CN210516927U

CN210516927U - 一种锂离子电池安全防护装置

Info

Publication number: CN210516927U
Application number: CN201921753304.XU
Authority: CN
Inventors: 王青松; 刘昱君; 段强领; 刘同宇; 孙金华
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2029-10-18

Abstract

本实用新型公开了一种锂离子电池安全防护装置，包括预警模块、自动灭火模块和应急液冷模块。预警模块包括单片机、CO传感器、红外温度传感器、挥发性有机物(VOC)传感器，其可通过多种失效因子在电池热失控前进行快速预警；自动灭火模块包括灭火介质储存装置、输送管路、火探管、喷头、电磁阀，其可在电池热失控时快速抑制明火，防止火灾蔓延；应急液冷模块包括压缩机、冷凝器、水泵、换热装置和液冷板，其可在电池明火熄灭后对热失控电池进行快速降温，防止电池模块间热失控传播。本装置可对锂系电池热失控进行有效预警，抑制电池热失控发生发展，防止热失控传播，减缓热失控的危害程度，本装置有助于锂离子电池储能系统的安全运行。

Description

一种锂离子电池安全防护装置

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池储能单元的智能安全防护装置的技术领域，具体涉及一种锂离子电池安全防护装置，其为一种可对锂离子电池储能单元热失控实现早期预警、自动灭火及兼具快速降温功能的三位一体高效智能安全防护装置。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、输出功率高、自放电率低等优点，因此在电动汽车、电网储能等领域有着广泛的应用。当锂离子电池处于短路、撞击、过充、过热等滥用条件下时，其内部易发生不可阻断的链式反应，电池温度呈现指数增加，电池发生热失控。电池热失控过程中，往往伴随着大量烟气和剧烈射流火。当电池发生热失控时，如不进行及时的防护，火焰及热失控过程极易向临近锂离子储能单元扩散，继而引起更大规模的火灾爆炸事故。因此，在锂离子电池储能装置上配置高效智能的安全防护装置对于储能装置的安全高效运行具有重要意义。

目前，锂离子电池储能系统的预警灭火研究较少，且针对锂离子电池热失控的安全防护装置严重缺乏。现存的锂离子电池储能单元安全防护装置的缺陷主要如下：(1)热失控预警装置多采用单一参数，致使预警系统的误动作概率高；现存的预警系统失效因子阈值选取大多未考虑高温下动力电池蓝膜与电子线路等释放出的气体对预警系统参数阈值的影响，这就直接导致了现阶段市场上的热失控预警装置误报率较高。(2)传统的自动灭火装置动作时间缓慢，需等到火灾发展到一定阶段时通过探测器接收到高温或是烟气后才能动作，这将丧失灭火的最佳时机。(3)传统的安全防护装置多采用二氧化碳和七氟丙烷等灭火剂，此类气体灭火剂对电池的灭火效率较低且降温效果差。(4)传统的安全防护装置未考虑电池灭火后的降温问题，特别是，电池明火熄灭后，电池表面温度仍可达500甚至600℃，因此对电池灭火后仍存在电池热失控传播的风险，无法从根本上解决储能单元的火灾危险性。

显然，现存的锂离子电池安全防护装置存在诸多弊端，因此，针对锂离子电池储能单元亟需设计出高效的早期预警及灭火降温系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种针对锂离子电池储能单元的智能安全防护装置，在电池发生热失控前进行快速预警，电池发生热失控后进行高效灭火并在灭火后对电池进行迅速降温，防止储能单元内热失控的传播，有效保证储能单元的运营安全。本实用新型要解决的问题是：设计一种智能安全防护装置，在电池热失控前期通过多种失效因子进行快速预警，在热失控前期发出预警信号，提醒锂离子电池储能系统操作人员停止工作进行检查；电池热失控发生后，快速形成点对点熄灭电池明火，在空间内形成抑制氛围，防止电池多次射流火的出现；电池明火被熄灭后，启动应急液冷模块对灭火后电池进行快速降温，防止热失控在电池间传播。

为解决上述问题，本实用新型提供一种锂离子电池安全防护装置，包括预警模块、自动灭火模块和应急液冷模块，其中：

所述的预警模块包括单片机、CO传感器、红外温度传感器、挥发性有机物(VOC)传感器；CO传感器、红外温度传感器、挥发性有机物传感器通过带有二极管与继电器的控制电路与单片机连接；

所述的自动灭火模块可在电池热失控时快速抑制明火，防止火灾蔓延；自动灭火模块包括灭火介质储存装置、输送管路、火探管、喷头、电磁阀；火探管与灭火介质储存装置相连，火探管连接喷头与电磁阀，供火探管无法覆盖区域的灭火响应；

所述的应急液冷模块可在电池明火熄灭后对热失控电池进行快速降温，防止电池模块间热失控传播；应急液冷模块包括压缩机、冷凝器、水泵、换热装置和液冷板；液冷板置于电池模组底部，其通过耐温管路依次与泵、换热装置、压缩机和冷凝器相连。

进一步地，所述预警模块的工作方式为多参数协同预警，即通过多种失效因子确定锂离子电池热失控，其失效因子包括特征气体浓度、挥发性有机物浓度和电池温度。

进一步地，所述自动灭火模块为火探灭火系统，通过设置火探管破裂温度设置自动启动温度，当外界温度高于火探管的破裂温度时，电池会破裂释放出灭火介质，无需电控或人工启动。

进一步地，所述火探管的破裂温度基于实验测试数据获得，即其破裂温度为被保护电池上方火探管同等高度处的火焰温度，对常用三元体系电池，破裂温度可设置为170±10℃。

进一步地，灭火介质为全氟己酮，其常温下为液态，便于储存，其储存压力多为2.5MPa，对于锂离子电池来说，全氟己酮的灭火浓度应设置为6.5％～7.0％。

进一步地，所述应急液冷模块在自动灭火模块作用后开启，其可辅助自动灭火模块带走灭火后热失控电池产生的热量，防止灭火后电池的热量向临近电池扩散，有效阻止热失控传播。

本实用新型原理在于：一种锂离子电池安全防护装置，包括预警模块、自动灭火模块和应急液冷模块。所述预警模块可通过多种失效因子在电池热失控前进行快速预警；预警模块包括单片机、CO传感器、红外温度传感器、挥发性有机物(VOC)传感器。其中，单片机选用Arduino单片机。本单片机成本较低，为开源的开发平台，开发周期短，功能选择多。其中，CO传感器主要测量CO气体浓度变化；由于各类电池热失控前气体浓度值不同，因此电池热失控前的CO气体浓度阈值应通过被保护目标锂离子电池热失控实验测量获得。其中，红外温度传感器主要测量电池表面温度及温升速率；由于不同类型电池热失控的温度不同，电池热失控前的温度及温升速率的阈值应通过目标锂离子电池热失控实验测量获得。为使目标红外传感器测得温度更准确，需要在实验前使用热电偶校正红外传感器温度。VOC传感器主要测量VOC气体浓度变化；由于不同类型电池热失控前产生VOC气体的浓度不同，电池热失控前的VOC浓度应通过目标锂离子电池热失控实验测量获得。为了减少VOC传感器的误报，应测试高温搁置下电子线路及电池表面蓝膜的VOC产生情况，适当提高预警模块的阈值，减少预警模块的误报。为了适应储能系统工作环境的需要，各类传感器的工作范围为-40～70℃。自动灭火模块主要包括灭火介质储存装置、输送管路、火探管、喷头、电磁阀等。灭火介质储存装置为耐压容器，其最小耐压值不小于3.0MPa；其抗震动等级高，可适用于长期振动下使用。本装置的灭火介质为全氟己酮。其为新型哈龙替代品，环境效应低。全氟己酮的正常工作压力为2.5MPa。全氟己酮对于电池火灾的最低灭火浓度为6.5％～7.0％。全氟己酮的用量应根据NFPA2001规定依据下公式(1)进行计算。

W＝V/S(C/(100-C)) (1)

式中，C是灭火浓度；V是保护区体积(本项目中为密闭电池pack体积)，m³；S是灭火剂过热蒸汽在101kPa大气压和防护区最低环境温度下的比容(m³/kg)，计算公式为S＝0.0664+0.0002741T，T是最低环境温度。W是灭火剂用量，kg；

其中，输送管路为耐高温耐压管路，其最小耐压值不小于3.0MPa，电池包外部输送管路的最低耐温温度不小于100℃，电池包内部输送管路的最低耐温温度不小于200℃。

其中，火探管的耐压应不小于3.0MPa，其破裂温度为170℃±10℃。

其中，喷头与电磁阀连接；

喷头需使用304不锈钢制成，其工作范围广，可在-196℃～800℃下保持稳定工作，其耐腐蚀性好，维护成本低。

电磁阀外部线路应包裹隔热棉与防火线套，保证起火时短时间内电连接的完整性。

应急液冷模块主要包括压缩机、冷凝器、水泵、换热装置和液冷板等。

其中，压缩机、冷凝器、水泵的选型需要根据电池热失控过程中的产热量决定。

其中，液冷板内部主要使用U型液路，减少沿程阻力。

其中，液冷工质主要使用乙二醇的水溶液，其浓度应根据工作环境的需要在乙二醇的有效工作区间(浓度在37％～96％)中选择。

本实用新型的优点在于：

1、本装置的预警为多参数协同预警，可在热失控前进行早期预警，且可减少误报率。

2、为了减少预警模块的误报率，本装置首次提出使用实验的手段测试电子元件及线路在高温下的产气，减少误报率，排除噪声。

3、本装置响应速度快，当检测到明火时即可实现快速点对点灭火。

4、本装置使用的灭火介质为全氟己酮灭火介质，全氟己酮为新型的哈龙替代品，其环境效应低、灭火效率高、冷却性好，且其绝缘性好，即使发生灭火剂误喷也不会对电池系统造成不可逆损伤。

5、本装置首次提出了应急液冷技术，可在灭火后快速带走灭火后热失控电池产生的热量，最大程度上抑制热失控的传播，并从根本上减少电池系统的火灾危险性。

附图说明

图1为智能安全防护装置组成示意图；

图2为预警模块示意图；

图3为自动灭火模块示意图；

图4为联动控制示意图。

其中：1为预警模块，2为自动灭火模块，3为应急液冷模块，4为Arduino微控制单元，5为CO传感器，6为VOC传感器，7为红外温度传感器，8为LCD显示屏，9为电路板，10为灭火介质储存装置，11为压力表，12为火探管，13为喷头，14为电磁阀，15为压力传感器，16为液冷板，17为锂离子电池，19为压缩机，20为水泵，21为冷凝换热器，22为开关电源，23为二极管，24为电磁阀，25为继电器，26为蒸发器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本实用新型。

本实用新型一种锂离子电池安全防护装置，包括：预警模块1、自动灭火模块2和应急液冷模块3。

预警模块1安装在电池包内的空隙中，包括Arduino微控制单元4、CO传感器5、挥发性有机物(VOC)传感器6、红外温度传感器7、LCD显示屏8和电路板9。预警模块1中，CO传感器5、红外温度传感器7、挥发性有机物传感器6通过带有二极管与继电器的控制电路与单片机连接。其中，CO传感器5的作用是检测电池包内的CO浓度；红外温度传感器7的作用为检测电池表面温度和环境温度；挥发性有机物传感器6可以检测电池包内挥发性有机物浓度；二极管的作用为防止电路中线圈处形成电感效应反电动势损坏元件；继电器的作用是使用小功率电路控制大功率电路；单片机的作用是将软硬件结合实现变成；电路板9的作用是将各个电子元件集成于同一块板，实现电子线路的连通。

电池发生热失控前期，电池温度快速上升，安全阀处释放出大量CO气体、挥发性有机物等，安全阀处气体流速较快，各类气体可快速充满整个电池包。各类气体扩散到预警模块1附近，当各失效因子参数均达到或超过系统预设阈值时，预警模块1动作，发出预警信号，提醒锂离子电池储能装置的操作人员做出相应的处理措施，并将信号传递到压力传感器15的控制单元。

电池发生热失控时，安全阀处释放出大量烟气的同时释放出剧烈的射流火。射流火加热火探管12，当外部温度大于火探管12的预设熔融温度时，火探管熔融产生喷口，全氟己酮灭火介质快速释放，熄灭电池热失控产生的火灾。当灭火剂释放后，压力传感器15将检测到管路内压力降低到压力阈值。

当预警模块1各失效因子参数值均达到或超过预设阈值，而压力传感器15未检测到管路内压力降低到压力阈值时，此时说明着火点在火探管12覆盖不到的区域，此时单向电磁阀14延迟10s启动，释放出灭火介质。此处设置10s延时的主要原因是，在火探管12释放初期，压力传感器15检测到的值未达到预设阈值，此措施是为了防止火探管12熔融前灭火介质通过喷头13处释放。

当预警模块1各失效因子参数值均达到或超过预设阈值，且压力传感器15检测到管路内压力降低到压力阈值时，应急液冷模块3启动。应急液冷模块3启动后，压缩机19，水泵20，冷凝换热器21启动。灭火后电池热量被快速带走。锂离子电池17与液冷板16之间有阻燃耐温导热垫，可以有效减少接触热阻。

假设热失控后电池的平均产热功率为P_TR，冷板的传热效率为Φ₁，则如下式(2)所示，可计算冷却液的流量：

P_TR＝C_p·ρ·q·ΔT·Φ₁ (2)

其中，P_TR为热失控后电池的平均产热功率，C_p为冷却液的比热容，ρ冷却液密度，q为冷却液的流量，ΔT为液冷板进口和出口的温差，Φ₁为换热效率。

根据下式(3)，可以根据流量对水泵进行选型：

N＝(γ·Q·H)/(1000·η) (3)

γ为液体的重度，η为水泵的效率，N为水泵的功率，H为水泵的扬程，Q为水泵的流量。

压缩机的选型应根据电池的平均产热功率计算，本实用新型中，压缩机的最大功率按下式(4)计算。

P_com＝P_TR·3·Φ₂ (4)

P_com为压缩机的最大功率表，P_TR为热失控后电池的平均产热功率，Φ₂为压缩机的效率。

图4展示了各模块间的联动控制，其包括二极管23，其主要作用为防止下电后线圈的反电动势击穿电子元件；继电器25，其主要作用是使用小电流电路控制大电流电路；开关电源22和电磁阀24。

本实施方式只是对本实用新型的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本实用新型原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种锂离子电池安全防护装置，其特征在于：包括预警模块、自动灭火模块和应急液冷模块，其中：

2.根据权利要求1所述的锂离子电池安全防护装置，其特征在于：所述预警模块的工作方式为多参数协同预警，即通过多种失效因子确定锂离子电池热失控，其失效因子包括特征气体浓度、挥发性有机物浓度和电池温度。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池安全防护装置，其特征在于：所述自动灭火模块为火探灭火系统，通过设置火探管破裂温度设置自动启动温度，当外界温度高于火探管的破裂温度时，电池会破裂释放出灭火介质，无需电控或人工启动。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池安全防护装置，其特征在于：所述火探管的破裂温度基于实验测试数据获得，即其破裂温度为被保护电池上方火探管同等高度处的火焰温度，对常用三元体系电池，破裂温度可设置为170±10℃。

5.根据权利要求3所述的锂离子电池安全防护装置，其特征在于：灭火介质为全氟己酮，其常温下为液态，便于储存，其储存压力多为2.5MPa，对于锂离子电池来说，全氟己酮的灭火浓度应设置为6.5％～7.0％。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池安全防护装置，其特征在于：所述应急液冷模块在自动灭火模块作用后开启，其可辅助自动灭火模块带走灭火后热失控电池产生的热量，防止灭火后电池的热量向临近电池扩散，有效阻止热失控传播。