CN209933885U - 一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，解决现有储能方舱的热管理系统或消防系统中存在的缺陷。本产品包括热管理系统、电池模块和消防系统，所述热管理系统包括风冷管道、制冷机、全热热交换机组、气体监测模块和换气电磁阀，所述消防系统包括灭火剂喷雾释放管道、灭火剂喷淋释放管道、灭火剂输送管道、消防主机、火焰探测器、温度监测模块和二次水消防连接管道。本产品通过采用风冷管道、制冷机、温度监测模块、火焰探测器、消防主机等部件的配合，其有效解决了现有储能方舱的热管理系统或者消防系统中存在的缺陷与不足，通过整体化的顶层设计，保证了储能方舱的安全性与可靠性，降低储能方舱的运行风险与维护成本。

Description

一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备

技术领域

本实用新型涉及储能方舱领域，具体是一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备。

背景技术

目前储能方式主要分为三类:机械储能、电磁储能、电化学储能，在各类储能类型中，电化学储能项目占比最大，为重点攻关方向；在电化学储能中，锂离子电池的项目数占比、装机容量占比最大，其增长幅度也最快，已成为发展最快的电化学储能技术。储能方舱是使用锂离子电池作为储能介质的一种储电方式，为化学储能的一种。

储能方舱现有的热管理系统，存在着温度场分布不均匀，制冷效率低等不足；现有的消防管理系统与热管理系统之间没有有效的信息交互，不能在锂离子电池热失控的早期提供预警信号，在锂离子电池发生热失控后，也不能进行可靠的持续性的灭火和降温，易造成设备或人身的重大灾害。此外，现有的热管理系统和消防系统存在着维护复杂，运维成本高等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，包括热管理系统、电池模块和消防系统。所述热管理系统包括风冷管道、制冷机、全热热交换机组、气体监测模块和换气电磁阀，所述消防系统包括灭火剂喷雾释放管道、灭火剂喷淋释放管道、灭火剂输送管道、消防主机、火焰探测器、温度监测模块和二次水消防连接管道。灭火剂喷雾释放管道一端通过管道电磁阀与灭火剂输送管道相连，灭火剂喷雾释放管道的另一端与电池模块相连，打开水泵，开启管道电磁阀，即可将灭火介质释放至单个电池簇内每个电池模块内部；关闭管道电磁阀，即可停止灭火介质的释放，电池模块靠近储能方舱的一侧设置有百叶窗，电池模块靠近储能方舱壁管道的一侧设置有风管快捷接口和喷淋快捷接口。

作为本实用新型进一步的方案：风冷管道包括一级风管、二级风管和三级风管，一级风管与制冷机的入风口相连，用于汇集储能方舱内的热空气；二级风管与一级风管相连并且延伸至每层电池模块末端，用于传递每层电池模块内的热空气；三级风管与二级风管相连并且连接至电池模块末端，用于吸收电池模块内的热空气。

作为本实用新型进一步的方案：一级风管内安装有气体监测模块，可以监测储能方舱内电池模块的VOC、CO、H₂等气体浓度；而且安装了有毒有害气体的过滤模块和灰尘过滤模块，用于降低甚至消除有毒有害气体对巡查人员以及设备的损害，维护储能方舱的内外空气环境；三级风管内安装有阻尼板，根据电池模块与制冷机之间的距离，调整每个阻尼板的开合程度，从而有助于实现风冷管道内的风压平衡。

作为本实用新型进一步的方案：制冷机包括多台定频压缩机和1台高静压风机，根据储能方舱内部不同的制冷量需求，分别开启其中若干台压缩机，达到拟变频节能的效果；该高静压风机在风冷管道侧提供负压，作为风冷管道内的空气循环的主要动力，该制冷机具备电辅助加热功能，当储能方舱处于高纬度/高寒地带时，将开启电辅助加热功能，利于储能方舱在上述环境中的启动。

所述的用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备的工作流程，具体步骤如下：全热热交换机组包含2台全热热交换机，分别连接至储能方舱两侧距离制冷空调机组高静压风机远端的一级风管处，通过切换换气用电磁阀，可以使得全热热交换机组分别工作在内循环模式和外循环模式；

内循环模式：启动全热热交换机内的1台风机，可以在距离制冷空调机组高静压风机远端的一级风管处，提供正压，从而补偿由于管道过长造成的风压损失，保证风冷管道内的风压的均匀与稳定；内循环模式时还可以启动全热热交换机内部的另1台风机，利用外部冷源冷却管道内的热空气；

外循环模式：同时启动全热热交换机内的2台风机，并且打开对外的空气管道，将舱内聚集的经过过滤的有毒有害气体或者热失控发生后的高温灭火剂蒸汽排出舱外，实现空气的过滤换新或者防止方舱内的温度聚集。

作为本实用新型进一步的方案：温度监测模块不仅可以使用热电偶等温度传感器获取电池簇内每个电池模块的温度参数，而且可以通过与BMS模块（Battery ManagementSystem，电池管理系统）之间的数据通讯获取电池模块的温度参数。

作为本实用新型进一步的方案：用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备的工作流程，还包括由制冷空调机组的高静压风机以及全热热交换机组的加压风机，全天候地为冷管道和储能方舱内的气体循环提供动力，冷空气由电池模块靠近方舱自由空间侧的百叶窗被吸入电池模块，随后经由电池模块内部电池之间的间隙，通过对流和传导等方式带走电池工作时产生的多余热量，再经由三级风管，二级风管汇集于一级风管，最后再经由高静压风机的分布式冷风出口，返回方舱内部，完成一次风冷管道内循环。在循环的过程中，热管理系统将根据储能方舱外界不同的环境温度，选用制冷空调机组或者全热全热热交换机组作为冷源：当储能方舱外界的环境温度低于10℃时，为了利于储能方舱的启动，将启动制冷空调机组的电辅助加热功能；当储能方舱外界的环境温度低于20℃时，为了节省电能，将启动全热热交换机组，关闭制冷空调机组的压缩机，利用外部冷源降低风冷管道内的热空气；当储能方舱外界的环境温度高于20℃时，将根据具体的制冷需求，分别启动制冷空调机组的若干台压缩机，采用拟变频技术，在实现制冷目的的基础上，最大限度地降低电力消耗，当风冷管道内的气体监测模块发出VOC等气体预警信息时，将开启全热全热热交换机组的外循环模式，实现方舱内空气的呼吸换新；当电池发生热失控，管道内聚集大量灭火剂高温蒸汽时，也将开启全热全热热交换机组的外循环模式，将方舱内的热量搬出舱外，从而更为有效地降低方舱内温度，抑制热失控扩散。

作为本实用新型进一步的方案：用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备的工作流程，还包括一级预警模式、二级报警模式和三级报警模式，当VOC、CO、H₂等气体浓度超过预设值时或者温度监测模块显示温度超过预设阈值时，将触发储能方舱的一级预警模式；

当火焰探测器探测到电气设备引发的火灾，将触发储能方舱的二级报警模式；

当VOC、CO、H₂等气体浓度超过预设值，并且温度监测模块显示温度超过预设阈值时，也将触发储能方舱的二级报警模式；

当储能方舱内部多处电芯发生热失控，在灭火剂释放结束之后，火灾仍然没有得到有效遏制，将触发储能方舱的三级报警模式。

作为本实用新型进一步的方案：用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备的工作流程，当一级预警模式被触发时，将根据不同的触发源，采取不同的方法：如果是VOC、CO、H₂等气体浓度超过预设浓度时，立即启动全热热交换机组的外循环模式，实现呼吸过滤和空气换新；如果是温度监测模块显示温度超过某一阈值，那么将通过室内声光信号、通信信号告知管理员，加强监控，并且在适当时机更换相应的电池模块，排除危险；

当系统二级警告模式被触发时，立即启动消防主机内的水泵工作，同时打开发生热失控的电池模块所在电池簇底部的管道电磁阀，通过灭火剂喷雾释放管道对整个电池簇中的电池模块进行灭火介质的喷雾式点动释放。为了尽可能全面的抑制热失控扩散，也将循环开启位于舱体顶端的灭火剂喷淋释放管道，对储能方舱内部实行浸没式窒息灭火，当灭火介质的蒸汽在体积分数为4%-6%浓度时，即可达到良好的灭火效果。循环点动数次，每次释放若干容量的灭火介质。通过循环点动，即可实现电池模块内温度的长效抑制，防止复燃。电池模块内产生的高温灭火介质蒸汽，经由风冷管道的外循环模式，排出舱外；

当系统三级警告模式被触发时，打开全部灭火介质的灭火剂喷雾释放管道和灭火剂喷淋释放管道，将消防主机储液箱内剩余液体全部释放，形成灭火介质蒸汽浸没。如果消防主机储液箱内无剩余，则自动接通外部二次水消防连接管道或者消防水池等二次水消防接口，借由方舱内的灭火介质的灭火剂喷雾释放管道和灭火剂喷淋释放管道对方舱内进行持续灭火或者浸没式处置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本产品设计合理，通过采用风冷管道、制冷机、全热热交换机组、火焰探测器、消防主机等部件的配合，其有效解决了现有储能方舱的热管理系统或者消防系统中存在的缺陷与不足，通过整体化的顶层设计，保证了储能方舱的安全性与可靠性，降低储能方舱的运行风险与维护成本。

附图说明

图1为用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备的爆炸图。

图2为用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备中电池模块的结构示意图。

图3为用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备中热管理系统的爆炸图。

图4为用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备中消防系统的爆炸图。

其中：101-火焰探测器，102-灭火剂喷淋释放管道，103-全热热交换机组，104-灭火剂喷雾释放管道，105-换气电磁阀，106-气体监测模块，107-风冷管道，108-消防主机，109-管道电磁阀，110-温度监测模块，111-制冷机，112-灭火剂输送管道，201-百叶窗，202-风管快捷接口，203-喷淋快捷接口，301-一级风管，302-二级风管，303-三级风管，304-阻尼板，306-过滤模块，401-二次水消防连接管道。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，包括热管理系统、电池模块和消防系统，所述热管理系统包括风冷管道107、制冷机111、全热热交换机组103、气体监测模块106和换气电磁阀105，消防系统包括灭火剂喷雾释放管道104、灭火剂喷淋释放管道102、灭火剂输送管道112、消防主机108、火焰探测器101、温度监测模块110和二次水消防连接管道401，灭火剂喷雾释放管道104一端通过管道电磁阀109与灭火剂输送管道112相连，灭火剂喷雾释放管道104的另一端与电池模块相连，电池模块靠近储能方舱的一侧设置有百叶窗201，电池模块靠近舱壁管道的一侧设置有风管快捷接口202和喷淋快捷接口203。温度监测模块110不仅可以使用热电偶等温度传感器获取电池簇内每个电池模块的温度参数，而且可以通过与BMS模块之间的数据通讯获取电池模块的温度参数。

风冷管道107包括一级风管301、二级风管302和三级风管303，一级风管301与制冷机111的入风口相连，用于汇集储能方舱内的热空气；二级风管302与一级风管301相连并且延伸至每层电池模块末端，用于传递每层电池模块内的热空气；三级风管303与二级风管302相连并且连接至电池模块末端，用于吸收电池模块内的热空气。

一级风管301内安装有气体监测模块106，可以监测储能方舱内电池模块的VOC、CO、H₂等气体浓度；而且安装了有毒有害气体的过滤模块306和灰尘过滤模块，用于降低甚至消除有毒有害气体对巡查人员以及设备的损害，维护储能方舱的内外空气环境；三级风管303内安装有阻尼板304，根据电池模块与制冷机111之间的距离，调整每个阻尼板304的开合程度，从而有助于实现风冷管道107内的风压平衡。

全热热交换机组103包含2台全热热交换机，分别连接至储能方舱两侧距离制冷机111远端的二级风管302处，通过切换换气电磁阀105，可以使得全热热交换机组103分别工作在内循环模式和外循环模式；在内循环模式时，启动1台全热热交换机，可以在距离制冷机111远端的二级风管302处提供正压，从而补偿由于二级风管302过长造成的风压损失，保证风冷管道内的风压的均匀与稳定；此外，在内循环时，还可以启动全热热交换机组103内部的另1台全热热交换机，利用外部冷源冷却风冷管道107内的热空气；在外循环模式时，同时启动2台全热热交换机，并且打开对外的空气管道，将储能方舱内聚集的经过过滤的有毒有害气体或者热失控发生后的高温灭火剂蒸汽排出储能方舱外，实现空气的过滤换新或者防止储能方舱内的温度聚集。

实施例2

一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，包括热管理系统、电池模块和消防系统，所述热管理系统包括风冷管道107、制冷机111、全热热交换机组103、气体监测模块106和换气电磁阀105，消防系统包括灭火剂喷雾释放管道104、灭火剂喷淋释放管道102、灭火剂输送管道112、消防主机108、火焰探测器101、温度监测模块110和二次水消防连接管道401，灭火剂喷雾释放管道104一端通过管道电磁阀109与灭火剂输送管道112相连，灭火剂喷雾释放管道104的另一端与电池模块相连，打开水泵，开启管道电磁阀109，即可将灭火介质释放至单个电池簇内的每个电池模块内部；关闭管道电磁阀109，即可停止灭火介质的释放，电池模块靠近储能方舱的一侧设置有百叶窗201，电池模块靠近舱壁管道的一侧设置有风管快捷接口202和喷淋快捷接口203。

制冷机111包括多台定频压缩机和1台高静压风机，根据储能方舱内部不同的制冷量需求，分别开启其中若干台压缩机，达到拟变频节能的效果；该高静压风机在风冷管道107侧提供负压，作为风冷管道107内的空气循环的主要动力，该制冷机111具备电辅助加热功能，当储能方舱处于高纬度/高寒地带时，将开启电辅助加热功能，利于储能方舱在上述环境中的启动。

热管理系统根据储能方舱的外部温度选择不同的制冷策略：当储能方舱外界的环境温度低于20℃时，为了节省电能，将启动全热热交换机组103，关闭制冷空调机组的压缩机，利用外部冷源降低风冷管道107内的热空气；当储能方舱外界的环境温度高于20℃时，将根据具体的制冷需求，分别启动制冷空调机组的若干台压缩机，采用拟变频技术，在实现制冷目的的基础上，最大限度地降低电力消耗。尤其，当储能方舱外界的环境温度低于10℃时，为了利于储能方舱的启动，将启动制冷空调机组的电辅助加热功能。

所述用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备的热管理系统的工作过程如下：在风冷管道107和储能方舱内部，由制冷机111以及全热热交换机组103的加压风机全天候地为风冷管道107内的气体循环提供动力：冷空气由电池模块靠近储能方舱自由空间侧的百叶窗201被吸入电池模块，随后经由电池模块内部电池之间的间隙，通过对流和传导等方式带走内部电池工作时产生的多余热量，再经由三级风管303和二级风管302汇集于一级风管301，最后再经由高静压风机的分布式冷风出口，返回储能方舱内部，完成一次风冷管道107内循环。在循环的过程中，热管理系统将根据储能方舱外界不同的环境温度，选用制冷机111或者全热热交换机组103作为冷源：当储能方舱外界的环境温度低于10摄氏度时，为了利于储能方舱的启动，将启动制冷机111的电辅助加热功能；当储能方舱外界的环境温度低于20摄氏度时，为了节省电能，将启动全热热交换机组103，关闭制冷机111的压缩机，利用外部冷源降低风冷管道107内的热空气；当储能方舱外界的环境温度高于20摄氏度时，将根据具体的制冷需求，分别启动制冷机111的若干台压缩机，采用拟变频技术，在实现制冷目的的基础上，最大限度地降低电力消耗。

当风冷管道107内的气体监测模块106发出VOC等气体预警信息时，将开启全热热交换机组103的外循环模式，实现储能方舱内空气的呼吸换新；

当电池发生热失控，风冷管道107内聚集大量灭火剂高温蒸汽时，也将开启全热热交换机组103的外循环模式，将储能方舱内的热量搬出舱外，从而更为有效地降低储能方舱内温度，抑制热失控扩散。

所述用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备的消防系统的工作过程如下：根据不同的灾情等级，分为一级预警，二级警告和三级警告；

当VOC、CO、H₂等气体浓度超过某一浓度时或者温度监测模块110显示温度超过某一阈值时，将触发储能方舱的一级预警；

当火焰探测器101探测到电气设备引发的火灾，将触发储能方舱的二级警告；

当VOC、CO、H₂等气体浓度超过某一浓度，并且温度监测模块110显示温度超过某一阈值时，也将触发储能方舱的二级警告；

当储能方舱内部多处电芯发生热失控，在灭火剂释放结束之后，火灾仍然没有得到有效遏制，将触发系统的三级警告；

储能方舱的一级预警，二级警告和三级警告都将通过网络上传至使用者和供应商的管理平台。

通过风冷管道107内的气体监测模块106或者火焰探测器101可以探测储能方舱内部是否存在安全隐患，当确定电气设备发生火灾或者电池发生热失控后，通过温度监测模块110即可快速定位发生灾情的电气设备或者电池模块。

根据不同的预警或者警告级别，实施不同的消防处置策略；

当一级预警被触发时，将根据不同的触发源，采取不同的方法：如果是VOC、CO、H₂等气体浓度超过某一浓度时，那么将立即启动全热热交换机组103的外循环模式，实现呼吸过滤和空气换新；如果是温度监测模块110显示温度超过某一阈值，那么将通过室内声光信号、通信信号告知管理员，加强监控，并且在适当时机更换相应的电池模块，排除危险；

当系统二级警告被触发时，立即启动消防主机108内的水泵工作，同时打开发生热失控的电池模块所在电池簇底部的管道电磁阀109，通过灭火剂喷雾释放管道104对整个电池簇中的电池模块进行灭火介质的喷雾式点动释放。为了尽可能全面的抑制热失控扩散，也将循环开启位于舱体顶端的灭火剂喷淋释放管道102，对储能方舱内部实行浸没式窒息灭火，当灭火介质的蒸汽在体积分数4%-6%时，即可达到良好的灭火效果。循环点动数次，每次释放若干容量的灭火介质。通过循环点动，即可实现电池模块内温度的长效抑制，防止复燃。电池模块内产生的高温灭火介质蒸汽，经由风冷管道107的外循环模式，排出舱外；

当系统三级警告被触发时，打开全部灭火介质的灭火剂喷雾释放管道104和灭火剂喷淋释放管道102，将消防主机108的储液箱内剩余液体全部释放，形成灭火介质蒸汽浸没。如果消防主机108的储液箱内无剩余，则自动接通外部二次水消防连接管道或者消防水池等二次水消防连接管道401，借由储能方舱内的灭火介质的灭火剂喷雾释放管道104和灭火剂喷淋释放管道102对储能方舱内进行持续灭火或者浸没式处置。

需要特别说明的是，本申请中通过风冷管道107、制冷机111、全热热交换机组103、气体监测模块106、灭火剂喷雾释放管道104、灭火剂喷淋释放管道102、灭火剂输送管道112、消防主机108、火焰探测器101、温度监测模块110等部件的配合，实现了储能方舱的热管理系统与消防系统的整体设计，从根本上提升了储能方舱的本质安全，热管理系统保证了温度场的均匀与温度；消防系统不仅可以应付由电气引发的火灾，而且还可以应付锂离子电池在充放电过程中由于各种意外因素引发的火灾爆炸。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，其特征在于，包括热管理系统、电池模块和消防系统，所述热管理系统包括风冷管道（107）、制冷机（111）、全热热交换机组（103）、气体监测模块（106）和换气电磁阀（105），消防系统包括灭火剂喷雾释放管道（104）、灭火剂喷淋释放管道（102）、灭火剂输送管道（112）、消防主机（108）、火焰探测器（101）、温度监测模块（110）和二次水消防连接管道（401），灭火剂喷雾释放管道（104）一端通过管道电磁阀（109）与灭火剂输送管道（112）相连，灭火剂喷雾释放管道（104）的另一端与电池模块相连，电池模块靠近储能方舱的一侧设置有百叶窗（201），电池模块靠近储能方舱壁管道的一侧设置有风管快捷接口（202）和喷淋快捷接口（203）。

2.根据权利要求1所述的用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，其特征在于，所述风冷管道（107）包括一级风管（301）、二级风管（302）和三级风管（303），一级风管（301）与制冷机（111）的入风口相连，二级风管（302）与一级风管（301）相连并且延伸至每层电池模块末端，三级风管（303）与二级风管（302）相连并且连接至电池模块末端。

3.根据权利要求2所述的用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，其特征在于，所述一级风管（301）内安装有气体监测模块（106）、过滤模块（306）和灰尘过滤模块，三级风管（303）内安装有阻尼板（304）。

4.根据权利要求1所述的用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，其特征在于，所述制冷机（111）包括多台定频压缩机和1台高静压风机。

5.根据权利要求2所述的用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备，其特征在于，所述全热热交换机组（103）包含2台全热热交换机，全热热交换机分别与一级风管（301）相连。

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