一种小型电池模组冷却系统及控制方法

本发明涉及消防安全，具体涉及一种小型电池模组冷却系统及控制方法。

背景技术：

1、锂离子电池由于具有可快速充放电、高能量密度、循环寿命长和电压平台高等优点而被广泛应用于手机、笔记本、照相设备及医疗植入设备，近年来随着碳中和的需求使其在新能源汽车、储能电站、航空航天及军工等领域也有着广阔发展前景。

2、由于锂离子电池能量密度大，且内部电极、电解液等均为易燃材料，使得其安全性较差，一旦发生热失控，火焰较难被扑灭。锂离子电池在温度过高及热失控过程中会产生co、h2、ch4、so2等可燃气体和助燃气体o2，这些气体一方面会加剧锂离子电池及模组爆燃剧烈程度，另一方面会危害驾乘人员健康，污染生态环境。因此，及时将电池排出的可燃气体和助燃气体进行收集，可以有效降低热失控剧烈程度。

3、当前新能源汽车电池包中的电池模组结构较为庞大，而一个电池模组中电池与电池之间往往不能做到很好的热隔绝，因此较大的电池模组发生热失控时剧烈程度较大，火势一旦蔓延将很难扑灭，最终导致整个电池包的热失控。

4、鉴于上述分析，采用小型电池模组布局，集可燃气体收集并根据电池温度采取不同冷却灭火策略，对于降低模组火灾发生及蔓延具有重要意义。

技术实现思路

1、针对目前所应用的大型电池模组结构热失控控制难度较大的问题，本发明提供一种小型电池模组冷却系统及控制方法。本发明采用一种小型电池模组结构，可以实时检测模组中每块电池的温度和泄压阀喷射情况，当温度传感器和气体传感器检测到模组中有任何一块电池出现温度过高和泄压阀气体喷射时，启动水基灭火剂加压阀和气体加压阀，在收集可燃气体的同时使整个电池模组淹没在水基灭火剂中，有效控制单个电池热失控火势蔓延；当模组中有一块电池热失控无法避免时，将启动水基灭火剂循环冷却，通过一套制冷循环对水基灭火剂进行持续循环冷却，在此过程中，可燃气体仍不断地被抽吸收集，避免可燃气体在模组中富集。本发明采用小型模组结构设计，集可燃气体抽吸收集和水基灭火剂浸泡、循环冷却于一体，可有效控制整个电池包的热失控火势蔓延。

2、为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、一种小型电池模组冷却系统，包括一套水基灭火剂循环灭火系统、一套可燃气体抽吸收集系统及一套冷却灭火剂系统。

4、所述水基灭火剂循环灭火系统包括电控单元1、水基灭火剂箱3，连接在水基灭火剂箱出口处的水基加压阀4，灭火剂经加压阀加压后灌入小型电池模组6，当不能有效阻止单个电池热失控时，启动回路加压阀11，水基灭火剂流经水基灭火剂收集箱10后经过换热器12降温，再经三通阀5重新回到电池模组中周而复始循环冷却；

5、所述水基灭火剂循环灭火系统中电池模组6中包含16个单体电池，每块电池上安装有温度传感器8，当检测到温度异常时将信号a发送给电控单元1；

6、所述电控单元1将信号d发送给水基加压阀4控制水基加压阀4的开度；

7、所述电控单元1将信号c发送给回路加压阀11控制回路加压阀11的开度；

8、所述换热器12入口处安装有灭火剂温度传感器19用以监测流入蒸发器18的灭火剂温度；

9、所述水基灭火剂收集箱10用于存储冷却电池后的灭火剂；

10、所述可燃气体抽吸收集系统包括安装在电池泄压阀处的气体浓度传感器7，模组上的气体分离器13用于分离整个模组中的可燃和有害气体，与此同时气体收集管路上的气体抽吸泵14工作，将模组中产生的气体持续泵入气体收集罐15中；

11、所述可燃气体抽吸收集系统还包括安装在气体收集罐15上的压力表16，用以实时监测罐内压力，当收集罐压力达到上限后，将信号e反馈至电控单元1，电控单元1发出信号f启动泄气阀17，释放罐内压力；

12、所述气体浓度传感器7检测到电池泄压阀喷射出的可燃气体后，将信号b发送给电控单元1，电控单元1根据收到的信号b分析喷射气体的浓度；

13、所述电控单元1通过发送信号g控制气体抽吸泵14的开度；

14、所述冷却灭火剂系统包括一套制冷系统20及电控单元2；

15、所述电控单元1通过收到的信号a分析电池温度变化率，当检测到温度变化率大于2℃/min时发送信号h给电控单元2；

16、所述换热器12入口处的灭火剂温度传感器19发送温度信号q给电控单元2，电控单元2接收信号q分析灭火剂温度；

17、所述电控单元2发送信号p给制冷系统20，调整整个制冷系统的运行功率；

18、本发明中一种小型电池模组冷却系统的控制方法如下：

19、(1)当温度传感器8检测到电池温度低于70℃时，电控单元1接收到信号a并判定锂离子电池处于正常工作状态，并发出信号d使水基加压阀4停止工作，发出信号i使回路加压阀11停止工作，发出信号g使得气体抽吸泵14停止工作，整个冷却装置处于非工作状态；

20、(2)当温度传感器8检测到电池单体9温度高于70℃时，此时温度若再继续升高则有可能使得隔膜发生收缩，将信号a发送至电控单元1，电控单元1将信号d发送至水基加压阀4，在70～110℃范围内使水基加压阀4开度在0～40％范围内线性变化，泵送水基灭火剂至小型电池模组6中，在此过程中，电控单元1持续接收信号a以判定电池温度是否有效得到降低，当电池温度变化率以≥5℃/min的速度下降时，电控单元1发送信号d关闭水基加压阀4；若电池温度下降速率未达到5℃/min，则由电控单元1发送信号c给回路加压阀11，保持回路加压阀11开度100％，同时由电控单元1发送信号h给电控单元2，电控单元2发送信号p控制制冷系统运行功率在0.1～0.5kw变化，变化方式根据电池温度下降速率0～5℃/min呈反比例线性变化；

21、(3)当温度传感器8检测到电池单体9温度高于110℃时，此时温度若再继续升高则有可能使电池泄压阀被顶开，进而导致电池自产热的发生，温度传感器8将信号a发送至电控单元1，若电控单元1经处理信号a后未发现电池自产热，则发送信号d使水基加压阀4开度保持50％不变，若检测到电池自产热，则开度由50～80％范围内依据自产热温度变化率0.02～2℃/min线性变化，同时，电控单元1发送信号c给回路加压阀11，控制其开度为100％，电控单元1发送信号h给电控单元2，电控单元2处理信号后发送信号p给制冷系统20，控制制冷系统压缩机以0.5～2.5kw运行，运行功率调整方式遵循公式y＝3.398x2+0.206x+0.496，其中x为温度变化率，y为制冷系统压缩机运行功率；

22、(4)当安装在电池泄压阀处的气体浓度传感器7检测到有气体喷射出时，发送信号b给电控单元1，电控单元1分析信号b计算得到气体浓度，进而由电控单元1发送信号g控制气体抽吸泵14的开度，当气体浓度在0～500ppm时，气体抽吸泵14的开度为0～100％线性增大，高于500ppm时持续以最大开度运行，压力表16持续将压力信号转变为电信号e发送给电控单元1，电控单元1检测到压力值高于2mpa后发送信号f给泄气阀17，释放气体收集罐15中的压力；

23、(5)当温度传感器8检测到电池单体温度高于110℃且自产热温度变化率高于2℃/min，认为该电池热失控已不可避免，温度传感器8将信号a发送至电控单元1，电控单元1经处理信号a后检测到温升速率已达到2℃/min，发送信号d使水基加压阀4保持最大开度，同时，电控单元1发送信号c给回路加压阀11保持其开度为100％，电控单元1发送信号h给电控单元2，电控单元2处理信号后发送信号p给制冷系统20，制冷系统20以满功率3.5kw运行，同时换热器12内的灭火剂温度传感器19不断将温度信号q发送给电控单元2，保持流出换热器12并参与再循环的水基灭火剂温度在30～40℃。

24、本发明的有益效果是：针对目前所设计的大型电池模组结构热失控控制难度较大的问题，本发明提供一种小型电池模组冷却系统及控制方法，通过缩小电池模组，增设气体收集及时抽吸电池喷射出的可燃气体，并采用水基灭火剂循环冷却流动的方式来达到有效控制电池模组火灾蔓延的作用。当检测到电池温度在70～110℃之间时，控制水基加压阀以较小的开度使水基灭火剂浸泡电池模组，使电池有效降温；当电池温度高于110℃且未出现自产热时，进一步增大水基加压阀开度，出现自产热时启动灭火剂循环冷却，并根据自产热速率调节循环冷却系统运行功率；在以上任一工况中，当检测到电池有气体喷射而出时，启动可燃气体抽吸收集系统，及时将可燃气体从电池模组中抽吸出来，达到避免可燃气体增大热失控火焰蔓延程度的目的。