RU2777762C1

RU2777762C1 - Method for fire protection and cooling of accumulator batteries in transport

Info

Publication number: RU2777762C1
Application number: RU2021112877A
Authority: RU
Inventors: Алексей Васильевич Казаков; Дмитрий Викторович Бухтояров; Алексей Владимирович Григорьев; Денис Владимирович Полтавец; Александр Евгеньевич Мешалкин; Денис Викторович Бухтояров
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-08-10

Abstract

FIELD: fire-fighting.

SUBSTANCE: claimed solution relates to fire-fighting equipment, namely, to a method for preventing combustion of batteries and compartments therewith in transport, as well as to the effect of cooling accumulator batteries. Substance of the claimed invention consists in increasing the fire protection of compartments with accumulator batteries in transport and to the removal of excess heat from accumulator batteries. Accumulator batteries or battery units are located in a sealed container including a pressure relief valve. A gas non-conductive fire-extinguishing agent - halocarbon (e.g.: fire-extinguishing agent FK-5-1-12, freon 114B2) in the liquid phase is poured in the sealed container with accumulator batteries so that the entire volume of the container is filled. When the accumulator batteries are overheated, the gas fire-extinguishing agent withdraws excess heat, and when the pressure is increased, the pressure relief valve is actuated. In the event of thermal breakdown or damage to the accumulator battery, the gas fire-extinguishing agent prevents a possible combustion, thereby ensuring fire protection of the compartment with accumulator batteries in transport.

EFFECT: creation of a method for fire protection and cooling of accuumlator batteries and compartments therewith using a non-conductive gas fire-extinguishing agent - halocarbon (e.g.: fire-extinguishing agent FK-5-1-12, freon 114B2) in the liquid phase with low pressure of saturated vapours in normal conditions.

1 cl

Description

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно способу предотвращения возгораний аккумуляторных батарей и отсеков с ними на транспорте, а также эффекту охлаждения аккумуляторных батарей с помощью токонепроводящего газового огнетушащего вещества - галогенуглеводорода (например: огнетушащий состав ФК-5-1-12, хладон 114В2), находящегося в жидкой фазе с низким давлением насыщенных паров при нормальных условиях. Блоки аккумуляторных батарей, используемые на транспорте, находятся в контейнере, в который залито газовое огнетушащее токонепроводящее вещество в жидкой фазе. При тепловом пробое аккумуляторной батареи газовое огнетушащее токонепроводящее вещество препятствует возможности возгорания, а также обладает эффектом отвода избыточного тепла от блоков аккумуляторных батарей.The invention relates to fire fighting equipment, namely, a method for preventing fires of batteries and compartments with them in vehicles, as well as the effect of cooling batteries using a non-conductive gas fire extinguishing agent - halocarbon (for example: fire extinguishing composition FK-5-1-12, freon 114V2) , which is in the liquid phase with low saturated vapor pressure under normal conditions. Battery packs used in transport are located in a container filled with a gas fire extinguishing current-non-conductive substance in the liquid phase. In case of thermal runaway of the battery, the non-conductive gas fire extinguishing agent prevents the possibility of fire, and also has the effect of removing excess heat from the battery packs.

Технический результат - высокая эффективность противопожарной защиты за счет применения газового огнетушащего токонепроводящего вещества путем создания огнетушащей концентрации по всему объему контейнера с аккумуляторными батареями ввиду нахождения вещества в жидкой фазе. Применение возможности ингибирования химических реакций в зоне возможного возгорания аккумуляторной батареи из-за эффекта теплового пробоя. Тушение возгорания в начальной его стадии. Создание не поддерживающей горение атмосферы в контейнере с аккумуляторными батареями и дополнительный отвод избыточного тепла от аккумуляторных батарей ввиду высокой теплопроводности газового токонепроводящего огнетушащего вещества, находящегося в жидкой фазе.EFFECT: high efficiency of fire protection due to the use of a gas fire-extinguishing non-conductive substance by creating a fire-extinguishing concentration throughout the volume of the container with batteries due to the presence of the substance in the liquid phase. Application of the possibility of inhibiting chemical reactions in the area of possible ignition of the battery due to the effect of thermal breakdown. Extinguishing fire in its early stage. Creation of a non-combustible atmosphere in the battery container and additional removal of excess heat from the batteries due to the high thermal conductivity of the gaseous non-conductive fire extinguishing agent in the liquid phase.

Любое устройство аккумулированной энергии может быть опасно, и их производители должны выполнять требования по безопасности, а не просто предупреждать пользователей. Количество произведенных по литий-ионной технологии аккумуляторов исчисляется миллионами. Также все популярнее становятся электромобили, а их количество увеличивается с каждым годом. Следовательно, невозможно, чтобы все эксплуатируемые в мире аккумуляторы работали без сбоев. Аккумуляторные батареи, используемые на транспорте, могут получать повреждения в результате дорожно-транспортных происшествий. В результате исследования дефектных аккумуляторов установлено, что к сбою приводил контакт частей аккумулятора с микроскопическими металлическими частицами, вследствие чего возникало короткое замыкание.Any energy storage device can be dangerous, and their manufacturers must comply with safety requirements, and not just warn users. The number of batteries produced using lithium-ion technology is in the millions. Also, electric vehicles are becoming more and more popular, and their number is increasing every year. Therefore, it is not possible for all the batteries in use in the world to work without failure. Batteries used in vehicles can be damaged in traffic accidents. As a result of the study of defective batteries, it was found that the contact of parts of the battery with microscopic metal particles led to a failure, as a result of which a short circuit occurred.

Производители аккумуляторов стараются свести к минимуму наличие таких частиц, но сложные технические процессы при сборке делают задачу ликвидации абсолютно всех посторонних веществ трудновыполнимой. Современные элементы с ультратонкими сепараторами размером 24 микрометра или меньше (1 мкм = 0,001 мм) более чувствительны к загрязнениям, чем ранние конструкции с более низкими показателями емкости.Battery manufacturers try to minimize the presence of such particles, but complex assembly processes make the task of eliminating absolutely all foreign matter difficult. Modern cells with ultra-fine separators of 24 micrometers or less (1 µm = 0.001 mm) are more susceptible to contamination than earlier designs with lower capacitance ratings.

Литий-ионные технологии, использующие оксиды металлов, постепенно приближаются к теоретическому пределу удельной энергоемкости. И вместо того, чтобы оптимизировать мощность, производители батарей вынуждены уделять все больше внимания совершенствованию производственных методов, которые призваны повысить безопасность и увеличить долговечность батарей. Но настоящей проблемой являются те редкие случаи, когда короткое замыкание возникает внутри самого электрического элемента.Lithium-ion technologies using metal oxides are gradually approaching the theoretical limit of specific energy intensity. And instead of optimizing power, battery manufacturers are forced to focus more and more on improving manufacturing methods that are designed to improve safety and extend the life of batteries. But the real problem is those rare cases where a short circuit occurs within the electrical element itself.

Существует два основных типа сбоев электрических батарей. Первый из них связан с ошибками проектирования самой батареи или отдельных ее компонентов. Именно такие дефекты при обнаружении приводят к массовым отзывам уже произведенных аккумуляторов. Более сложными случаями являются моменты, когда дефекты напрямую не связаны с конструкцией батареи. Чаще всего они проявляются вследствие неправильной эксплуатации, например, в случае зарядки при низкой температуре или при работе в условиях сильной вибрации.There are two main types of electric battery failures. The first of these is associated with design errors of the battery itself or its individual components. It is these defects that, when detected, lead to mass recalls of already produced batteries. More complex cases are when the defects are not directly related to the design of the battery. Most often, they occur due to incorrect operation, for example, when charging at low temperatures or when operating in conditions of strong vibration.

Слабое короткое замыкание внутри элемента приведет лишь к повышению саморазряда и минимальному теплообразованию, так как участвующие в этом замыкании токи будут очень слабы. Но если достаточное количество микроскопических металлических частиц сформируют "мост" между электродами, то сила тока короткого замыкания может достичь опасного значения. В электрическом элементе изначально небольшое короткое замыкание приводит к температурному повреждению изолирующего слоя, в результате чего сила короткого замыкания увеличивается. Температура очень быстро возрастает до 500°С, и в такой момент электрический элемент воспламеняется или даже взрывается. Этому явлению было дано название - тепловой пробой. Во время теплового пробоя высокая температура неисправного элемента может распространиться на соседние элементы, приводя к цепной реакции. Весь аккумулятор, таким образом, может быть уничтожен в течение нескольких секунд.A weak short circuit inside the cell will only lead to an increase in self-discharge and minimal heat generation, since the currents involved in this circuit will be very weak. But if enough microscopic metal particles form a "bridge" between the electrodes, the short circuit current can reach dangerous levels. In an electrical element, an initially small short circuit leads to thermal damage to the insulating layer, as a result of which the short circuit strength increases. The temperature rises very quickly to 500°C, at which point the electrical element ignites or even explodes. This phenomenon was given the name - thermal breakdown. During a thermal runaway, the heat of a failed cell can spread to neighboring cells, causing a chain reaction. The entire battery can thus be destroyed within a few seconds.

Известно устройство автоматической локальной пожарной защиты и способ разрушения оболочки капсулы с нанопорошком (Патент RU №2633955, опубл. 19.10.2017, бюл. №29). Устройство для автоматической локальной пожарной защиты автомобиля выполнено в виде капсулы, которая зафиксирована в оболочке удерживающими лямками, имеющими возможность совместного перемещения с капсулой при воздействии на нее инертных газов, выделяемых при срабатывании газогенерирующего заряда, в сторону ножа. Нож выполнен, например, крестообразным и жестко зафиксирован на оболочке перед распылительным насадком, причем оболочка капсулы выполнена более эластичной по сравнению с лямками. Устройство для автоматической локальной пожарной защиты автомобиля осуществляется следующим способом. Разрушение оболочки капсулы с нанопорошком заключается в том, что деформацию оболочки капсулы производят путем выделения инертных газов медленно горящим газогенерирующим пиротехническим зарядом, а перемещение капсулы на участке ее разрушения производят совместно с удерживающими лямками навстречу средству локального разрушения до момента полного разрушения оболочки капсулы ножом.A device for automatic local fire protection and a method for destroying the shell of a capsule with nanopowder are known (Patent RU No. 2633955, publ. 10/19/2017, bull. No. 29). The device for automatic local fire protection of the car is made in the form of a capsule, which is fixed in the shell with holding straps that can move together with the capsule when it is exposed to inert gases released when the gas-generating charge is triggered, towards the knife. The knife is made, for example, cruciform and is rigidly fixed on the shell in front of the spray nozzle, and the shell of the capsule is made more elastic compared to the straps. The device for automatic local fire protection of the car is carried out in the following way. The destruction of the capsule shell with nanopowder consists in the fact that the capsule shell is deformed by the release of inert gases by a slowly burning gas-generating pyrotechnic charge, and the capsule is moved in the area of its destruction together with the holding straps towards the means of local destruction until the capsule shell is completely destroyed by a knife.

Недостатком данного способа является использование в виде огнетушащего вещества нанопорошка, что создает невозможность создания огнетушащей концентрации по всему объему защищаемого отсека с аккумуляторными батареями. Также вследствие быстрого оседания огнетушащего порошка после срабатывания устройства отсутствует возможность создания не поддерживающей горение атмосферы в отсеке с аккумуляторными батареями для предотвращения возможности появления повторных возгораний. Огнетушащие порошки не обладают эффектом охлаждения.The disadvantage of this method is the use of nanopowder in the form of a fire extinguishing agent, which makes it impossible to create a fire extinguishing concentration throughout the protected compartment with batteries. Also, due to the rapid settling of the fire extinguishing powder after the device is triggered, it is not possible to create a non-combustible atmosphere in the battery compartment to prevent the possibility of re-ignition. Fire extinguishing powders do not have a cooling effect.

Известна автоматическая установка газового пожаротушения (Патент RU №2108828).Known automatic installation of gas fire extinguishing (Patent RU No. 2108828).

Автоматическая установка газового пожаротушения содержит датчик обнаружения пожара, блок управления, емкость с огнетушащим веществом, электроуправляемый клапан, распределительную сеть и выпускной насадок, при этом емкость с огнетушащим веществом соединена через электроуправляемый клапан с распределительной сетью и выпускным насадком, а блок управления соединен с датчиками обнаружения пожара и электроуправляемым клапаном.Automatic gas fire extinguishing installation contains a fire detection sensor, a control unit, a container with a fire extinguishing agent, an electrically controlled valve, a distribution network and an outlet nozzle, while the container with a fire extinguishing agent is connected through an electrically controlled valve to the distribution network and an outlet nozzle, and the control unit is connected to the detection sensors fire and electrically controlled valve.

Недостатком данного способа является то, что система пожаротушения находится всегда под избыточным давлением, что представляет трудности во время ее эксплуатации и требует специального периодического обслуживания. Также ввиду использования распределительной сети и выпускных насадков система обладает высокой металлоемкостью, что отрицательно сказывается на возможности ее размещения в отсеках с аккумуляторными батареями на транспорте.The disadvantage of this method is that the fire extinguishing system is always under excess pressure, which presents difficulties during its operation and requires special periodic maintenance. Also, due to the use of a distribution network and outlet nozzles, the system has a high metal consumption, which negatively affects the possibility of its placement in battery compartments in vehicles.

Известна разработка компании ROTAREX в области обнаружения и тушения возгорания (Пожаротушение двигателей, html), принятая за прототип способа противопожарной защиты и охлаждения аккумуляторных батарей на транспорте. Датчиком обнаружения пожара в системе пожаротушения двигателя ROTAREX является гибкая линейная сенсорная трубка, заполненная азотом. Она легко устанавливается над двигателем, вокруг него, вблизи возможных мест возгорания. За счет своей гибкости сенсорная трубка устанавливается даже в труднодоступных местах, что позволяет на 100% перекрыть всю защищаемую область. В случае повышения температуры до +175°С в любой точке сенсорной трубки вследствие пожара система пожаротушения для автомобиля моментально и автоматически инициирует пуск огнетушащего состава.The development of the ROTAREX company in the field of fire detection and extinguishing (Fire extinguishing engines, html), adopted as a prototype method for fire protection and cooling of batteries in transport, is known. The fire detection sensor in the ROTAREX engine fire extinguishing system is a flexible linear sensor tube filled with nitrogen. It is easily installed above the engine, around it, near possible ignition points. Due to its flexibility, the sensor tube is installed even in hard-to-reach places, which allows 100% coverage of the entire protected area. If the temperature rises to +175°C at any point of the sensor tube due to a fire, the fire extinguishing system for the vehicle instantly and automatically initiates the start of the extinguishing agent.

Недостатком данного способа является то, что система пожаротушения находится всегда под избыточным давлением, что представляет трудности во время ее эксплуатации и требует специального периодического обслуживания. Подача огнетушащего состава осуществляется уже после возгорания. Сложность создания огнетушащей концентрации во всем объеме защищаемого отсека.The disadvantage of this method is that the fire extinguishing system is always under excess pressure, which presents difficulties during its operation and requires special periodic maintenance. The fire extinguishing composition is supplied after the fire. The complexity of creating a fire extinguishing concentration in the entire volume of the protected compartment.

Технической задачей предлагаемого изобретения является применение нового способа предотвращения возгораний аккумуляторных батарей на транспорте газовым токонепроводящим огнетушащим составом, находящемся в жидкой фазе при нормальных условиях, а также дополнительного охлаждения аккумуляторных батарей.The technical objective of the invention is the use of a new method of preventing fires of batteries in vehicles with a gaseous non-conductive fire extinguishing composition that is in the liquid phase under normal conditions, as well as additional cooling of the batteries.

Сущность заявляемого изобретения заключается в повышении противопожарной защиты отсеков с аккумуляторными батареями на транспорте, а также отводе избыточного тепла от аккумуляторных батарей. Аккумуляторные батареи или блоки аккумуляторных батарей находятся в герметичном контейнере, в конструкцию которого включен клапан сброса избыточного давления. В герметичный контейнер с аккумуляторными батареями залито газовое токонепроводящее огнетушащее вещество - галогенуглеводород (например: огнетушащий состав ФК-5-1-12, хладон 114В2) в жидкой фазе так, чтобы весь объем контейнера был заполнен. При перегреве аккумуляторных батарей газовое огнетушащее вещество отбирает на себя избыточное тепло, а при повышении давления срабатывает клапан сброса избыточного давления. При тепловом пробое или повреждении аккумуляторной батареи газовое огнетушащее вещество препятствует возможному возгоранию, тем самым обеспечивая противопожарную защиту отсека с аккумуляторными батареями на транспорте.The essence of the claimed invention is to increase the fire protection of compartments with batteries in transport, as well as to remove excess heat from batteries. The batteries or battery packs are contained in a sealed container which includes an overpressure relief valve. A gaseous non-conductive fire extinguishing agent - a halocarbon (for example: fire extinguishing composition FK-5-1-12, freon 114V2) in the liquid phase is poured into a sealed container with batteries so that the entire volume of the container is filled. When the batteries overheat, the gas fire extinguishing agent takes on excess heat, and when the pressure rises, the excess pressure relief valve is activated. In the event of a thermal breakdown or damage to the battery, the gas fire extinguishing agent prevents a possible fire, thereby providing fire protection for the battery compartment in the vehicle.

Технический эффект заключается в том, что газовый огнетушащий токонепроводящий состав обладает принципиальным рядом преимуществ перед другими традиционными огнетушащими веществами, такими как вода, пена, огнетушащие аэрозоли, огнетушащие порошки: имеет высокую огнетушащую способность, обладает флегматизирующими свойствами. Использование воды для тушения крупных литий-ионных аккумуляторных батарей, которыми оснащены электромобили, крайне опасно из-за бурной реакции лития с водой. Использование порошков не позволяет создать огнетушащую концентрацию во всем объеме отсека и не позволяет создать атмосферу, не поддерживающую горение для исключения возможности появления повторных возгораний. Также использование огнетушащих аэрозолей и огнетушащих порошков, обладающих значительной коррозионной активностью, приводит к сильному загрязнению различных электронных систем, токопроводящих контактов и т.д., что может привести к их повреждению.The technical effect lies in the fact that the gas fire-extinguishing non-conductive composition has a fundamental number of advantages over other traditional fire-extinguishing agents, such as water, foam, fire-extinguishing aerosols, fire-extinguishing powders: it has a high fire-extinguishing ability, has phlegmatizing properties. Using water to extinguish the large lithium-ion batteries found in electric vehicles is extremely dangerous due to the violent reaction of lithium with water. The use of powders does not allow creating a fire extinguishing concentration in the entire volume of the compartment and does not allow creating an atmosphere that does not support combustion to exclude the possibility of re-ignitions. Also, the use of fire-extinguishing aerosols and fire-extinguishing powders with significant corrosive activity leads to severe contamination of various electronic systems, conductive contacts, etc., which can lead to their damage.

Claims

A method for fire protection and cooling of batteries or battery packs in transport, including the use of a fire extinguishing agent, characterized in that the batteries or battery packs are placed in a sealed container having an overpressure relief valve, while a non-conductive fire extinguishing agent is used as a fire extinguishing agent - halohydrocarbon, which is in the liquid phase with low saturated vapor pressure under normal conditions, which is poured into a sealed container with batteries to fill the entire volume of the container; pressure, and in case of thermal breakdown or damage to the battery, the halocarbon prevents ignition.