避免热事件在包括多个电化学电池模块的外壳中传播的方法与流程

1.本发明涉及用于避免热事件在包括多个电化学电池模块的外壳中传播的方法的技术领域。


背景技术：

2.下文定名为“模块”的电池组模块由现有技术已知。它通常包括若干个电化学电池，在下文中也称为术语“电池”，它们通过金属隔栅彼此串联或并联电连接。这些金属隔栅的横截面足以允许模块的电池之间的高电流流动。该模块通常还包括电子电路，该电子电路用于监视和管理电池、用于测量它们的充电状态和/或它们的健康状态，特别是通过逐个电池单独地进行电压或电流测量或对一组电池进行电压或电流测量。该模块还可以包括温度控制器件。
3.多个电池组模块可以串联和/或并联连接在一起并安装在隔间中，也称为托架。隔间的尺寸通常是标准化的。例如，隔间的标准宽度可能为48.26厘米(19英寸托架)。这个隔间构成电化学储存单元，也称为“电化学储存系统单元(essu)”。多个隔间可以并联连接以增加电能的量。该组隔间可以储存在建筑物的房间或运输集装箱中。运输集装箱可以移动并安装在可再生能源附近，例如光伏电池或风力涡轮机。它储存这些能源产生的电力，并以电源的形式提供给电气或电子系统。该集装箱称为电化学储存系统或能量储存系统(ess)。
4.安装在电化学储存系统中的隔间模块的电池可能会遇到操作异常。这种异常可能是由电池内部短路引起的，也可能是由外部干扰(撞击、温度升高)或电池的电子控制和管理电路故障引起的。这种异常可能会导致它升温。这种加热可能继而导致充电电流增加，这进一步促进电池温度的增加。如果运行异常的电池没有通过冷却得到充分的处理，它就会发现自己处于热失控情况，即温度升高是由电池本身维持的。电池温度不受控制的升高会导致气体的产生及气体在电池集装箱内的膨胀。这种膨胀导致电池内部压力的增加，这将导致气体疏散安全系统的打开。如果释放出温度高达650℃的热气体，这些气体会与放在模块中的其他电池发生接触。有热失控现象传播到模块的所有电池，然后传播到隔间的所有模块，最后传播到电化学储存系统的所有隔间的风险。如果不存在防止热失控传播的方法，则整个电化学储存系统可能会被破坏。
5.用于降低热失控从一个模块电池传播到模块的另一个组件的风险的方法在于，在这些电池之间提供足够的空间或在这些电池之间安装作为热障的材料。然而，这种解决方案需要电池之间有足够的空间，并导致生产笨重的模块。因此，它会降低模块的能量密度。
6.另一种方法包括提供灭火系统(fire suppression system-fss)。这种系统在热失控情况下将灭火剂投射到一个或更多个模块上。它通常使用液态二氧化碳或液态氮作为冷却剂。
7.ep-a-1,168,479公开了一种电池组，该电池组包括其中装有八个锂离子类型电化学电池的外罩。当电池升温并且其温度超过极限值时，烟火器件会触发并控制含有灭火剂的储存容器的打开。为了冷却电池而释放灭火剂。在该文献中，无论电池与处于热失控情况
中的电池的距离如何，所有电池都被灭火剂冷却。
8.cn106684499公开了一种用于阻止包括锂离子电池/模块的电池组中的热失控的方法。电池组包括其中容纳有电池/模块的壳体。其中设置有装有灭火剂的储存容器。导管的一端连接到储存容器。导管设有多个沿导管长度均匀分布的喷嘴。喷嘴将灭火剂喷射到电池/模块上方。
9.该文献中描述的方法不会根据模块是位于热失控的引发器模块附近还是远离热失控的引发器模块来对模块进行区分处理。远离引发热失控的电池/模块的电池/模块以与引发热失控的电池/模块相同的方式喷射灭火剂。此外，在该文献中，热失控的电池/模块被喷射灭火剂以阻止热失控。然而，发现在已经处于热失控情况的锂离子类型电池/模块上喷洒灭火剂相对无效，因为非常大量的能量储存在锂离子类型电池/模块中。在电池容器/模块容器有开口的情况中以热量形式释放的能量如此之大，以至于灭火剂的流速通常不足以压制温度升高，这种巨大的能量在短时间内突然释放。如果模块的热失控不受控制，它会传播到相邻的模块，并可能导致储存系统的全部毁坏。
10.此外，已知的灭火系统不是完全有效的，因为热失控的传播不仅是由于火焰从一个电池到另一个电池的传播，而且还由于热通过对流传播以及从一个电池到另一个电池的传导传播。通过传导进行的热传导可以通过模块电池的电源电路中的金属隔栅的存在以及用于管理模块电池充电状态和健康状态的电子电路的存在来解释。这些金属组件促进热量从一个部件传递到另一个部件。此外，传统的灭火系统通常无效是因为模块中发生的热失控会由于气体的产生而导致模块外壳中的过压。这种过压防止灭火剂进入模块外壳并有效作用。
11.因此，需要一种方法，在假设发生热失控或任何其他事件导致外壳的一个或更多个模块中温度突然升高的情况下，该方法可以避免该热事件传播到放置在这个外壳中的其它模块。
12.还需要一种避免热事件通过外壳模块之间的热传导来传播的方法。
13.在掌握/控制第一个热事件之后，还需要限制在很长一段时间内再次发生热事件的风险。


技术实现要素：

14.因此，本发明提供了一种用于防止热事件在包括若干电化学电池模块的外壳中传播的新方法，所述方法包括以下步骤：
[0015]-检测一个或更多个布置在所述外壳中的受热事件影响的临界模块，当与模块状态相关的一个或更多个参数已达到或超过预定阈值时，所述模块变为临界，
[0016]-在确定的持续时间和/或以确定的流速将冷却剂分配到所述一个或更多个临界模块上或其中，
[0017]-未被检测为临界模块的一个或更多个模块不接收冷却剂。
[0018]
热事件可能已经由外壳的一个或更多个模块引发，或者可能在外壳的未被一个或更多个模块占据的位置被引发。热事件可以是外壳的一个或更多个模块中的热失控，例如由于模块的电池中发生内部短路而引起的热失控。热事件也可能是外壳内着火的开始，而着火不一定是由模块的热失控引起的。热事件也可能是一个或更多个模块的过热，过热可
能是由模块冷却系统的故障引起的。外壳的空气调节系统故障或模块充电器件故障和一个或更多个模块过度充电也可能导致过热。更一般地，热事件可以是外壳位置的任何温度升高，这导致一个或更多个模块的温度超过其标称工作范围的最大值。
[0019]
本发明基于这样的发现，即有可能通过冷却一个或更多个模块来防止热事件的传播，该模块可能受到发生在外壳的一个或更多个其他给定模块中的热事件影响或受到发生在未被一个或更多个模块占据的外壳位置的热事件影响。通过将冷却剂分配到可能受热事件影响的模块里面或上面，可以将这些模块的温度保持在低于阈值的值，超过该阈值它们可能会受到热事件的影响。因此，可以防止最初在一个或更多个给定模块中产生的热事件或已发生在未被一个或更多个模块占据的外壳位置中的热事件成为新热事件开始的起点。
[0020]
本发明基于这样的发现，即优选冷却受到热事件影响的至少一个模块的相邻模块或与发生热事件的外壳位置邻近的相邻模块，而不是在发生热事件时试图扑灭在模块中的火。
[0021]
本发明的方法解决了通过一个或更多个给定模块之间的热传导的热量传导问题。
[0022]
在一个实施例中，所述一个或更多个参数包括一个或更多个模块内的温度，其中当一个或更多个模块的温度超过预定阈值ts时，一个或更多个模块被认为是临界的。
[0023]
在一个实施例中，所述一个或更多个参数包括在一个或更多个模块内存在烟雾和/或气体，其中当烟雾和/或气体的浓度超过预定值时，一个或更多个模块被认为是临界的。
[0024]
在一个实施例中，在由所述外壳的一个或更多个模块引发的热事件的情况下，持续时间和/或流速被确定以使至少一个临界模块的温度保持在阈值温度t
max
以下，但引发热事件的模块除外。
[0025]
根据一个实施例，确定的持续时间大于或等于1小时，优选地大于或等于2小时，并且优选地小于或等于12小时。
[0026]
根据一个实施例，所述冷却剂是一种化合物，冷却效果主要通过从液相到气相的转变来获得，特别是水或二氧化碳或氮雾。
[0027]
在一个实施例中，每个模块包括具有外表面的外罩，并且冷却剂的分配在所述外表面上进行。
[0028]
根据一个实施例，每个模块包括限定内部容积的外罩，电化学电池被放置在内部容积中，并且冷却剂的分配通过注射到所述内部容积中进行。
[0029]
在一个实施例中，所述冷却剂以液体形式储存在储存容器中。
[0030]
在一个实施例中，一个或更多个临界模块的检测是通过布置在所述外壳的每个模块里面，上面，或者附近的一个或更多个传感装置来执行的，一个或更多个传感装置是温度阈值传感装置和/或温度传感器和/或烟雾或气体检测器。
[0031]
在一个实施例中，当所述传感装置检测到一个或更多个临界模块时，以立即或延迟的方式触发将所述冷却剂分配到一个或更多个临界模块上面或里面。
[0032]
在一个实施例中，当所述传感装置检测到一个或更多个临界模块时，传感装置向中央器件发送信号，中央器件控制冷却剂分配在一个或更多个临界模块上面或里面。
[0033]
本发明还提供了一种用于实施上述方法的设备，所述设备包括若干电化学电池模块，每个模块配备有能够检测模块是否是受热事件影响的临界模块的传感装置，当与模块
状态相关的一个或更多个参数已达到或超过预定阈值时，模块变为临界，所述设备包括分配装置，分配装置以确定的持续时间和/或以确定的流速将冷却剂分配到由传感装置检测的临界模块上面或里面，未被传感装置检测为临界的一个或更多个模块不接收冷却剂。
[0034]
根据一个实施例，所述设备包括用于控制分配速率的装置，冷却剂是水雾，并且用于控制分配速率的装置被配置为使得针对储存在临界模块中的每千瓦时的电能，每个临界模块的确定的流速在0.1和2kg/h之间。
[0035]
根据一个实施例，所述分配装置包括储存容器、分布网络和布置在所述外壳的每个模块上面、里面或附近的多个分配器件，冷却剂储存在所述储存容器中，储存容器通过所述分布网络连接到所述分配器件。
[0036]
根据一个实施例，所述分配装置包括用于控制所述冷却剂分配的中央器件，中央器件被配置为接收由传感装置产生的信号，并在接收到热事件的检测信号时触发将冷却剂分配到临界模块上面、里面或附近。
附图说明
[0037]
图1是表示根据本发明的设备的示意图。
[0038]
图2是表示冷却剂分配到临界模块外表面上的示意图。
[0039]
图3是表示冷却剂分配到临界模块里面和临界模块外表面上的示意图。
[0040]
图4示意性地示出了在分布网络的主动操作的示例中的设备结构。
具体实施方式
[0041]
方法说明：
[0042]
根据本发明的方法旨在避免热事件在包括多个电化学电池模块的外壳中传播。外壳可以是建筑物的房间，或专用于存放电化学电池模块的隔间的房间。外壳也可以是运输集装箱、用于将模块用作备用电源的预制庇护所，例如用于电信领域的电气/电子装备。该集装箱还可以用于运输人员或货物的系统中，例如通过铁路运输。集装箱可以具有根据iso标准的标准化尺寸。
[0043]
执行对一个或更多个被认为是临界的模块的检测，因为它们接收到从热事件的位置产生的热量、烟雾或热气体。这些模块被认为是临界模块，可能会受到热事件的影响。如果与模块状态相关的一个或更多个参数达到或超过预定阈值，则认为模块是临界的。状态参数可以选自模块的温度、烟雾量或模块周围存在的气体浓度。
[0044]
使用选自温度传感器、烟雾探测器和气体传感器的一种或更多种传感装置来执行模块临界状态的检测。在温度传感器的情况下，一个或更多个温度传感器可以设置在每个模块的表面上或每个模块中。一个或更多个温度传感器可以另外设置在模块电池的表面上，以确保更早地检测模块的临界状态。操作员预先确定了温度阈值ts，超过该阈值，模块将处于临界状态。它可以设置在150℃或200℃或250℃或300℃。此外，一个或更多个温度传感器可以放置在外壳内的不同位置，优选地尽可能靠近模块。
[0045]
临界状态的检测也可以通过气体或烟雾探测器来实现。一个或更多个传感器优选地放置在模块附近，但也可以放置在外壳中的不同位置，例如天花板。例如，响应于来自模块的组件燃烧的气体的存在而选择传感器，例如来自模块的电池的电解质的燃烧产生的气
体。操作员可预先确定气体浓度阈值，超过该阈值，模块被视为处于热事件状态。
[0046]
与引发热事件的模块相邻或位于发送热事件的外壳位置附近的模块通常被认为是临界的。在模块形成堆叠并安装在隔间中，若干隔间彼此相邻放置的构造中，临界模块通常是：
[0047]-位于引发热事件的模块上方的模块，
[0048]-位于热事件的至少一个引发器模块下方的至少一个模块，
[0049]-与引发热事件的模块处于同一高度的隔间的模块，例如，与热事件的至少一个引发器模块所在的隔间相比，位于另一个隔间上的模块，
[0050]-相对于引发热事件的模块对角放置的模块。
[0051]
将冷却剂以确定的持续时间和/或流速分配到一个或更多个临界模块上或里面。冷却剂的施用可以通过直接排放气体到一个或更多个临界模块里面或周围来执行。也可以通过喷射液态的冷却剂来进行。优选地，通过从冷却剂的第一物理状态转变到第二物理状态来获得冷却效果。由热事件产生的热流将冷却剂例如从固态转变为液态或从液态转变为气态。优选地选择具有高状态变化潜热的冷却剂。冷却剂优选地选自水、二氧化碳和氮气，或任何其他冷却剂，例如已知的或(https://statx.com/)。
[0052]
根据本发明的方法的特征之一是它以比传统方法更低的流速在通常更长的时间段内执行冷却剂的分配。这种分配模式可以在被视为临界的模块周围或里面创建冷屏障。冷屏障防止由热事件产生的热流或烟雾或热气到达临界模块并导致对临界模块的损坏。冷屏障可以进一步冷却临界模块并将它们的温度保持在它们接下来不能引发热事件的范围内。这个温度范围的最大值t
max
与模块的电池成分的工艺有关。它可以设置在120℃或100℃，例如，冷却剂的分配时间可以大于或等于1小时，优选地大于或等于2小时。它可以分配少于或等于12小时或少于或等于5小时的时间。在一个实施例中，一个或更多个临界模块的温度被维持在制造商设定的它们的标称操作范围的最大值以下。
[0053]
冷却剂的流速和分配时间取决于引发热事件的模块的电化学电池产生的热量，或取决于在未被一个或更多个模块占据的外壳位置处发生的以及不是由该一个或更多个模块引发的热事件产生的热量。如果发生模块引发的热事件，此热量取决于模块的工艺及其尺寸。通常，冷却剂是水雾，针对临界模块中储存的每千瓦时电能，分配速率为每个临界模块在0.1和2kg/h之间。
[0054]
需要注意的是，在一个或更多个模块引发热事件的情况下，这些模块也被认为是临界模块，因为它们的状态参数值总是大于预定阈值ts。因此，热事件的一个或更多个引发器模块也可以接收冷却剂，尽管冷却剂的流速或分配持续时间不足以终止它或它们发起的热事件。该方法通常处理热事件的一个或更多个引发器模块和已达到临界状态的一个或更多个模块。
[0055]
在优选实施例中，引发热失控的一个或更多个模块不接收冷却剂，因为试图扑灭热失控模块中的火通常是没有意义的。因此，根据本发明的方法并非旨在扑灭引发热事件的模块中的火灾，而是防止可能受热事件影响的模块轮流遭受热事件并防止热事件传播。
[0056]
根据本发明的方法的另一个特征是被认为是非临界的一个或更多个模块，即与其状态相关的参数小于预定阈值的模块，不接收冷却剂。因此，根据本发明的方法根据模块受热事件影响的风险，对模块进行差异化处理。通常，这种风险随着与热事件的一个或更多个
引发器模块的距离降低，或随着与外壳中没有被发生热事件的模块占据的位置的距离而降低。与传统灭火过程中所需的量相比，该特征的优点是减少了冷却剂的使用量。传统方法需要提供大量灭火剂，需要使用大容量的储存罐，价格昂贵。
[0057]
设备说明
[0058]
现在将说明为实施上述方法而专门设计的设备。该设备包括多个电化学电池模块1、2、3、4。模块布置在模块化结构中，也称为隔间或机架。通常，模块相互堆叠并固定在隔间的垂直立柱上。电气连接将同一隔间的多个模块串联连接，以增加间隔可以输送的电压。隔间是电化学储存单元。外壳内设有多个隔间。它们可以并联在一起以增加可用电量。外壳的一组隔间构成了电化学储存系统。
[0059]
每个模块配备有一个或更多个用于传感状态参数的装置5。至少一个传感装置可以位于模块外罩的外表面上或位于由壳体限定的内部容积内。传感装置可以是温度传感器、特定化学化合物的检测器、火焰或烟雾检测器或适于检测模块操作中的异常的任何其他类型的传感装置。
[0060]
该设备包括用于分配冷却剂的装置。这些装置包括冷却剂储存容器6、冷却剂分布网络7、8和到模块的冷却剂输送器件9。
[0061]
冷却剂储存在储存容器6中。它通过分布网络供应给模块。分布网络包括导管系统7，该导管系统7再被分为不同的分支8。导管系统的一端连接到冷却剂储存容器。每个分支在其端部设置有用于分配冷却剂的器件9。分配器件可位于模块附近或与模块接触。分配器件可以排放到模块的外表面上面或排放到模块外罩限定的容积内。
[0062]
当模块的至少一个传感装置检测到模块转换到临界状态时，储存在储存容器中的冷却剂被释放到分布网络中并且在压力下供给到与临界模块相关联的分配器件。
[0063]
导管系统的分支可以主动运行。例如，一个或更多个传感装置检测模块到临界状态的转换。它们向中央器件发送信号，以控制冷却剂的分配。中央控制器开始将冷却剂分配到一个或更多个临界模块上、里面或附近。中央控制器件可以例如控制位于导管系统上的阀的打开。
[0064]
根据本发明，冷却剂的分配不会发生在不被认为是临界的模块上；因此，可以使用比传统设备更小的容量的储存容器，在传统设备中，冷却剂以无差别的方式分配到模块上面。此外，本发明可以防止被认为是非临界的模块与冷却剂接触。
[0065]
当传感装置5检测到一个或更多个临界模块1、2、3时，以立即或延迟的方式触发将冷却剂12分配到一个或更多个临界模块1、2、3上或里面。可以设置几分钟到最多一小时的时间段来触发冷却剂的分配，以限制所使用的冷却剂的容积。在热量从一个模块到另一个模块的传播速度相对较慢的情况下，冷却剂的延迟喷射可能是有意义的。
[0066]
图1示出了根据本发明的设备的示例。它表示放置在外壳地面上的模块隔间的侧视图。隔间包括两个平行的垂直立柱和四个连接到两个垂直立柱的水平托盘。每个水平板用作模块1、2、3、4的支撑件。托盘和模块在图1中为四个，但应当理解，它们的数量不受限制。冷却剂储存在储存容器6中。分布网络包含导管系统7，导管系统7再被分为四个分支8。导管系统的一端连接到冷却剂储存容器。每个分支排放到模块的侧表面上。在示例中，模块1引发了热事件13。它被认为是临界的。由于热量从模块1传播到相邻的模块2、3，模块2、3也被认为是临界的。模块4不被认为是临界模块，因为它与模块1的距离大于模块2和3与模块1
的距离，因此其温度保持在阈值ts以下。冷却剂仅注射到临界模块内，即模块1、2和3。
[0067]
图2是围绕临界模块2的外表面分配冷却剂的示意图。分布网络7的分支8的端部靠近模块2和4布置。在隔间中安装模块时已经形成空间，以允许冷却剂在模块上方、模块下方和外绕其侧表面流通。冷却剂12的流通围绕临界模块2的外表面形成冷屏障。
[0068]
图3是表示冷却剂分配到被认为是临界模块2内部和临界模块2外罩周围的示意图。分布网络7的分支8的端部与模块2和4集成在一起。冷却剂进入模块容积的内部，然后通过模块中的一个或更多个开口离开。由于这些开口，冷却剂12在临界模块2的外罩周围形成了冷屏障。
[0069]
图4示意性地示出了在分布网络主动操作的情况下可能的设备配置。模块2的临界状态的传感装置5被布置成与模块外罩的上壁的内表面接触。传感装置可以位于由模块外罩限定的容积内的另一个位置。它也可以位于模块外部或模块附近或模块外罩壁的外表面上。在检测到模块的临界状态的情况下，传感装置5向集中系统10发送信号15，集中系统10通过信号14控制布置在分布网络7的导管系统上的阀11的打开。这使得冷却剂6沿分支8的方向流向临界模块2。分支在其端部设置有用于分配冷却剂的设备9。该实施例使得可以仅将冷却剂储存容器保持在压力下，而不用将分布网络的导管系统保持在压力下。正是阀的打开使得分布网络的导管系统处于压力下。