CN110828935B - 一种锂离子电池电动汽车安全防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种锂离子电池电动汽车的安全防护方法，其主要包括二级响应模式。一级响应为锂离子电池异常产热升温时的快速降温，二级响应为锂离子电池热失控时的高效灭火及降温。一级和二级响应采用相同的硬件设计，主要包括泵组、喷头、冷媒、温度传感器、CO传感器和控制单元等。本方法基于锂离子电池电动汽车的电池包设计，其可针对锂离子电池热失控的孕育和发展过程中的不同特征，通过热失控前的降温、热失控时的灭火及灭火后的降温，多位一体，对电池安全进行多层次、全方位的防护。

Description

一种锂离子电池电动汽车安全防护方法

技术领域

本发明属安全技术领域，涉及电动汽车安全防护方法，特别是包含一种可对电动汽车转配的锂离子电池热失控实现二级响应的安全防护方法。

背景技术

近年来，随着全球气候变暖，雾霾天气等环境问题的出现，各国对新能源行业的需求量越来越大。而锂离子电池凭借其能量密度大，自放电率低等优良性能，成为新能源行业的佼佼者。现阶段，我国的锂离子电池及锂离子电动汽车的年常量均呈现出逐年上升趋势。但由于锂离子电池的特殊性质，当锂离子电池处于滥用状态时，其极易形成积热条件，促使电池内部发生不可逆转的分解反应，在短时间内释放出大量热量及可燃气体，一旦可燃气体被引燃，电池温度呈现出指数增长，即认为电池发生热失控。现阶段，电动汽车火灾事故呈现出逐年上升趋势，因此，电动汽车内装配的锂离子电池安全防护问题是一个亟待解决的技术难题。在锂离子电动汽车上配置高效智能的安全防护策略对电动汽车的安全高效运行具有重要意义。

目前，锂离子电池电动汽车的安全防护策略大多集中于被动防护方面，而主动防护策略较少。现阶段存在的锂离子电池安全防护策略主要有以下不足：(1)现有锂离子电池安全防护策略大多在电池热失控后动作，无法有效预防或抑制热失控的发生。(2)现有的安全防护方法中多以扑灭明火为目标，未考虑明火扑灭后电池表面仍然较高温度的特点。即电池明火熄灭后，同一模组的未热失控电池间仍存在热失控传播的可能性。(3)现有锂离子电池安全防护策略中灭火***大多只针对单一的电池模组，电池明火极易扩散至临近正常工作的模组。

本发明针对锂离子电池热失控的特点，提出了一种更为智能化、***化和高效化的安全防护方法，即本安全防护方法具备两级响应，可实现在电池异常产热时快速外部降温干预；在电池热失控时快速熄灭明火，以及在明火熄灭后快速降温的多位一体化安全防护设计。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种锂离子电动汽车的安全防护方法，在锂离子电池热失控的孕育和发展过程中，通过实施热失控前的降温、热失控时的灭火及灭火后的降温等多种响应策略，对电池安全进行多层次、全方位的防护。本发明解决的问题是：提出一种锂离子电池电动汽车安全防护方法，在电池热失控前期异常产热时提前进行干预，通过冷媒带走电池热量，预防电池热失控的产生。进一步，当电池热失控发生时，灭火介质通过喷头释放到着火点，快速熄灭电池明火。最后，电池明火被熄灭后，再次释放冷媒，带走灭火后电池产生的热量，防止热失控在同一模组不同电池间乃至不同模组间的传播。

为了解决上述问题并实现上述目的，本发明的技术方案为：一种锂离子电池电动汽车的安全防护方法。本安全防护方法主要包括两级响应机制，分别为一级响应：锂离子电池异常产热时的快速降温；二级响应：锂离子电池热失控时的高效灭火及快速降温。

一级响应为锂离子电池异常产热时的快速降温。对于电池管理***，其工作范围的上限为60℃，一旦电池温度超过电池管理***的上限，电池管理***会降低功率或关闭。因此，一级响应主要针对的是异常产热的电池。一级响应功能的实现主要依靠泵、喷头、冷媒、温度传感器、控制单元等硬件装置。

进一步的，泵的选型应根据冷媒的释放压力要求与喷头雾化要求共同确定。泵出口压力的计算应根据下式(1)：

P＝H·ρ   (1)

其中，H为水泵的扬程，m；P为出口压力，Pa；ρ为冷媒的密度，kg/m³。

进一步的，喷头应选用雾化喷头。

进一步的，本方法中，冷媒与灭火介质均选用全氟己酮。全氟己酮常温下是一种无色透明液体，适合运输和储存，无泄漏风险。全氟己酮的吸热量大，且绝缘性好，十分适合冷却正常工作状态下的电池。同时，全氟己酮的蒸气压为水的12倍，其释放后可迅速气化，扩散至灭火空间，特别适合扑灭腔体内火灾。

进一步的，为使测温更为准确，本部分使用的温度信号由BMS***与温度传感器共同提供。

进一步的，为使测温结果更为准确，温度传感器为接触式温度传感器。其布点应位于电池的汇流排处。

进一步的，控制单元接收温度传感器与BMS的信号，判断后向泵发出信号，控制全氟己酮冷媒的释放。同时，向BMS发出故障信号，要求驾驶员及时停车疏散乘客检查。

进一步的，开启预设温度一般为SEI膜分解的温度。根据不同的材料体系，SEI膜分解的温度略有变化。现阶段，公认的SEI膜分解的温度约为70～80℃左右，因此，为了减少对电池的不可逆损伤且尽量降低误报的概率，本部分降温***的开启温度为80±10℃。本部分的判断条件如下式(2)所示：

[T_BMS,T_sensor]_max>80±10℃   (2)

其中，T_BMS为BMS***检测到的最大电池温度，℃；T_sensor为温度传感器检测到的最大电池温度，℃；[]_max运算为取最大值运算；

进一步的，冷媒的用量应根据电池的产热量计算。本部分，为节省灭火剂的成本，以单体电芯的灭火剂用量计算。如下式(3)-(4)所示：

c·m·ΔT₁＝Q_C6F12O   (3)

其中，c为电池的比热，一般为1.1kJ/kg·℃；m为电池质量，kg；ΔT₁是电池温度下降，此处为45℃；

Q_C6F12O＝Q₁+Q₂   (4)

其中，Q_C6F12O为全氟己酮吸收的总热量，Q₁为全氟己酮的潜热，Q₂为全氟己酮的显热，其计算分别根据公式(5)-(6)计算：

Q₁＝C·W·ΔT₂   (5)

Q₂＝γ·W    (6)

其中，C为全氟己酮的比热，为1.013kJ/kg·℃；W为冷媒用量，kg；ΔT₂是全氟己酮的温升，此方法中为24.5℃。γ为全氟己酮的汽化热，为88.0kJ/kg。

进一步的，冷媒释放结束后，电池可能伴有温度回升过程，因此，本部分设置有反馈降温机制。即每次降温完成后，控制器均会接收到BMS的温度信号，当接收到的温度信号大于预设值时，降温***会再次启动，直到控制器接收到的温度小于或等于预设值时，降温***不再工作。反馈部分所需冷媒用量在实施例部分另作介绍。此反馈多次降温功能可保证降温***的有效性，将热失控阻断在孕育阶段。

进一步的，如果对于某些电池***，当***温度高于60℃时，其BMS***关闭，此时可设置单独的温度监控装置，采用消防***供电，代替BMS***实现监控温度的功能。

进一步的，当一级响应所释放的全氟己酮的量超过两级响应总设计量的15％时，为防止二级响应的全氟己酮用量不足，一级响应不再进行反馈降温。当一级响应失效时，若此时换热条件不变，电池温度极可能进一步上升，进而触发电池内部一系列反应，电池温度继续升高并产生一系列的特征气体。当电池表面温度和CO浓度到达二级响应的阈值时，二级响应触发。

二级响应为锂离子电池热失控时的高效灭火及快速降温。二级响应主要对应电池热失控后的安全防护。二级响应功能的实现主要依靠泵、喷头、灭火介质、BMS***、温度传感器、CO传感器、控制单元等硬件设备。

进一步的，二级响应中使用的泵、喷头、灭火介质均与一级响应相同。即为了减少***的复杂性，各级响应的区分在软件层面实现，各级响应使用同一套硬件控制***。

进一步的，二级响应由温度传感器、CO传感器和控制单元触发。

进一步的，温度触发信号由温度传感器和BMS***共同提供。温度触发信号主要包括温度绝对值及温升速率。

进一步的，二级响应的触发温度绝对值为150～200℃，温升速率为1.0℃/s。不同体系电池的热失控温度绝对值不同，应根据实际情况灵活调整。二级响应的触发CO浓度根据实验腔体决定。

进一步的，发生电池热失控的模块内全氟己酮灭火剂的用量应根据以下方法确定：

现阶段全氟己酮熄灭锂离子电池电解液火灾的灭火浓度约为6.2％～6.7％，根据灭火浓度，灭火剂用量W₁应根据NFPA2001的规定如下式(7)：

W₁＝(V/S)[E/(100-E)]   (7)

其中，E是灭火浓度，％；V是保护区体积，m³；W是灭火剂用量，kg；S是灭火剂过热蒸汽在101kPa大气压和防护区最低环境温度下的比容，m³/kg,其应该根据下式(8)计算：

S＝0.0664+0.0002741t   (8)

其中，t是最低环境温度，℃。

进一步的，本方法中，为留有安全余量，灭火浓度设计为8％。

进一步的，二级响应触发后，为防止电池明火在温度不同电池箱间的传播，所有电池箱内同时喷射全氟己酮灭火剂，且将每个电池箱的灭火浓度均喷射至8％，按现有的理论，当全氟己酮浓度达到8％时，腔体内将无法支持明火燃烧。

进一步的，默认灭火剂释放完毕后即达到灭火浓度，此时明火消失。此时，在发生热失控的模块内再次释放出灭火剂，带走灭火后电池的热量，加快灭火后电池的降温，防止电池复燃及热失控的传播。

进一步的，每路释放线路均安装有单向阀，防止灭火剂的回流。

进一步的，为防止大范围火灾将分控制器烧坏，单向阀为定制的电池控制的常开式单向阀。

进一步的，电磁单向阀由分控制器控制。

其中，为了减少多个电磁阀工作过程中产生的电磁干扰，对每个电池阀进行电磁屏蔽并接地。

进一步的，二级响应部分，灭火剂的用量可根据下面两种方法计算。

方法一：可根据电池热失控过程中的产热和灭火剂的吸热二者平衡进行计算。如下式(9)所示，

Q_t1＝Q_C6F12O＝112.8185W₂   (9)

其中，Q_C6F12O为全氟己酮吸收的热量，kJ；Q_t1为电池热失控过程中释放出的热量，kJ；W₂是根据热失控产热热平衡计算的全氟己酮的用量，kg。

进一步的，相对实际情况来说，由于未考虑全氟己酮对电池热失控抑制后电池内部反应的减弱造成的产热减少，因此本方法计算的W₂相对于实际情况来说，其用量偏大。

方法二：可根据电池火焰被抑制后能达到的峰值温度下降到期望温度所释放出的热量和灭火剂吸热二者平衡进行计算。如下式(10)所示，

Q_t2＝Q_C6F12O＝112.8185W₃   (10)

其中，Q_C6F12O为全氟己酮吸收的热量，kJ；Q_t2为电池火焰被抑制后所能达到的峰值温度下降到期望温度所释放出的热量，kJ；W₃是根据降温产热热平衡计算的全氟己酮的用量，kg。

进一步的，实际工程应用中，可根据给消防***预留的空间，消防***成本和电池体系等多方面影响因素综合决定选择降温所用灭火剂用量。

进一步的，灭火剂和冷媒的用量通过控制泵的开启时间决定。泵开启时间可由下式(11)进行计算。

t＝W/Q   (11)

其中，W为灭火剂的用量，kg；Q为的泵的质量流量，kg/s；t是时间，s。

本发明的优点在于：1、本装置在热失控的孕育和发展等多个阶段均对热失控进行了有效的防护。本装置可实现对锂离子电池的多层次、全方位的防护。2、本装置在热失控前采用全氟己酮喷雾反馈降温。大大提高了冷却的效率和成功率，可以有效控制电池的异常温升。且全氟己酮释放后不会产生烟气和有毒气体，进而不会对正常工作电池造成伤害。在保证***正常运行的同时可防止降温***引起乘客的恐慌。3、本装置在灭火阶段采用所有电池箱内喷头同时喷射的方式，有效抑制热失控在不同电池箱间的传播。

附图说明

图1为乘用车锂离子电池***安全防护策略流程图；

图2为两级响应控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

当电池箱内温度传感器或是BMS***会检测到电池表面温度超过80±10℃时，此时判定电池为为异常升温，一级响应触发。BMS***将向主控制器发出电信号，随后，主控制器通过CAN总线将信号发送给各级分控制器和泵。由于所有的电磁单向阀均为常开设计，因此，此时，除发生异常升温的电池箱内的分控制器外，其余分控制器都会收到主控制器的信号，动作后关闭电磁阀，以防止灭火剂释放到其他电池箱造成不必要的损失，降低冷却效率。

一级响应中，为了提高冷却效率，我们设计了反馈降温机制。即每次降温完成后，控制器均会接收到BMS的温度信号，当接收到的温度信号大于预设值时，降温***会再次启动，直到控制器接收到的温度小于或等于预设值时，降温***不再工作。此反馈多次降温功能可保证降温***的有效性，将热失控阻断在孕育阶段。

值得注意的是，多次反馈冷却中，由于每次降温后电池会回升到的温度不同，因此每次降温所需要的灭火剂的用量不同。结合上文的(3)-(6)式，每次冷却所需要的灭火剂的用量如下式(12)所示：

W_cool＝c·m·(T_x-60)/(C·ΔT₂+γ)   (12)

其中，W_cool为每次冷却所需要的灭火剂的量，kg；c为电池的比热容，kJ/kg·℃；T_x为每次BMS反馈的温度，C为灭火剂的比热容，kJ/kg·℃；ΔT₂是全氟己酮的温升，此方法中为24.5℃。γ为全氟己酮的汽化热，为88.0kJ/kg。

值得注意的是，从反馈控制所需的灭火剂的量考虑，本部分冷媒采用过量设计。为了简化控制，灭火剂的剂量将根据泵开启的时间决定。泵开启的时间如下(13)所示：

t＝∑W_cool/Q   (13)

其中，W_cool为降温灭火剂的用量，kg；Q为的泵的质量流量，kg/s。t是时间，s。

当一级响应无法有效抑制电池温度升高时，电池温度会进一步升高，直至安全阀打开或发生热失控，此时就需要二级响应，即电池热失控后的快速灭火与降温。如果一级响应无法有效阻断电池温度升高，电池温度快速上升，此时异常升温就可能继续发展成为热失控。

电池热失控后，电池释放出大量的高温烟气，且极有可能形成射流火。此时，电池可能释放出大量的CO气体，且电池表面温度呈现出指数上升，电池表面温度绝对值和温升速度都保持在极高的水平。因此，我们利用电池热失控的这个特点触发二级响应。

此方法中使用CO浓度辅助电池温度及温升速率变化作为二级响应的触发信号。为了防止CO在热失控过程中燃烧耗尽，本方法中使用温度绝对值和温升速率作为主要触发信号，即使CO浓度未达到阈值，二级响应也会触发。使用CO浓度辅助温度绝对值和温升速率作为触发信号的原因是将预警的时间提前。

二级响应触发后，控制器将向泵发出指令，泵启动。t₂后，控制器向除异常电池包的分控制器外的所有分控制器发出信号，电磁阀接收到分控制器信号，常开电池阀关闭。t₂可根据下式(14)计算：

t₂＝(n*W₁)/Q   (14)

其中，n为电池包的总数目，个；W₁为按灭火浓度计算的单电池包灭火剂的用量，kg；Q为的泵的质量流量，kg/s。t是时间，s。

此动作的意义主要有二，其一，此时防止热失控的电池包的高温高压气体冲窜到其他未失控电池包引发相关电池的失控；其二，可以防止全氟己酮的不必要损失。

本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种锂离子电池电动汽车安全防护方法，其特征在于：该安全防护方法主要包括两级响应，分别为锂离子电池异常产热时的快速降温，以及锂离子电池热失控时的高效灭火和快速降温；

一级响应为锂离子电池异常产热时的快速降温；一级响应的主要作用是在电池产生异常升温时，快速释放出高效降温冷媒，带走电池热量，防止电池异常升温而发展至热失控；一级响应的硬件装置主要由泵组、喷头、冷媒、温度传感器、控制单元组成；

二级响应为锂离子电池热失控时的高效灭火及快速降温；二级响应的主要作用是电池发生热失控时，在短时间内控制电池明火，减少电池射流火对电池***的破坏；一方面，在其他未发生失控的电池模块内释放灭火介质，防止明火在电池仓内的传播和蔓延；另一方面，在电池明火熄灭后，释放高效冷却介质，对灭火后的电池进行快速降温，防止热失控在模块内不同电池间乃至不同模块间传播；二级响应的硬件装置包括喷头、储罐、输送管路、灭火介质、温度传感器、CO传感器、控制单元；

本方法中使用的冷媒与灭火介质均为全氟己酮；全氟己酮释放后吸收大量的热量；

冷媒的用量应根据电池的产热量计算，针对单体电芯的灭火剂用量计算，如下式3-4所示：

c·m·∆T₁= Q_C6F12O              式3

其中，c为电池的比热，为1.1kJ/kg·℃ ；m为电池质量，单位为kg；∆T₁是电池温度下降，此处为45℃ ；

Q_C6F12O= Q₁ + Q₂              式4

其中，Q_C6F12O为全氟己酮吸收的总热量，Q₁为全氟己酮的潜热，Q₂为全氟己酮的显热，其计算分别根据式5-6计算：

Q₁= C·W·∆T₂             式5

Q₂=γ·W                         式6

其中，C为全氟己酮的比热，为1.013 kJ/kg·℃ ；W为冷媒用量，单位为kg；∆T₂是全氟己酮的温升，此方法中为24.5℃ ，γ为全氟己酮的汽化热，为88.0kJ/kg。

2.如权利要求1所述的一种锂离子电池电动汽车安全防护方法，其特征在于：发生电池热失控的模块内全氟己酮灭火剂的用量应根据以下方法确定：

现阶段全氟己酮熄灭锂离子电池电解液火灾的灭火浓度为6.2%~6.7%，根据灭火浓度，灭火剂用量W₁应根据NFPA2001的规定如下式7：

W₁=(V/S)[E/(100-E)]             式7

其中，E是灭火浓度；V是保护区体积，单位为m³；W是灭火剂用量，单位为kg；S是灭火剂过热蒸汽在101kPa大气压和防护区环境温度下的比容，单位为m³/kg，其应该根据下式8计算：

S=0.0664+0.0002741t            式8

其中，t是环境温度，单位为℃ 。

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