的制冷剂，但灭火效能并不理想，而且，R-123还是一种温室气体，同时也会对臭氧层产生破坏,因此一些国家已开始限制使用。

CN106684499A公开了一种抑制和阻止锂离子电池热失控的方法，通过液体制冷剂对故障锂离子电池进行喷淋制冷和灭火，当电池单体达到一定温度时，即开启喷淋装置，以液体制冷剂的汽化潜热量计，液体制冷剂的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的0.1~10倍，喷淋方式为连续喷淋或间断喷淋；液体制冷剂选自液氮、液氩和液态二氧化碳，相对存储要求高，增加额外的储能柜空间且成本较高。

上述多种消防控制设备及系统、方法，均是将消防和冷却分隔来解决两个问题。储能柜电池的最佳工作温度为20-30℃之间，因此，如果能在储能柜中设置一个双防模块，即可实现提供储能柜电池组的最佳工作环境温度，又能在发生热失控之前时快速降温，杜绝起火爆炸，保证设备和人身安全。

发明内容

针对上述要解决的技术问题，本发明提供一种双防储能柜及其防控方法，可同时实现储能柜的日常冷却防过热和火灾防控的双防功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种双防储能柜，包括柜体、储能模块、双防模块，所述储能模块和双防模块设于柜体内；

所述储能模块包括多个电池模组，所述电池模组从上到下依次排列于柜体内，所述柜体内设有至少一列电池模组；

所述双防模块包括水箱、防高温组件和防火防爆组件，所述防高温组件包括防高温管路、换热件和抽气扇，所述防高温管路连接换热件和水箱，且形成液体循环管路；所述抽气扇设有多个，每个所述电池模组布设一个抽气扇；每个所述电池模组均配有一防火防爆组件，所述防火防爆组件包括防火防爆管路、高压喷嘴，所述防火防爆管路与水箱连通，所述防火防爆管路一端连接高压喷嘴，所述高压喷嘴设于电池模组内；所述电池模组设有电池单体，所述电池模组还设置第一水位线和第二水位线，所述第一水位线的高度低于电池单体的高度；所述第二水位线的高度高于电池单体的高度；

所述水箱设有制冷件，所述水箱内设有液体冷媒，所述液体冷媒设有融冰剂。

上述技术方案中，优选地，所述电池模组还包括抽屉柜，所述电池单体设有多个，多个所述电池单体串联成排布置在抽屉柜内，每个所述抽屉柜内固定设有至少两排电池单体，相邻两排电池单体之间间隔布设；所述抽屉柜的四侧壁以及底板的连接缝处做防水处理，所述抽屉柜的四侧壁的高度高于电池单体的高度。

上述技术方案中，优选地，所述换热件采用换热器和抽风扇组合且设置在柜体的顶部，所述抽气扇设置在抽屉柜的一侧壁上，所述抽屉柜与抽气扇相对的一侧壁设有通风孔；经换热器换热后的冷气通过抽风扇吹入所有抽屉柜的一侧空腔内，再流经通风孔进入抽屉柜内进行降温，通过抽气扇排出形成散热通道。

上述技术方案中，优选地，所述水箱设有出水管路和入水管路，所述防高温管路设有进水管和出水管，所述进水管与出水管路和换热器的进水口连接，所述出水管与入水管路和换热器的出水口连接。

上述技术方案中，优选地，所述防火防爆组件还包括主管道和电磁阀，所述主管道与出水管路连通，所述防火防爆管路一端通过主管道与水箱连通，另一端连接电磁阀和高压喷嘴。

上述技术方案中，优选地，所述防火防爆管路的一段贯穿抽屉柜一侧壁且电磁阀和高压喷嘴分别设置在抽屉柜侧壁的内外两侧。

本发明还提供了一种双防储能柜的防控方法，所述防控方法采用上述的双防储能柜；所述防控方法中水箱内设有低温液体冷媒，所述低温液体冷媒的温度低于20℃，所述防控方法包括两种工作模式；实时监测电池模组温度Ti和每个电池单体温度Tc，根据电池模组的温度Ti和电池单体的温度Tc选择不同的工作模式，两种工作模式择一进行，所述两种工作模式分别为：

（1）防高温模式

设置防高温温度为T1，监测电池模组温度Ti，当Ti>T1且低于最低的防火防爆温度时，运行防高温模式；

水箱与防高温管路连通，同时开启换热件，柜体内形成由水箱内的低温液体冷媒经换热件换热后的低温冷气；通过抽气扇的运行，低温冷气经由通风孔流转至抽屉柜内，通过抽气扇排出形成散热通道；

（2）防火防爆模式

具体包括以下步骤：

S1，设置第一防火防爆温度T3和第二防火防爆温度T4，T1<T3<T4，电池模组的第二水位线的高度高于电池单体的高度，且低于抽屉柜通风孔的高度，使所述低温液体冷媒不能流出抽屉柜；

S2，监测每个电池单体的温度Tc，若某一或某些电池单体的温度Tc高于T3，则进行S3；

S3，当T4>Tc>T3，防高温模式关闭，开启所述电池单体所在电池模组对应的防火防爆管路，且所述防火防爆管路与水箱连通，对应的高压喷嘴喷出低温液体冷媒将电池模组的电池单体部分浸泡，液位到达第一水位线时关闭对应的防火防爆管路；

S4，若淹没后的电池单体温度Tc下降，则关闭对应的防火防爆管路，检查所述电池单体是否故障；若淹没后的所述电池单体温度持续升高，则进行S5；

S5，所述电池单体温度Tc≥T4时，切断储能柜的直流断路器，高压喷嘴继续注入低温冷媒液体，液位达到第二水位线时关闭对应的防火防爆管路，电池模组内的所有电池单体被淹没，开启所述电池单体的安全阀，仅开启安全阀的所述电池单体的内部流入低温液体冷媒。

上述技术方案中，优选地，所述防高温模式或者防火防爆模式之前预先将水箱内的常温液体冷媒通过制冷件制成零下20℃的低温液体冷媒，且通过融冰剂使得低温液体冷媒维持液体状态。

上述技术方案中，优选地，每个所述电池单体外套设一防水套，所述电池单体顶部的电极和安全阀露出防水套。

作为一种较佳的实施方式，融冰剂为工业盐，该工业盐可采用市售工业盐，符合安全防火防爆相关要求即可；最佳的含有融冰剂的液体冷媒为质量百分比浓度为3~5%的工业盐水。

本发明提供的双防储能柜及其防控方法，与现有技术相比，有以下优点：

（1）本发明的双防储能柜及其防控方法，新设计了防高温和防火防爆的结构，在原有的储能柜基础上进行改进，改进成本低，同时适用于现有储能柜或者任何定制的储能柜。防高温组件和防火防爆组件在现有储能柜空间狭小的情况下，通过多条管路的布设极大程度的优化利用空间结构，不会造成储能柜成本增加；并且防高温模式采用水循环方式，节约利用能源。

（2）本发明的双防储能柜及其防控方法，通过利用低温液体冷媒作为防高温模式中最重要的降温介质，使储能柜内温度分布更加均匀，保障储能柜内温度可以使电池处于性能较好的状态，避免因电池温度不均匀而导致电池内电芯性能差异化，影响储能柜使用寿命，并解决了储能柜内空气对流换热效果差、换热效果不良等问题。

（3）本发明双防储能柜及其防控方法，通过利用低温液体冷媒作为最重要的防火防爆降温介质，既能达到电池模块的制冷均衡效果，又能保证电池的绝对安全性，同时，从源头直接冷却电池单体内部以实现快速降温避免热失控，极大程度地保护电池单体。

（4）值得一提的是，本发明独创的双防模块，同时实现了稳定保持电池的最佳工作温度，从而保障电池能够最大程度实现充放电循环次数理论值，延长电池寿命；更重要的是，正是因为防高温组件可实现持续性维持最佳电池工作温度且都是在33摄氏度以下，故而一旦出现异常状态的升温电池，方可被快速识别，在可控的温度区间内实现快速降温，杜绝电池出现热失控继而的火灾或爆炸险情；因此，防高温和防火防爆不是两个分割独立功能的模块，而是呈协同效果的双防组件，且对应的防控方法才能高效识别险情，保障安全最大化。

附图说明

图1是本发明双防储能柜的结构示意图。

图2是本发明防火防爆组件的连接位置示意图。

图3是本发明防火防爆组件的结构示意图。

图4是本发明电池模组的结构示意图。

图5是本发明防火防爆模式的应用示意图。

图6是本发明防控方法的流程图。

图中标号说明：

1、柜体；11、电池舱柜；12、储能变流器柜；13、出风孔；2、电池模组；21、电池单体；22、抽屉柜；23、通风孔；3、储能变流器；4、水箱；41、制冷压缩机；42、出水管路；421、增压泵；43、入水管路；5、防高温组件；51、防高温管路；511、进水管；512、出水管；52、换热件；521、铜管铝翅换热器；522、抽风扇；53、抽气扇；6、防火防爆组件；61、防火防爆管路；62、高压喷嘴；63、电磁阀；64、主管道；Ⅰ、第一水位线；Ⅱ、第二水位线。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1至图5为本发明提供的双防储能柜的结构示意图，如图1所示，该双防储能柜包括分别设置在柜体1内的储能模块、双防模块和控制模块（图中未标示），其中控制模块可独立的分别控制储能模块和双防模块。储能模块包括多个电池模组2和储能变流器3，相应的柜体1分为电池舱柜11和储能变流器柜12，储能变流器柜12和电池舱柜11高低贴合设置，且贴合面设有一出风孔13，或者在储能变流器柜12两侧壁设有透气窗形成回风风道；换言之多个电池模组根据柜体形状及供电要求以最省空间方式依次排列于电池舱柜11内，在此不做赘述。

如图4所示，电池模组2包括抽屉柜22和多个电池单体21，本实施例中采用1P252S280AH电池单体作为最小储能单元，多个电池单体21串联成排，布置入抽屉柜22内，每个电池单体21外套设一防水套，电池单体21顶部的电极和安全阀露出防水套。每个抽屉柜22内固定设有至少两排电池单体21，相邻两排电池单体之间间隔布设，构成一电池模组2。该抽屉柜22的柜体顶面无顶板，故呈开口状，且四侧壁以及底板各连接缝均做防水处理，可保证防水无泄漏，不会给其他电池模组带来二次损坏。根据不同地区的天气和环境特性，可通过现有各种防水处理方式，如防水硅胶条，防水涂层等方法。抽屉柜22的四侧壁高度均高于电池单体21，抽屉柜22的一侧壁设有通风孔23，通风孔23底边的高度高于电池单体21的顶部。

双防模块设置在电池舱柜11内，双防模块包括水箱4、防高温组件5和防火防爆组件6，防高温组件5包括防高温管路51、换热件52和抽气扇53，其中防高温管路51连接换热件52和水箱4，防高温管路51与换热件52的连接处设有一电磁阀开关（图中未标示），换热件52为一铜管铝翅换热器521配合一抽风扇522且设置在电池舱柜11的顶部。抽气扇53为多个，每个电池模组的抽屉柜22布设一个，作为节约功能保证能效的方法抽气扇53设置在电池模组的抽屉柜的侧壁上，最好可离换热件52较远，以形成最大最广的散热通道。本实施例中，抽气扇53设置在通风孔23相对的侧壁上，即抽气扇53与通风孔23分别位于抽屉柜22相对的两个侧壁上，且通风孔23与换热件52位于同一边，便于换热件的冷风从通风孔23流入抽屉柜22内部。

为进一步保证双防效能，可将水箱4增设一制冷压缩机41。本实施例中可在低电价时，将水箱4的液体冷媒降温，从而用于白天储能模块工作时电池单体发热的降温冷却。水箱4为保温水箱，水箱4设有出水管路42和入水管路43，防高温管路51连通铜管铝翅换热器521和水箱且形成液体循环管路，即防高温管路51设有进水管511和出水管512，进水管511与出水管路42连接，出水管512与入水管路43连接；沿液体冷媒的流动方向，液体循环管路是指水箱4——出水管路42——进水管511——铜管铝翅换热器521的铜管——出水管512——入水管路43——水箱4。出水管路42上还设有可调节的增压泵421，增压泵421采用市售可调节档位的增压泵。本实施例中水箱4和制冷压缩机41设置在电池舱柜11的底部，其它实施例中，水箱4和制冷压缩机41可以设置在电池舱柜11的顶部。水箱4另外设有一个注水口，用于补充液体冷媒。

图2～图4为防火防爆组件的结构示意图及局部放大图，如图2所示，防火防爆组件6根据电池模组的数量适应性设置，每个电池模组均配有一防火防爆组件6，防火防爆组件6包括主管道64、防火防爆管路61、高压喷嘴62和电磁阀63，其中，主管道64与出水管路42连通，防火防爆管路61一端通过主管道64与水箱4连通，另一端连接电磁阀63和高压喷嘴62，出水管路42与主管道64和进水管511的连接处设有一个三通阀。电磁阀63为高压喷嘴62的开关，高压喷嘴62设于抽屉柜22的一侧壁，如图2和图3所示，防火防爆管路61的部分管路贯穿抽屉柜一侧壁且电磁阀和高压喷嘴分别设置在抽屉柜该侧壁的内外两侧；换言之，高压喷嘴62所喷出的液体冷媒将直接喷入相应的电池模组2内，此时防火防爆管路61可将水箱内的液体冷媒喷入电池模组2内部。本实施例中，高压喷嘴的设置高度低于电池单体21顶部。该高压喷嘴采用铜制，为高压喷淋嘴，防高压、防高温、防爆裂，故而当电磁阀打开时，从水箱4内的液体冷媒经出水管路42、主管道64、防火防爆管路61再经高压喷嘴62转换成细小水珠呈高压连续喷洒到电池模组2内，尤其是抽屉柜剩余空间内。

本实施例中，控制模块包括监测单元和控制单元，所述监测单元包括水温传感器、水压传感器、液位传感器、多个温度传感器；其中，水箱4内设置水温传感器和液位传感器，用于测量水箱4内液体冷媒的温度和液位高度；液位传感器采用静压式液位传感器，设置于水箱4底部；水压传感器设置于水箱的出水管路42；储能柜内部和外部均设有温度传感器，用于监测柜内部和外部环境的温度，本实施例中储能柜内部的温度传感器用于监测电池舱柜11内的温度，主要用于检测散热通道的温度；每个抽屉柜22的底板的下端设有温度传感器用于监测下方相邻电池模组2的温度，也就是一个电池模组2内所有电池单体的平均温度，电池舱柜11的顶板设有温度传感器，用于监测排在最上方的抽屉柜22内的温度；另外，每个电池单体21设有一个温度传感器用于监测每一个电池单体的温度，温度传感器设置于电池单体顶部，即未被防水套包裹处。为了保证双防效果，柜内的温度传感器可设置多个，作为柜内温度的动态监测数据来源，如换热件、电池舱柜和储能变流器柜出风口13、以及每个抽屉柜22的抽气扇53附近，不仅可保证每个电池都在最佳工作状态下，还可保证在第一时间确定出现可能险情的电池单体，将风险降到最低。

图6为本发明的防控方法的流程图，水箱内设有低温液体冷媒，低温液体冷媒的温度低于20℃，时刻监测电池模组温度Ti和每个电池单体的温度Tc，根据电池模组的温度Ti和电池单体的温度Tc选择不同的工作模式，两种工作模式不同时进行，两种工作模式分别为：

（1）防高温模式

设置防高温温度为T1，监测电池模组温度Ti，可以根据使用环境的情况设置防高温温度或者设置为防高温温度区间，本实施例中以温度区间进行具体说明，只设置一个防高温温度的同理。

电池单体的最佳工作温度区间为20～30℃，通常高峰期放电时电池单体开始升温，即电池模组开始升温且温度可高达40℃，为了保障电池模组的最佳工作状态和效能，本发明的双防储能柜可根据温度的不同，提供两种防高温模式，分别为：快速制冷模式和缓慢制冷模式，具体为：

步骤1）设置防高温温度区间为T1~T2，当T2>Ti>T1时，运行缓慢制冷模式，即步骤2）；当T3>Ti>T2时，运行快速制冷模式，即步骤3）；

本实施例中，设置T1=22℃，T2=27℃。

步骤2）当T2>Ti>T1时，运行缓慢制冷模式，控制模块控制增压泵开启且增压泵档位至低速挡，减少排量和流速，降低能耗；同时开启铜管铝翅换热器521的电磁阀开关，柜体1内可快速形成由水箱4内的低温液体冷媒经铜管铝翅换热器521换热后的低温冷气，且低温冷气通过抽风扇522和抽气扇53的运行，经由通风孔23流转至柜内各处，尤其是各电池模块的抽屉柜22内，实现降温。当检测到Ti小于T1时，则控制停止通风，以避免柜内温度过低，电池工作性能受到影响。

步骤3）当T3>Ti>T2时，运行快速制冷模式；此时控制模块控制维持增压泵且增压泵调整为高速档运行，柜体1内可快速形成由水箱4内的低温液体冷媒经铜管铝翅换热器521换热后的低温冷气，且低温冷气通过抽风扇522和抽气扇53的运行，经由通风孔23快速流转至柜内各处，尤其是各电池模块的抽屉柜22内，实现快速降温。当Ti温度降低满足T2>Ti>T1时，则改为运行缓慢制冷模式。

（2）防火防爆模式

本发明的核心设计要义在于出现热失控险情的最早期，提前防止热失控的发生，在电池模组未发生热失控继而爆炸前，就快速的降温并维持低温，且不损伤电池模组原有功能，最大程度的降低风险并保留电池模组功能。

如上述，本发明的控制模块同时时刻监测电池模组温度Ti和每个电池单体的温度Tc。锂离子电池的热失控发生时间短，且一旦进入热失控较难控制，故能够实现提前判断在疑似或者险情一出现就能快速响应，扼杀风险，这是本发明最重要的技术效果。

本实施例中，防控方法的防火防爆模式，具体包括以下步骤：

S1，设置第一防火防爆温度T3和第二防火防爆温度T4，T1<T3<T4，设置第一水位线Ⅰ和第二水位线Ⅱ，第一水位线Ⅰ的高度低于电池单体21的高度；第二水位线Ⅱ的高度高于电池单体21的高度，且低于抽屉柜通风孔的高度，使液体不能流出抽屉柜；

本实施例中，优选T3=60℃，T4=80℃；

本实施例中，第一水位线Ⅰ的高度低于电池单体21的高度，位于电池单体四分之三高度处；第二水位线Ⅱ低于抽屉柜22的背板进风口下沿和抽气扇53出风口下沿线，且能够完全浸没电池单体；

进行防火防爆模式时，防高温模式停止。

S2，监测每个电池单体的温度Tc，若某一电池单体的温度Tc高于T3，则进行S3；

S3，当T4>Tc>T3，防高温模式关闭，即检测到该电池单体21温度大于60℃时，则运行防火防爆模式。通过该电池单体的温度传感器反馈信号给控制系统，此时，控制系统控制增压泵高速档运行，控制三通阀关闭防高温管路的流通并停止换热件，同时切断储能柜的直流侧断路器，打开主管道64，开启出现高温的电池模组2对应的防火防爆管路61上的电磁阀63，此时抽屉柜22内的高压喷嘴62快速喷出大量的低温液体冷媒，抽屉柜22冲入大量液体冷媒，液位达到第一水位线Ⅰ时关闭对应的防火防爆管路61上的电磁阀63，此时此电池模组2的所有电池单体21浸泡在液体冷媒内，可实现快速降温并维持降温效果，此时该浸没水位线可确保险情电池单体70~80%的高度在浸没线以内从而保证防火防爆效果，并能够防止其余该电池模组内的电池单体升温。

第一水位线Ⅰ的设置是不会浸没电池单体21的电极，因为此电池单体的电极设置在顶部，并且电池单体21本身包设有防水套，保证不会因为喷入液体冷媒产生短路现象。

S4，持续监测电池单体温度Tc温度，若淹没后的电池单体温度Tc下降，且如十分钟内温度没有上升，则抽出该电池模组2，排出液体后对故障电池单体21进行检查，如果损坏，则进行更换；若淹没后的电池单体温度持续升高，则进行S5；

S5，电池单体温度Tc≥T4时，即该电池单体21温度Tc升至80℃以上时，切断储能柜的直流侧断路器，打开高压喷嘴再次注入低温冷媒液体，液位达到第二水位线Ⅱ时关闭对应的防火防爆管路，此时水位淹没各电池单体21，打开电池单体顶部的安全阀，电池单体内会流入液体冷媒，从源头直接冷却电池单体21内部以实现快速降温避免热失控。

水箱内的液体冷媒采用20℃以下的低温液体，优选采用零下20℃的水加上融冰剂制备的超低温液体。0℃-20℃的低温液体冷媒可以同样进行防高温和防火防爆，只是防高温的效率较低，需要防高温组件在电池单体放电期间一直运行；防火防爆时，电池单体降温速度慢于零下20℃的超低温液体冷媒。

实施例1

本实施例的防控方法预先将水箱4内的液体冷媒通过制冷压缩机降温至零下20℃制成超低温液体冷媒，且通过融冰剂使得液体冷媒维持液体状态，发明人通过大量的实验研究发现，可通过质量百分比浓度为3~5%的工业盐水作为本发明的双防储能柜的最佳液体冷媒。

本实施例中，具体为：在一天内低电价时段通过电力能量交换实现降温将常温液体冷媒即工业盐水的温度降到零下20℃以下并保温储存在水箱4内；在时间到达高电价时段后，不再用电降温，而是用超低温工业盐水作为超低温液体冷媒经防高温组件为柜内提供冷能，实现制冷降温。制冷降温时，超低温工业盐水从水箱4流经防高温管路，通过换热件52转换为超低温空气进入电池舱柜11内；相应的各电池模组2内部通过独立设置的抽气扇53配合换热件52，使得超低温空气流经各电池模组2，电池单体21内部的热量随抽屉柜22内的空隙的超低温空气经热交换后被带出抽屉柜22，再经电池舱柜11顶部设置的出风口13从储能变流器柜本身的回风风道排出。

为了保障双防效果，水箱4内应设有足够多的液体冷媒，设置的水压传感器检测水压和液位检测器检测水位，防高温模式因为液体冷媒在管道内循环流动，不消耗水量，只有防火防爆模式下消耗液体冷媒的量，水量下降到一半时需要进行液体和工业盐的补充。

验证实验

通过实际应用场景验证本发明的双防储能柜的防控效果，具体如下：

（1）液体冷媒防冻效果验证

采用2%、3%和5%的质量百分比浓度工业盐水（工业盐需符合GB/T5462-2003要求）分别放入独立的水箱中检测，采用不大于0.1m/s的流速循环水箱内的工业盐水，分别检测不同温度下的水箱内的工业盐水状态，其中，2%浓度的工业盐水会在降温到零下10℃后的2-3小时则会陆续结冰，故该浓度下液体冷媒无法实现有效工作状态；而3%和5%浓度的工业盐水在保持该浓度的情况下，零下20℃仍可维持液体状态，目前观测期达两个月，仍水箱及所有管道内未见结冰现象。

（2）防高温效果验证

采用3%浓度的工业盐水继续进行防高温效果验证实验。

在电价低的时段，一般为晚上11点至早上7点为低电价时段，通过制冷压缩机把工业盐水制成零下20℃的低温液体冷媒储存于水箱内；设置预设的防高温温度区间为22～27℃，白天高峰用电时，如果电池模组温度高于27℃，控制单元控制增压泵高速运转加快低温液体冷媒通过换热件6散出大量冷气从而快速降低电池模组温度。如果电池模组温度在22～27℃，增压泵421低速运转给电池模组降温，返回检测电池模组温度重新判别再确定工作模式。

本实验的储能柜采用300kWh的电池容量，PCS储能变流器3为120KW，设定的放电功率为100kW，水箱内设置工业盐水200L。如果储能柜进入放电阶段，高峰电价时段在3小时全部放完，300kWh以0.3C放电。该双防储能柜在放电阶段设置每半小时运行一次快速制冷模式，其中防高温管路的超低温工业盐水的流速约为0.54m/s，运行5分钟后，检测电池模组2的抽气扇53的出风口的温度约为19℃，实现了快速降温。当电池模组2温度降温至27℃以下时，再运行缓慢制冷模式，水的流速约为0.31m/s，检测抽气扇53的出风口的温度约为22℃。

以24小时为一个工作周期检测水箱、电池模组2和电池舱柜内温度，来评估该防高温系统的工作性能。一般23～7点为低电价，此时工业盐水首先经2小时左右降温至零下20℃，3-4小时后温度上升1℃，此时再次降温至零下20℃，依次循环至7点低电价时段结束，制冷压缩机不再工作进入待机状态；7点后进入高电价时段，该超低温工业盐水处在保温并释放冷量的过程，高峰电价时段在3小时全部放完，每半小时循环一次运行制冷，循环六次，每次温度上升2℃，六次共上升12℃；除上述防高温模式工作时长3小时外，高电价时工业盐水还经13个小时的待机状态，温度上升3～4℃，故在进入下一次低电价降温循环前，工业盐水的温度约为零下4℃。

（3）防火防爆效果验证实验

在上述双防储能柜的结构下继续进行防火防爆实验，设置储能柜共有8个电池模组2，每个电池模组安装电池单体后剩余有效空间约为25L，电池单体集成的体积与剩余空间的体积比约为3:2，采用200L的工业盐水量，冗余配置的水量主要是给防火防爆模式提供足够的水源，保证防火防爆模式过程中的足够水量。

此为破坏性实验，根据结果可知，一个电池模组的单个电池单体发生故障，造成内部短路继而形成热失控的时间约为50秒，因此储能柜的防火防爆组件应在30秒内完成降温。通过人工施加外力将电池模组2中某一电池单体破坏，产生急速升温，15秒左右电池单体温度Tc升至60℃，立刻运行防火防爆模式，防火防爆管路的超低温工业盐水流速为1.8m³/h，高压喷嘴可在8秒内快速液体至第一水位线Ⅰ，停止注入液体，浸泡十分钟后，检测此时该电池单体温度Tc在30℃左右。

超低温液体冷媒开始注入后5秒内，即使没有到达第一水位线Ⅰ，该电池单体的温度Tc也会开始下降或者停止上升，若电池单体温度Tc没有下降且继续上升，会在25秒左右上升至80℃，此时高压喷嘴62持续注入超低温液体冷媒，防火防爆管路的工业盐水流速为1.8m³/h，高压喷嘴开启后可在10S内快速注满一个电池模组2，即液位到达第二水位线Ⅱ，同时打开该电池单体21的安全阀，检测此时该电池单体的温度Tc在30℃左右。如果其他7个电池模组同时出现同样的情况，配设的水箱内的水量足够用于浸没8个电池模组的电池单体，保证了足够的防火防爆水源。

在其它实施例中，如果电池模组设置的较多，如多于8个时，且同时所有电池模组均出现有电池单体温度高于60℃时，可以在运行防火防爆模式时，对水箱的液体冷媒进行补充，同时开启制冷压缩机进行快速制冷。

本发明提供的双防储能柜可有效的通过廉价环保的液体冷媒维持能量平衡且环保，发明人通过大量实验发现，本储能柜并不需现有技术中的15%以上的工业盐浓度，即可实现高效的维持液体状态从而实现控温保持较佳的工作稳定状态，这与本发明提供的防高温组件5和防火防爆组件6的结构设计呈协同效益。

上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种双防储能柜的防控方法，其特征在于，所述双防储能柜包括柜体、储能模块、双防模块，所述储能模块和双防模块设于柜体内；

所述储能模块包括多个电池模组，所述电池模组从上到下依次排列于柜体内，所述柜体内设有至少一列电池模组；

所述双防模块包括水箱、防高温组件和防火防爆组件，所述防高温组件包括防高温管路、换热件和抽气扇，所述防高温管路连接换热件和水箱，且形成液体循环管路；所述抽气扇设有多个，每个所述电池模组布设一个抽气扇；每个所述电池模组均配有一防火防爆组件，所述防火防爆组件包括防火防爆管路、高压喷嘴，所述防火防爆管路与水箱连通，所述防火防爆管路一端连接高压喷嘴，所述高压喷嘴设于电池模组内；所述水箱设有制冷件，所述水箱内设有液体冷媒，所述液体冷媒设有融冰剂；

所述防控方法中水箱内设有低温液体冷媒，所述低温液体冷媒的温度低于20℃，所述防控方法包括两种工作模式；实时监测电池模组温度Ti和每个电池单体温度Tc，根据电池模组的温度Ti和电池单体的温度Tc选择不同的工作模式，两种工作模式择一进行，所述两种工作模式分别为：

（1）防高温模式

设置防高温温度为T1，监测电池模组温度Ti，当Ti>T1且低于最低的防火防爆温度时，运行防高温模式；

水箱与防高温管路连通，同时开启换热件，柜体内形成由水箱内的低温液体冷媒经换热件换热后的低温冷气；通过抽气扇的运行，低温冷气经由通风孔流转至抽屉柜内，通过抽气扇排出形成散热通道；

（2）防火防爆模式

具体包括以下步骤：

S1，设置第一防火防爆温度T3和第二防火防爆温度T4，T1<T3<T4，设置第一水位线和第二水位线，第一水位线的高度低于电池单体的高度；第二水位线的高度高于电池单体的高度，且低于抽屉柜通风孔的高度，使所述低温液体冷媒不能流出抽屉柜；

S2，监测每个电池单体的温度Tc，若某一或某些电池单体的温度Tc高于T3，则进行S3；

S3，当T4>Tc>T3，防高温模式关闭，开启所述电池单体所在电池模组对应的防火防爆管路，且所述防火防爆管路与水箱连通，对应的高压喷嘴喷出低温液体冷媒将电池模组的电池单体部分浸泡，液位到达第一水位线时关闭对应的防火防爆管路；

S4，若淹没后的电池单体温度Tc下降，则关闭对应的防火防爆管路，检查所述电池单体是否故障；若淹没后的所述电池单体温度持续升高，则进行S5；

S5，所述电池单体温度Tc≥T4时，高压喷嘴继续注入低温冷媒液体，液位达到第二水位线时关闭对应的防火防爆管路，电池模组内的所有电池单体被淹没，开启所述电池单体的安全阀，仅开启安全阀的所述电池单体的内部流入低温液体冷媒。

2.根据权利要求1所述的双防储能柜的防控方法，其特征在于，所述电池模组包括抽屉柜和多个电池单体，多个所述电池单体串联成排布置在抽屉柜内，每个所述抽屉柜内固定设有至少两排电池单体，相邻两排电池单体之间间隔布设；所述抽屉柜的四侧壁以及底板的连接缝处做防水处理，所述抽屉柜的四侧壁的高度高于电池单体的高度。

3.根据权利要求2所述的双防储能柜的防控方法，其特征在于，所述换热件采用换热器和抽风扇组合且设置在柜体的顶部，所述抽气扇设置在抽屉柜的一侧壁上，所述抽屉柜与抽气扇相对的一侧壁设有通风孔；经换热器换热后的冷气通过抽风扇吹入所有抽屉柜的一侧空腔内，再流经通风孔进入抽屉柜内进行降温，通过抽气扇排出形成散热通道。

4.根据权利要求3所述的双防储能柜的防控方法，其特征在于，所述水箱设有制冷压缩机，所述水箱设有出水管路和入水管路，所述出水管路设有增压泵，所述防高温管路设有进水管和出水管，所述进水管与出水管路和换热器的进水口连接，所述出水管与入水管路和换热器的出水口连接。

5.根据权利要求4所述的双防储能柜的防控方法，其特征在于，所述防火防爆组件还包括主管道和电磁阀，所述主管道与出水管路连通，所述防火防爆管路一端通过主管道与水箱连通，另一端连接电磁阀和高压喷嘴。

6.根据权利要求4所述的双防储能柜的防控方法，其特征在于，所述防火防爆管路的一段贯穿抽屉柜一侧壁且电磁阀和高压喷嘴分别设置在抽屉柜侧壁的内外两侧。

7.根据权利要求1所述的双防储能柜的防控方法，其特征在于，所述防高温模式或者防火防爆模式之前预先将水箱内的常温液体冷媒通过制冷件制成零下20℃的低温液体冷媒，且通过融冰剂使得低温液体冷媒维持液体状态。

8.根据权利要求1所述的双防储能柜的防控方法，其特征在于，每个所述电池单体外套设一防水套，所述电池单体顶部的电极和安全阀露出防水套。

9.根据权利要求8所述的防控方法，其特征在于，所述融冰剂为工业盐。