WO2020120904A1 - Système adapté à l'extinction d'un feu de batterie - Google Patents

Système adapté à l'extinction d'un feu de batterie Download PDF

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battery
fire
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Gilles GONTHIER
Frédéric MARLIN
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Arianegroup Sas
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a system suitable for extinguishing a battery fire providing improved extinguishing efficiency.
  • Battery cells are susceptible to reaction from internal faults or external stresses such as exposure to high temperature.
  • the invention provides a system adapted to extinguishing a battery fire
  • a battery comprising a plurality of battery cells
  • a device for extinguishing a fire comprising a body containing an extinguishing agent in liquid form and configured to distribute said extinguishing agent over the cells of the battery, the extinguishing agent having a saturated vapor pressure less than or equal to 10 bar at 120 ° C.
  • the saturated vapor pressure of the extinguishing agent is less than or equal to 8 bar at 120 ° C. This characteristic advantageously makes it possible to further improve the extinguishing efficiency.
  • the saturation vapor pressure of the extinguishing agent is less than or equal to 6 bar at 120 ° C.
  • Such a characteristic advantageously makes it possible to further improve the extinguishing efficiency.
  • the extinguishing device further comprises a sensor configured to detect the appearance of a fire at at least one of the cells as well as a control unit in communication with said sensor and configured to initiating the distribution of the extinguishing agent on the cells when said sensor detects the appearance of a fire in at least one of the cells.
  • a control unit in communication with said sensor and configured to initiating the distribution of the extinguishing agent on the cells when said sensor detects the appearance of a fire in at least one of the cells.
  • the body is provided with an outlet orifice, this outlet orifice opening onto an inter-cell space or being in communication with the cells via a conduit opening onto an inter-cell space .
  • Such a characteristic facilitates the filling of the inter-cell space over its entire height and contributes to further improving the extinguishing efficiency.
  • the invention also relates to a vehicle comprising a system as described above.
  • the vehicle can be an aircraft or an automobile.
  • Figure 1 illustrates, schematically, an example of a system according to the invention with a battery in normal operation.
  • FIG. 2 Figure 2 illustrates the system in Figure 1 when a fire breaks out at one of the battery cells.
  • FIG. 3 Figure 3 illustrates the system of Figure 1 after delivery of the extinguishing agent to the battery cells.
  • FIG. 4 represents the evolution of the saturated vapor pressure as a function of the temperature for two examples of extinguishing agents which can be used in the context of the invention.
  • the system 1 comprises a battery 10 which comprises a plurality of battery cells 12 present inside an envelope 14.
  • the battery 10 is intended to supply electrical power to an electrical circuit.
  • the envelope 14 can be made of metallic material.
  • the casing 14 is provided with terminals (not shown) intended for the connection of the battery 10 to the electrical circuit.
  • the casing 14 may or may not be provided with a gas exhaust port and an orifice for the circulation of a cooling fluid (not shown).
  • the cells 12 can be connected in parallel or in series.
  • the cells 12 can for example be lithium-ion cells, lithium metal cells or lithium-polymer cells.
  • the cells 12 are spaced from each other by inter-cell spaces 13.
  • the battery 10 can be used to provide propellant energy in an automobile or in an electrically propelled aircraft, or for secondary (non-propulsive) applications.
  • the battery 10 can also be used in other applications, such as in the naval or railway field.
  • the system 1 also comprises a device 20 for extinguishing a battery fire which comprises a body 22 containing an extinguishing agent 24 in liquid form.
  • a device 20 for extinguishing a battery fire which comprises a body 22 containing an extinguishing agent 24 in liquid form.
  • the body 22 is located outside the envelope 14, but we could alternatively have the body inside the envelope.
  • FIG. 1 illustrates the case where the extinguishing device 20 is in a first configuration, called the storage configuration.
  • This configuration corresponds to the case where no fire has started at the cells 12 of the battery 10 and to normal operation of the latter.
  • the extinguishing agent 24 is stored in the body 22.
  • the extinguishing agent 24 was not distributed to the cells 12.
  • the body 22 is here provided with an outlet orifice 28 which is closed by a shutter 29 when the device is in the first configuration.
  • a shutter 29 seals the body 22 to maintain the liquid extinguishing agent 24 stored in the extinguishing device 20.
  • the shutter 29 is here in the form of a membrane, for example a metal membrane, for example aluminum, or a polymer membrane.
  • the shutter may be in the form of a valve, such as a spring valve.
  • the saturation vapor pressure of the extinguishing agent 24 is less than or equal to 10 bar at 120 ° C, for example less than or equal to 8 bar at 120 ° C, for example less than or equal to 5 bar at 120 ° C .
  • this saturated vapor pressure can be between 2 bar and 10 bar, for example between 2 bar and 8 bar, for example between 2 bar and 5 bar.
  • the extinguishing device 20 further comprises a temperature sensor 32 configured to measure the temperature of the cells 12 of the battery.
  • the sensor 32 makes it possible to detect the appearance of a fire at at least one of the cells 12.
  • the temperature sensor 32 is in communication, wired or non-wired, with a control unit 34 which is configured to trigger the distribution of the extinguishing agent 24 at the level of the cells 12 when a fire is detected.
  • the control unit 34 compares the temperature measured by the sensor 32 with a predetermined temperature value associated with the presence of a fire F in the battery 10. When the temperature measured by the sensor 32 reaches this predetermined temperature value, the control unit 34 triggers the distribution of the extinguishing agent 24 by opening the shutter 29.
  • the extinguishing agent 24 then flows into the conduit 33 then enters the envelope 14 to be distributed on the cells 12.
  • the temperature measured by the sensor 32 is below this value predetermined. There is therefore no distribution of the extinguishing agent 24 and the shutter remains closed.
  • the control unit 34 acts on the valve in order to open it and to trigger the distribution of the extinguishing agent 24 on the cells 12.
  • the control unit 34 compares the value of a parameter measured by the sensor 32 with a predetermined value of this parameter associated with the presence of a fire F in the battery 10. When the measured value reaches the predetermined value, the control unit 34 triggers the distribution of the extinguishing agent 24 on the cells 12.
  • Figures 2 and 3 illustrate the evolution of the system 1 when a fire F is triggered at a cell 12 of the battery 10.
  • FIG. 2 shows the system 1 of FIG. 1 after the appearance of a fire F at the level of a cell 12 of the battery 10.
  • This fire F leads to a notable increase in temperature.
  • the temperature measured by the sensor 32 and analyzed by the control unit 34 is greater than the predetermined value associated with the appearance of a battery fire.
  • the control unit 34 then actuates the opening of the shutter 29.
  • the control unit 34 can control the movement of the shutter, in the case of a valve for example, or the breaking of this last in the case of a cover. This allows the extinguishing agent to be distributed in the conduit 33 to the cells 12 and to carry out the extinction.
  • the conduit 33 opens onto an inter-cell space 13, which makes it easier to fill the inter-cell space over its entire height and contributes to further improving the extinguishing efficiency.
  • the distribution of the extinguishing agent 24 at the level of the cells 12 is shown diagrammatically in FIG. 3.
  • the cells 12 are wholly or partly submerged by the extinguishing agent 24 following this distribution and the fire F is extinguished.
  • the outlet port 28 is in communication with the battery cells 12 when the shutter 29 is open, which corresponds to a second configuration of the extinguishing device 20 called the extinction configuration.
  • extinguishing agent 24 which can be used, mention may, for example, be made of FK-5-1-12, corresponding to Novec TM 1230, or Novec TM 774.
  • FIG. 4 illustrates the evolution of the saturation vapor pressure as a function of the temperature for the agents Novec TM 1230 and Novec TM 774. We see that at 120 ° C the saturation vapor pressures of these two extinguishing agents are respectively around 7 bar and 4 bar.
  • control unit 34 acts directly on the shutter 29 to trigger the distribution of the extinguishing agent 24. It is not, however, outside the scope of the invention when the body comprises a generator. gas capable of pressurizing the extinguishing agent and the control unit activates this gas generator. In this way, the pressurized extinguishing agent exerts sufficient force on the shutter to open it and cause distribution.
  • the pressurized extinguishing agent exerts sufficient force on the shutter to open it and cause distribution.
  • the increase in temperature linked to the appearance of the fire F leads to an increase in the saturated vapor of the extinguishing agent which makes it possible to exert a sufficient pressure to open the shutter and initiate the distribution of the extinguishing agent at the cellul es 12.
  • the extinguishing agent 24 is in this case chosen so as to present a saturated vapor pressure which increases significantly with temperature, which will make it possible to trigger the extinction in the event of fire F. effect when a fire starts, the pressure of the gaseous phase contained in the body increases significantly, which results in an increased pressure applied by the liquid extinguishing agent 24 on the shutter 29, thus allowing the opening of this last.
  • the two examples of Novec TM 1230, or Novec TM 774 extinguishing agents mentioned above are suitable for this application, for example by sizing the shutter so that it opens at 6 bar.

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Abstract

La présente invention concerne un système (1) adapté à l'extinction d'un feu de batterie, comprenant : - une batterie (10) comprenant une pluralité de cellules (12) de batterie, et - un dispositif d'extinction (20) d'un feu comprenant un corps (22) contenant un agent d'extinction (24) sous forme liquide et configuré pour distribuer ledit agent d'extinction sur les cellules de la batterie, l'agent d'extinction présentant une pression de vapeur saturante inférieure ou égale à 10 bar à 120°C.

Description

Description
Titre de l'invention : Système adapté à l'extinction d'un feu de batterie
Domaine Technique
La présente invention concerne un système adapté à l’extinction d’un feu de batterie fournissant une efficacité d’extinction améliorée.
Technique antérieure
Les cellules de batterie sont susceptibles de réagir sous l’effet de défauts internes ou d’agressions externes comme l’exposition à une haute température.
On connaît des systèmes qui utilisent du Halon en tant qu’agent d’extinction pour des cellules de batterie. Il demeure toutefois souhaitable d’améliorer l’efficacité des systèmes d’extinction existant pour éteindre les feux de batterie.
Exposé de l’invention
L’invention propose un système adapté à l’extinction d’un feu de batterie,
comprenant :
- une batterie comprenant une pluralité de cellules de batterie, et
- un dispositif d’extinction d’un feu comprenant un corps contenant un agent d’extinction sous forme liquide et configuré pour distribuer ledit agent d’extinction sur les cellules de la batterie, l’agent d’extinction présentant une pression de vapeur saturante inférieure ou égale à 10 bar à 120° C.
Il est avantageux d’utiliser un agent d’extinction tel que décrit plus haut qui présente une pression de vapeur saturante significativement plus faible que celle du Halon afin de limiter la vaporisation de l’agent suite à sa distribution sur la zone de feu et améliorer ainsi l’efficacité d’extinction.
Dans un exemple de réalisation, la pression de vapeur saturante de l’agent d’extinction est inférieure ou égale à 8 bar à 120°C. Une telle caractéristique permet avantageusement d’améliorer davantage encore l’efficacité d’extinction.
Dans un exemple de réalisation, la pression de vapeur saturante de l’agent d’extinction est inférieure ou égale à 6 bar à 120°C.
Une telle caractéristique permet avantageusement d’améliorer davantage encore l’efficacité d’extinction.
Dans un exemple de réalisation, le dispositif d’extinction comprend en outre un capteur configuré pour détecter l’apparition d’un feu au niveau d’au moins une des cellules ainsi qu’une unité de commande en communication avec ledit capteur et configurée pour initier la distribution de l’agent d’extinction sur les cellules lorsque ledit capteur détecte l’apparition d’un feu au niveau d’au moins une des cellules. On peut toutefois en variante utiliser un système permettant de déclencher la distribution de l’agent d’extinction de manière passive (i.e. sans déclenchement électrique) comme il sera détaillé plus bas.
Dans un exemple de réalisation, le corps est muni d’un orifice de sortie, cet orifice de sortie débouchant sur un espace inter-cellules ou étant en communication avec les cellules par l’intermédiaire d’un conduit débouchant sur un espace inter-cellules.
Une telle caractéristique facilite le remplissage de l’espace inter-cellules sur toute sa hauteur et participe à améliorer davantage encore l’efficacité d’extinction.
L’invention concerne également un véhicule comprenant un système tel que décrit plus haut.
Le véhicule peut être un aéronef ou une automobile.
Brève description des dessins
[Fig. 1 ] La figure 1 illustre, de manière schématique, un exemple de système selon l’invention avec une batterie en fonctionnement normal.
[Fig. 2] La figure 2 illustre le système de la figure 1 lorsqu’un feu se déclenche au niveau d’une des cellules de la batterie.
[Fig. 3] La figure 3 illustre le système de la figure 1 après délivrance de l’agent d’extinction sur les cellules de batterie. [Fig. 4] La figure 4 représente l’évolution de la pression de vapeur saturante en fonction de la température pour deux exemples d’agents d’extinction utilisables dans le cadre de l’invention.
Description des modes de réalisation
Un exemple de système 1 selon l’invention est illustré schématiquement aux figures 1 à 3. Le système 1 comprend une batterie 10 qui comprend une pluralité de cellules 12 de batterie présentes à l’intérieur d’une enveloppe 14. La batterie 10 est destinée à fournir de la puissance électrique à un circuit électrique. L’enveloppe 14 peut être en matériau métallique. L’enveloppe 14 est munie de bornes (non représentées) destinées au branchement de la batterie 10 au circuit électrique. L’enveloppe 14 peut ou non être munie d’un orifice d’échappement des gaz et d’un orifice pour la circulation d’un fluide de refroidissement (non représentés). Les cellules 12 peuvent être connectées en parallèle ou en série. Les cellules 12 peuvent par exemple être des cellules lithium-ion, des cellules lithium métal ou des cellules lithium-polymère. Les cellules 12 sont espacées les unes des autres par des espaces inter-cellules 13. La batterie 10 peut être utilisée pour fournir l’énergie propulsive dans une automobile ou dans un aéronef à propulsion électrique, ou pour des applications secondaires (non propulsives). La batterie 10 peut encore être utilisée dans d’autres applications, comme dans le domaine naval ou ferroviaire.
Le système 1 comprend en outre un dispositif d’extinction 20 d’un feu de batterie qui comprend un corps 22 contenant un agent d’extinction 24 sous forme liquide. Dans l’exemple illustré, le corps 22 est situé à l’extérieur de l’enveloppe 14 mais on pourrait en variante avoir le corps à l’intérieur de l’enveloppe.
La figure 1 illustre le cas où le dispositif d’extinction 20 est dans une première configuration, dite configuration de stockage. Cette configuration correspond au cas où aucun feu ne s’est déclenché au niveau des cellules 12 de la batterie 10 et à un fonctionnement normal de celle-ci. Dans cette configuration, l’agent d’extinction 24 est stocké dans le corps 22. Dans la première configuration, l’agent d’extinction 24 n’a pas été distribué sur les cellules 12.
Le corps 22 est ici muni d’un orifice de sortie 28 qui est obturé par un obturateur 29 lorsque le dispositif est dans la première configuration. Lorsque le dispositif est dans la première configuration, le corps 22 est obturé de sorte que l’agent d’extinction liquide 24 reste stocké dans le corps 22. L’obturateur 29 ferme de manière étanche le corps 22 pour maintenir l’agent d’extinction liquide 24 stocké dans le dispositif d’extinction 20. L’obturateur 29 est ici sous la forme d’une membrane, par exemple une membrane métallique, par exemple en aluminium, ou une membrane polymérique. Selon une variante, l’obturateur peut être sous la forme d’un clapet, comme un clapet à ressort.
La pression de vapeur saturante de l’agent d’extinction 24 est inférieure ou égale à 10 bar à 120°C, par exemple inférieure ou égale à 8 bar à 120°C, par exemple inférieure ou égale à 5 bar à 120°C. A 120°C, cettepression de vapeur saturante peut être comprise entre 2 bar et 10 bar, par exemple entre 2 bar et 8 bar, par exemple entre 2 bar et 5 bar.
Dans l’exemple illustré, le dispositif d’extinction 20 comprend en outre un capteur de température 32 configuré pour mesurer la température des cellules 12 de la batterie. Le capteur 32 permet de détecter l’apparition d’un feu au niveau d’au moins une des cellules 12. Le capteur de température 32 est en communication, filaire ou non- filaire, avec une unité de commande 34 qui est configurée pour déclencher la distribution de l’agent d’extinction 24 au niveau des cellules 12 lorsqu’un feu est détecté. Dans l’exemple illustré, l’unité de commande 34 compare la température mesurée par le capteur 32 avec une valeur de température prédéterminée associée à la présence d’un feu F dans la batterie 10. Lorsque la température mesurée par le capteur 32 atteint cette valeur de température prédéterminée, l’unité de commande 34 déclenche la distribution de l’agent d’extinction 24 en ouvrant l’obturateur 29. Dans l’exemple illustré, l’agent d’extinction 24 s’écoule alors dans le conduit 33 puis pénètre dans l’enveloppe 14 pour être distribué sur les cellules 12. Dans le cas d’un fonctionnement normal, il n’y a pas de feu de batterie et par conséquent la température mesurée par le capteur 32 est en dessous de cette valeur prédéterminée. Il n’y a donc pas de distribution de l’agent d’extinction 24 et l’obturateur reste fermé. On a décrit le cas où l’orifice de sortie 28 du corps 22 est initialement obturé par un obturateur 29 lorsque le dispositif est dans la première configuration, on pourrait en variante utiliser une valve au niveau du conduit 33 qui est initialement fermée pour maintenir l’agent d’extinction 24 stocké dans le corps 22. Selon cette variante, l’unité de commande 34 agit sur la valve afin de l’ouvrir et de déclencher la distribution de l’agent d’extinction 24 sur les cellules 12. On pourrait dans une autre variante s’affranchir du conduit 33 et directement disposer le corps 22 à l’intérieur de l’enveloppe 14 comme évoqué plus haut. Il est en outre possible d’utiliser un autre type de capteur qu’un capteur de température comme un capteur de fumée, un capteur de flamme ou de monoxyde de carbone. D’une manière générale, l’unité de commande 34 compare la valeur d’un paramètre mesurée par le capteur 32 à une valeur prédéterminée de ce paramètre associée à la présence d’un feu F dans la batterie 10. Lorsque la valeur mesurée atteint la valeur prédéterminée, l’unité de commande 34 déclenche la distribution de l’agent d’extinction 24 sur les cellules 12.
Les figures 2 et 3 illustrent l’évolution du système 1 lorsqu’un feu F se déclenche au niveau d’une cellule 12 de la batterie 10.
La figure 2 montre le système 1 de la figure 1 après apparition d’un feu F au niveau d’une cellule 12 de la batterie 10. Ce feu F conduit à un accroissement notable de température. Dans ce cas, la température mesurée par le capteur 32 et analysée par l’unité de commande 34 est supérieure à la valeur prédéterminée associée à l’apparition d’un feu de batterie. L’unité de commande 34 actionne alors l’ouverture de l’obturateur 29. Pour cela, l’unité de commande 34 peut commander le déplacement de l’obturateur, dans le cas d’un clapet par exemple, ou la rupture de ce dernier dans le cas d’un opercule. Cela permet de distribuer l’agent d’extinction dans le conduit 33 jusqu’aux cellules 12 et de réaliser l’extinction. Dans l’exemple illustré, le conduit 33 débouche sur un espace 13 inter-cellules, ce qui permet de faciliter le remplissage de l’espace inter-cellules sur toute sa hauteur et participe à améliorer davantage encore l’efficacité d’extinction.
La distribution de l’agent d’extinction 24 au niveau des cellules 12 est schématisée à la figure 3. Les cellules 12 sont en tout ou partie noyées par l’agent d’extinction 24 suite à cette distribution et le feu F est éteint. L’orifice de sortie 28 est en communication avec les cellules 12 de batterie lorsque l’obturateur 29 est ouvert, ce qui correspond à une deuxième configuration du dispositif d’extinction 20 dite configuration d’extinction.
A titre d’exemple d’agent d’extinction 24 utilisable, on peut par exemple citer le FK-5- 1 -12, correspondant au Novec™ 1230, ou le Novec™ 774. La figure 4 illustre l’évolution de la pression de vapeur saturante en fonction de la température pour les agents Novec™ 1230 et Novec™ 774. On voit qu’à 120°C les pressions de vapeur saturante de ces deux agents d’extinction sont respectivement d’environ 7 bar et 4 bar.
On a représenté un exemple où l’unité de commande 34 agit directement sur l’obturateur 29 pour déclencher la distribution de l’agent d’extinction 24. On ne sort toutefois pas du cadre de l’invention lorsque le corps comprend un générateur de gaz apte à pressuriser l’agent d’extinction et que l’unité de commande actionne ce générateur de gaz. De la sorte, l’agent d’extinction pressurisé exerce un effort suffisant sur l’obturateur pour l’ouvrir et provoquer la distribution. On pourrait encore utiliser un élément dont le caractère conducteur de l’électricité augmente avec la température et permettant d’initier la distribution lorsqu’il atteint un état conducteur. On peut par exemple utiliser un élément dont la magnétisation augmente avec la température afin de déclencher la distribution de l’agent d’extinction.
On a décrit en lien avec les figures 1 à 3 le cas d’un exemple de système d’extinction actif mettant en oeuvre un capteur 32 adapté à la détection d’un feu ainsi qu’une unité de commande 34 permettant d’initier la distribution de l’agent d’extinction 24. On ne sort toutefois pas du cadre de l’invention si l’on emploie un système d’extinction passif n’employant ni le capteur 32 ni l’unité de commande 34. On peut en effet mettre à profit l’augmentation de la pression de vapeur saturante de l’agent d’extinction avec la température de sorte à déclencher la distribution de l’agent d’extinction 24. Dans ce dernier cas, on positionne le corps 22 au voisinage des cellules 12, par exemple dans l’enveloppe 14. Dans ce cas, l’accroissement de température lié à l’apparition du feu F conduit à une augmentation de la vapeur saturante de l’agent d’extinction qui permet d’exercer une pression suffisante pour ouvrir l’obturateur et enclencher la distribution de l’agent d’extinction au niveau des cellules 12. L’agent d’extinction 24 est dans ce cas choisi de sorte à présenter une pression de vapeur saturante qui augmente significativement avec la température, ce qui va permettre de déclencher l’extinction en cas d’apparition du feu F. En effet lorsqu’un feu se déclenche, la pression de la phase gazeuse contenue dans le corps augmente significativement, ce qui résulte en une pression accrue appliquée par l’agent d’extinction liquide 24 sur l’obturateur 29, permettant ainsi l’ouverture de ce dernier. Les deux exemples d’agents d’extinction Novec™ 1230, ou Novec™ 774 cités plus haut conviennent pour cette application en dimensionnant par exemple l’obturateur de sorte à ce qu’il s’ouvre à 6 bar.
L’expression « comprise entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système (1) adapté à l'extinction d'un feu (F) de batterie, comprenant :
- une batterie (10) comprenant une pluralité de cellules (12) de batterie, et
- un dispositif d'extinction (20) d'un feu comprenant un corps (22) contenant un agent d'extinction (24) sous forme liquide et configuré pour distribuer ledit agent d'extinction sur les cellules de la batterie, l'agent d'extinction
présentant une pression de vapeur saturante inférieure ou égale à 10 bar à 120°C.
[Revendication 2] Système (1) selon la revendication 1, dans lequel la
pression de vapeur saturante de l'agent d'extinction (24) est inférieure ou égale à 8 bar à 120°C.
[Revendication 3] Système (1) selon la revendication 2, dans lequel la
pression de vapeur saturante de l'agent d'extinction (24) est inférieure ou égale à 6 bar à 120°C.
[Revendication 4] Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif d'extinction (20) comprend en outre un capteur (32) configuré pour détecter l'apparition d'un feu (F) au niveau d'au moins une des cellules (12) ainsi qu'une unité de commande (34) en communication avec ledit capteur et configurée pour initier la distribution de l'agent d'extinction (24) sur les cellules lorsque ledit capteur détecte l'apparition d'un feu au niveau d'au moins une des cellules.
[Revendication 5] Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le corps (22) est muni d'un orifice de sortie (28), et dans lequel cet orifice de sortie débouche sur un espace inter-cellules (13) ou est en communication avec les cellules (12) par l'intermédiaire d'un conduit (33) débouchant sur un espace inter-cellules.
[Revendication 6] Véhicule comprenant au moins un système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
[Revendication 7] Véhicule selon la revendication 6, dans lequel le véhicule est un aéronef.
[Revendication 8] Véhicule selon la revendication 6, dans lequel le véhicule est une automobile.
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