一种高消防安全的储能电池包与储能电池集装箱

摘要

本发明提供一种高消防安全的储能电池包与储能电池集装箱。储能电池包包括外壳、若干电池单体、电池管理系统与消防装置；电池单体位于电池包内部，通过串联和/或并联连接在一起；电池管理系统管理和控制电池系统；消防装置设置在电池包内，为气溶胶灭火装置；气溶胶灭火装置包括触发器与灭火剂，电池管理系统控制触发器触发与否，在触发器触发条件下灭火剂激活，产生具有灭火效能的气溶胶。本发明可响应电池包各种异常状况，并且快速、高效地实现电池包内的灭火控制及预防，提高了电池系统安全，有效避免了损失。

说明书

技术领域

本发明属于储能电池技术领域，尤其涉及一种高消防安全的储能电池包与储能电池集装箱。

背景技术

随着科技的飞速发展，人们的生活水平逐渐提高，对能源的消耗也大大提高，在这样的时代背景下，家庭储能和大型储能技术逐渐兴起。储能技术是通过装置或化学介质将能量储存起来以便需要时利用的技术，储能电池集装箱是其中一种重要的储能装置。

储能电池集装箱给人们的工作生活带给便利，但是也存在安全问题。例如：电池单体内部放热反应引起不可控温升导致热失控，若不及时处理会导致热失控扩散，严重影响储能电池系统的正常运行与安全；电池回路中的过电流或者过电压导致回路击穿而发生起火、爆炸等安全问题；电池回路中的电源失电、短路、断路等引起电池系统瘫痪、起火等安全问题。尤其是对于近年发展迅速的锂电池系统而言，相较于传统的铅酸电池、铅炭电池等，锂电池能量密度更大、性质更为活泼，但是其热稳定性较低，不断有安全事故发生，特别是火灾事故，引起了诸多关注，对锂电池储能行业的发展产生了负面的作用。为此，储能电池集装箱中还包括电池管理系统(BMS)、检测和保护电路、电气和通讯接口等部件。电池管理系统用于检测电池系统的电压、电流、温度等参数信息，并对电池系统的状态进行管理和控制。

储能电池集装箱中的安全问题大部分是由电池热失控事件引起的，为此储能电池集装箱需要有效的消防措施。目前，市场上主流的储能电池集装箱通常是整体密封式结构，所采用的消防保护措施一般是针对集装箱的整体结构进行消防，在储能电池集装箱内部设置灭火装置。例如，整体的七氟丙烷消防，整体的灌水消防，或者整体的气溶胶消防。这样的消防设计中，电池包内部没有设置灭火装置，设置在储能电池集装箱的灭火设备只能对电池包外部进行抢救性灭火，无法把热失控限制在初始阶段。一旦某个电池包或者电池簇发生过热、短路燃烧等险情时，整个储能集装箱的消防系统就会启动，达到降温、灭火，解除险情的目的，导致其他未发生安全事故的电池包或者电池簇也会受到波及，造成不必要的破坏或者报废。但是，在电池包内部设置灭火装置存在如下问题：

1、电池包由一定数量的串联或并联的电芯以及多重绝缘防护面板组成。通常出于设计角度考虑，电池包内部结构紧凑，可用空间狭小，因此常规灭火装置出现安放困难的问题。因此，为了此满足空间要求，必须采用灭火效率较高的药剂。

2、目前设置在电池包内的灭火装置中多采用七氟丙烷作为灭火剂。七氟丙烷是一种可低压液化储存的气体灭火剂，主要以物理方式及部分化学方式灭火，具有气体灭火剂的特点。七氟丙烷的灭火机理主要由以下三部分组成：

(1)冷却保护区。七氟丙烷常规状态下是低压液化储存的。当药剂从喷头喷出时，液态的灭火剂迅速转变为气态物质，吸收环境内的大量热量，从而减低了保护区的温度。

(2)灭火剂分散。七氟丙烷是由大分子组成的，灭火过程中，其分子的一部分化学键断裂需要吸收热量。

(3)降低氧气浓度。七氟丙烷的喷射和火焰的燃烧会消耗氧气，从而降低燃烧的速度。

但是，七氟丙烷需要压力储存，其稳定性受环境因素制约较多。并且，七氟丙烷虽然在室温下比较稳定，但在高温下仍然会分解，分解产生氟化氢，会有刺鼻的味道。其他燃烧产物还包括一氧化碳和二氧化碳。部分有毒物质长期残留难以彻底消除。因此，七氟丙烷灭火剂一经使用，整个电池包会彻底报废，其中没有受损的电池单元将没有后续回收利用的价值。

3、目前设置在电池包内的灭火装置大部分通过热触发模式自动启动，即，当外界温度达到预定温度时自动启动灭火装置。这种启动方式单一、不灵活，无法适应电池包内各种突发故障，另外，所述的预定温度一般接近起火温度，因此对于电池内部存在失火隐患的故障无法及时采取措施进行预防。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种储能电池包，能够及时响应储能电池包的消防安全故障及消防安全隐患，实现电池包内的灭火控制及预防，提高储能电池包的消防安全。

本发明的技术方案为：一种高消防安全的储能电池包，包括外壳、若干电池单体以及电池管理系统；

所述电池单体位于电池包内部，通过串联和/或并联连接在一起；

所述电池管理系统管理和控制电池包；

其特征是：还包括消防装置，所述消防装置设置在电池包内，为气溶胶灭火装置；所述气溶胶灭火装置包括触发器与灭火剂，在触发器触发条件下灭火剂激活，产生具有灭火效能的气溶胶；

所述电池管理系统控制触发器触发与否。

根据产生气溶胶的方式，灭火剂可分为热气溶胶灭火剂和冷气溶胶灭火剂。热气溶胶灭火剂的灭火原理主要包括以下三方面，这三种灭火机理相互作用，协同发挥作用：

(1)吸热分解的降温灭火作用

热气溶胶灭火剂的降温作用主要依靠的是金属氧化物和碳酸盐的吸热分解。任何火灾在较短的时间内放出的热量是有限的，如果在较短的时间内气溶胶中的固体颗粒能够吸收火源所放出的一部分热量，那么火焰的温度就会降低，辐射到燃烧表面和用于将已经气化的可燃烧分子裂解成自由基的热量就会减少，燃烧反应就会得到一定程度的抑制。

(2)气相化学抑制作用

在热的作用下，热气溶胶灭火剂分解的气化金属离子如Sr、K、Mg或失去电子的阳离子以蒸汽的形式存在，与燃烧中的活性基团如H·、·OH和O·发生多次链反应，例如以Sr为例：

Sr+2·OH→Sr(OH)

Sr+O·→SrO

Sr(OH)

如此反复，燃烧中的活性基团被大量消耗，浓度不断降低，燃烧得以抑制。

(3)固相化学抑制作用

热气溶胶灭火剂中的固体微粒的粒径很小(一般在10

K

KOH(s)+OH(g)→KO(s)+H

K

KO(s)+H(g)→KOH。

其中，s代表固态(solid)，g代表气态(gas)。

普通型的气溶胶灭火剂灭火后有残留物，S型气溶胶灭火剂具有较高的洁净度，因此本发明中优选S型气溶胶灭火剂。

作为一种实现方式，当电池管理系统检测到异常信息时，控制触发器触发。所述异常信息包括电池单元的参数信息异常以及电池包内的电路信息异常。所述参数信息包括但不限于电池单元的温度、电压、内阻等中的一种或者多种。所述参数信息异常包括参数数值不在正常范围内，以及单位时间内参数数值变化不在正常范围内等。

作为优选，所述储能电池包内部还设置气体检测仪，所述气体检测仪连接电池管理系统，气体检测仪的检测结果传输至电池管理系统，当气体检测仪的检测结果异常时，电池管理系统控制气溶胶灭火装置的触发器触发，灭火剂激活，产生具有灭火效能的气溶胶。

作为一种实现方式，所述电池管理系统包括从控模块(BMU)与主控模块(BPU)；BMU用于检测电池包内各电池单元的参数信息以及电池包内的其他电路信息，并将检测得到的信息发送至BPU；BPU用于接收来自BMU的信息，根据所述信息向BMU发送用于管理、控制电池包的指令；BMU接收、执行所述指令。作为优选一种实现方式，当BPU接收来自BMU的信息后发现当电池管理系统检测到异常信息时，BPU发送控制触发器触发的指令至BMU控制触发器触发，BMU接收、执行该指令，从而导致灭火剂激活，在电池包内部产生具有灭火效能的气溶胶，实现电池包内灭火或者火灾预防。

本发明还提供一种高消防安全的储能电池集装箱，包括集装箱与若干集装箱内的电池簇，各电池簇采用串联和/或并联连接在一起；各电池簇包括若干本发明所述的高消防安全的储能电池包，各电池包采用串联和/或并联连接在一起。

作为一种实现方式，若干电池单体通过串联和/或并联连接在一起构成电池包，若干电池包通过串联方式连接在一起构成电池簇，若干电池簇通过并联方式连接在一起构成储能电池集装箱。此时，作为优选，所述电池管理系统包括若干从控模块(BMU)与若干主控模块(BPU)；BMU与电池包一一对应，用于检测对应电池包内各电池单元的参数信息以及电池包内的其他电路信息，并将检测得到的信息发送至BPU；BPU与电池簇一一对应，用于接收对应电池簇的各BMU的信息，BPU可根据所述信息向各BMU发送用于管理、控制对应电池包的指令。

作为优选，还包括总控模块(BMS)，各BPU将所述信息发送至BMS，BMS接收各BPU发送的信息，可根据所述信息向各BPU发送用于管理、控制对应电池簇的指令。

与现有技术相比，本发明在储能电池包内部设置气溶胶灭火装置，具有如下有益效果：

(1)气溶胶灭火装置中的药剂是以固态形式存放的，且自身又不具有挥发性且具有较长的保存年限，所以不会存在泄露等问题，安全性能高；

(2)气溶胶灭火装置体型小巧，质量轻且性能可靠，适用于封闭的电池包内部应用。

(3)气溶胶灭火装置中的灭火剂无毒无害，绿色环保，因此启动灭火后对电池包内未报废的电芯可回收再利用；

(4)本发明中，电池管理系统控制气溶胶灭火装置的触发器触发与否，当电池管理系统检测到电池包内的失火情况或者存在失火隐患的异常情况时，例如电池管理系统检测到电池包内的温度、电压、内阻等异常信息时即可控制气溶胶灭火装置的触发器触发，从而迅速激活灭火剂，在电池包内产生具有灭火效能的气溶胶，实现电池包内的灭火控制及预防。与现有灭火装置单一的热触发方式相比，该电池管理系统控制的触发方式可响应电池包各种异常状况，并且快速、高效地控制、预防热失控，提高了电池包安全，有效避免了损失。

(5)对于包含本发明的电池包的储能电池集装箱，针对电池包内热失控导致的安全问题，本发明能够将热失控抑制在电池包阶段(初级阶段)，能够避免其他未发生热失控的电池包、电池簇受到波及而造成不必要的破坏或者报废。

附图说明

图1是本发明高消防安全的储能电池包的结构示意图。

图2是本发明实施例2中的储能电池集装箱的系统拓扑结构示意图。

图1中的附图标记为：外壳10、电池单体20、电池管理系统30、气溶胶灭火装置40、触发器41、灭火剂42。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，高消防安全的储能电池包如图1所示，包括外壳10、若干电池单体20以及电池管理系统30。

电池单体10位于电池包内部，通过串联和/或并联连接在一起。电池包内还包括气溶胶灭火装置40。该气溶胶灭火装置40包括触发器41与灭火剂42，在触发器41触发条件下灭火剂42激活，产生具有灭火效能的气溶胶。

电池管理系统30包括从控模块(BMU)与主控模块(BPU)。BMU用于检测电池包内各电池单元的参数信息以及电池包内的其他电路信息，并将检测得到的信息发送至BPU。BPU用于接收来自BMU的信息，根据所述信息向BMU发送用于管理、控制电池包的指令；BMU接收、执行所述指令。当BPU接收来自BMU的信息后发现电池单元的参数异常信息时，例如，电池单元的温度、电压、内阻等中的一种或者多种参数数值不在正常范围内，或者单位时间内参数数值变化不在正常范围内，或者发现电池包内的电路信息异常时，BPU发送控制触发器触发的指令至BMU，BMU接收、执行该指令，从而导致灭火剂激活，在电池包内部产生具有灭火效能的气溶胶，实现电池包内灭火或者火灾预防。

实施例2：

本实施例中，如图2所示，储能电池集装箱包括集装箱体与5个电池簇。每个电池簇包括8个电池包。每个电池包采用实施例1中的电池包。每个电池簇中，8个电池包通过串联方式连接在一起。

如图2所示，储能电池集装箱中，电池管理系统为三级架构，自下而上分别是：从控模块(BMU)、主控模块(BPU)与总控模块(BMS)。每个电池包设置一个BMU，用于对该电池包内各个电池单元进行检测与管理

用于检测对应电池包内各电池单元的参数信息以及电池包内的其他电路信息，并将检测得到的信息发送至BPU；每个电池簇设置一个BPU，用于接收对应电池簇的各BMU的信息，BPU可根据所述信息向某个或者多个BMU发送用于管理、控制对应电池包的指令，相应的BMU接收、执行该指令。当某BPU接收来自对应电池簇的BMU的信息后发现某个或者多个电池包的信息异常时，例如，电池单元的温度、电压、内阻等中的一种或者多种参数数值不在正常范围内，或者单位时间内参数数值变化不在正常范围内，或者发现电池包内的电路信息异常时，BPU发送控制触发器触发的指令至相应的电池包的BMU，BMU接收、执行该指令，从而导致灭火剂激活，在相应的电池包内部产生具有灭火效能的气溶胶，实现电池包内灭火或者火灾预防，而其他未发现信息异常的电池包内的灭火剂未被激活。

各BPU将信息发送至BMS，BMS接收各BPU发送的信息，可根据所述信息向各BPU发送用于管理、控制对应电池簇的指令。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。