一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法

本发明属于锂电池，尤其涉及一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法。

背景技术：

1、锂离子电池凭借其高能量密度，长循环寿命等性能优势，被广泛应用于储能领域。随着储能电站规模的不断庞大，锂电池所带来的安全隐患也越来越成为人们所关注的焦点。现有的储能电站为了提高锂电池的能量利用率，其内部空间排布十分紧密，一旦锂离子电池出现热失控，就会造成一系列的连锁反应从而造成不可逆的损失。目前主要的热失控抑制方法主要停留在热失控的中晚期，其不足之处在于无法获取电池的内部状态信息，进而无法对热失控事件的发生做出及时有效的早期抑制措施，这种中晚期的热失控抑制方法仍然会造成储能系统的不可逆损坏。因此，如何获取电池内部状态信号，并同时更早的做出热失控抑制措施成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法，通过对锂电池内部信号的测量，锂电池热失控状态的早发现，早处置，对单体异常电池进行降温冷却，避免锂电池热失控发展至中晚期。本发明还能够实现由高压气体供气将所述异常单体弹射出电池箱，避免异常电池的热失控传播，确保其他电池正常使用。所述锂电池热失控发展早期指电池温度处于80～100℃，所述锂电池热失控发展中晚期指电池温度处于100℃以上。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统，包括储能电池柜、水流冷却单元、单体弹射装置、高压气源、液氮增压冷却单元、内植传感器监测预警单元和控制单元。所述储能电池柜内布设多个电池组存放槽，锂电池组放置于所述电池组存放槽内；所述水流冷却单元包含电池单体之间的液冷板、入流主管、回流主管、入流支管、回流支管和水泵。所述入流主管一端与所述水泵连通，一端连通所述电池柜。电站中每一个所述电池簇内均连接有入流及回流支管，入流支管的出液口与液冷板入口相连，液冷板出液口与回流支管相连通。入流支管与回流支管的另一端分别与入流及回流主管连通，所述回流主管与水泵相连通。所述液氮增压冷却单元包括泄压口、液氮杜瓦罐、液氮入流管路、驱动气体罐组、气体入流管路和与管路连接的电磁阀。所述与液氮杜瓦罐连接的入流管路一端与杜瓦罐出液口连通，一端与歧管连接后与模组顶盖板内流道进液口连通。所述驱动气体瓶组入流管路一端与气瓶出气口连通，一端与杜瓦罐加压口连通，所述电磁阀安装于每一个管路之间。所述内植传感器监测预警单元包括每一个电池单体的内部植入的传感器、传感信号处理模块和电池管理系统bms系统。所述传感器安置于电池壳体内部，位于电池顶盖下侧，所述传感信号处理模块安装于每一个电池模组内，所述单体弹射装置用于将所述电池箱中的热失控单体弹出，所述高压气源向所述单体弹射装置提供高压气体，所述高压起源瓶口连接有电磁阀，所述bms系统安装于所述每一个电池模组内；所述监测预警单元与所述控制单元连接。所述控制单元用于控制液氮增压冷却单元和单体弹射装置的开启与关闭。

4、作为优选，冷却介质为液氮，由于液氮本身沸点温度低达到-196℃，同时其为非导电介质，同时由于其汽化潜热能够达到200.5kj/kg，能够在5分钟之内对温度达到80℃的电池完成0℃以下的降温效果，防止异常电池进入热失控中晚期甚至爆燃，从根本上杜绝安全事故发生。

5、作为优选，液氮的主要喷射位置处于锂电池的极耳处，由于极耳主要为金属连接件，热导率高达386w/(m·k)，通过此处降温可以利用高热导完成热失控早期抑制。

6、作为优选，根据式(1)至(4)计算液氮冷却的换热系数和冷却能量：

7、

8、

9、

10、pc＝h·ab·(tw-ts)                         (4)

11、其中，r为液氮的汽化潜热，g为重力加速度，ρv为液氮蒸汽的密度，ρl为饱和液氮的密度，λv为液氮的导热系数，tw为电池表面的温度，ts为液氮的温度，ηv为液氮的动力粘度，db为电池的厚度，hc为电池对流换热系数，hr为电池辐射换热系数，ab为电池极耳处的截面积，ε是电池极耳处的表面发射率。

12、作为优选，所述电池为层叠式或卷绕式电池，电池包括依次层叠设置的正极片、正极材料层、隔膜、负极材料层和负极片。

13、作为优选，所述水流的入流主管、入流支管、回流主管、回流支管、驱动气体瓶组管路、液氮出液管路和歧管上均安装有电磁阀门，所述电磁阀与所述控制单元连接。

14、作为优选，所述的内植传感器为多维信号传感器，用于获取电池内部多维状态信号，所述多维状态信号包括温度、气压、应变。

15、作为优选，所述bms电池管理系统用于引入多维传感数据，并结合电池电压数据进行电池状态监测和热失控早期预警。所述多维传感数据包括电池内部气压、温度、应变和气体数据。

16、作为优选，所述单体气动弹射装置由所述bms电池管理系统控制，且外接所述高压气源。

17、作为优选，所述卡扣式集流排将两个相邻单体电池正负极串联，在所述气动弹射装置的作用下，所述卡扣式集流排与单体电池分离。

18、作为优选，所述电池模组前端均设有泄压口。

19、本发明还公开一种锂电池内部信号状态调控方法，基于所述一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统实现。所述一种锂电池内部信号状态调控方法，包括以下步骤，

20、步骤一：锂电池工作状态出现异常，内部传感信号检测到异常信号，经由信号处理模块传递至电池管理系统bms系统；

21、步骤二：当接近预警阈值，即电池内部温度达到60℃以上时，电池管理系统bms系统将异常温度信号及异常电池编号传递至控制单元，控制单元此时按照优先液冷板降温的逻辑打开水流冷却单元的水泵及水流入流及回流流道的电磁阀，进行以水为介质的冷却板电池冷却。

22、步骤三：当在液冷板工作的情况下，达到或超过预警阈值，即电池内部温度大于等于80℃时，电池管理系统bms系统判定电池工作异常并将异常信息传递至控制单元根据内置的控制逻辑，驱动液氮增压冷却单元开始工作，打开驱动气体瓶组端的电磁阀，将高纯氮气输送至杜瓦罐中对液氮空间进行加压，同时关闭液冷板的水流循环管路阀门，当压力到达预定值之后，打开液氮出液端电磁阀，控制单元根据异常信号及电池编号定位传感器所对应的电池位置，打开对应电池的液氮支路电磁阀，实现液氮从顶盖支路正对电池正负极耳的喷射冷却，同时打开模组前端泄压口进行氮气泄压。

23、步骤四：若异常锂电池温度信号降至0℃下之后，等待四至五分钟后，信号仍未出现异常，控制单元则将液氮增压冷却单元关闭，液氮增压冷却单元工作结束。

24、步骤五：当电池模组内异常电池热失控信号仍然复发，即在液氮增压冷却单元关闭之后电池单体的温度重新升回80℃以上，此时控制单元将控制高压气瓶的电磁阀打开，通过气体的高压驱动异常电池所对应的气动推杆将异常单体弹出模组，避免异常电池的热失控复发和传播向其他正常电池，确保其他电池正常使用。

25、有益效果：

26、1、本发明公开的一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法，通过内植传感器监测单元对电池进行内部温度，气压，应变的信号监测，当识别到电池的内部温度到达60℃以上时，控制单元控制水流冷却单元开启，水流通过放置在每两个单体电池大面之间的冷却板对电池进行水冷降温，实现对电池柜内的锂电池进行的预降温处理，实现通过初步降温的电池异常排查。本发明能够排查电池是否产生高温异常，具有高效率、成本低、操作简单、易实现的优点。

27、2、本发明公开的一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法，由于液氮不导电、汽化潜热高、沸点温度低、气化后的氮气具备隔绝氧气的特性，是一种绝佳的锂电池冷却剂，另外在对电池进行液氮冷却喷射时，主要针对电池的极耳位置进行喷射，因为极耳处为高导热率的金属构件，导热效率高，配合液氮能够明显提高冷却效率。

28、3、本发明公开的一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法，通过内植传感器监测预警单元的存在，可以通过电池内部温度，气压，应变的信号监测在电池出现异常的早期进行监测预警，配合液氮增压冷却单元，能够将异常电池抑制在热失控发生的早期，所述早期指电池单体温度处于80～100℃区间内，有效防止异常电池进入热失控中晚期，所述中晚期指电池单体温度大于100℃，防止热失控电池在电池柜内传播，保证其他电池正常保存和使用，提高所述一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统的容错率。

29、4、本发明公开的一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法，由于每个管路都设置有电磁阀，尤其是液氮歧管与模组顶盖连接端的多电磁阀设置，能够实现对单体电池的精准定位冷却，针对性强，减少对整个电池箱内电池全体液氮喷淋的冷却剂消耗。

30、5、本发明公开的一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法，在液氮增压冷却单元工作结束之后，异常电池仍然出现异常信号，如温度达到80℃以上时，控制单元将控制单体电池弹射装置开始工作，将异常电池单体进行高压气体驱动下的弹出，此步骤作为所述锂电池内部信号测量及状态调控的系统的底线保障，能够有效避免单体热失控导致的模组内连环效应。

31、6、本发明公开的一种用于锂电池内部信号测量及状态调控的系统及方法，应用范围包括电池柜、储能电站、电池簇、电池模组。