基于坐标定位的锂离子电池系统定向冷却灭火装置及方法

1.本发明涉及锂电池技术领域，尤其是涉及一种于坐标定位的锂离子电池系统定向冷却灭火装置及方法。


背景技术：

2.锂离子电池凭借其能量密度、循环寿命等方面的优势在交通运输、消费类电子产品、储能系统中已获得广泛认可和量产利用。然而，随着市场和用户对电池能量密度持续提出更高的要求，采用高镍三元正极材料的高比能电池热稳定性有所降低，产热严重，大大增加了热失控引发的安全事故风险。因此，电动汽车、储能电站的发展需求对锂离子电池系统的热安全的热管理与热安全防护设计提出了更高的要求。
3.目前，对锂离子电池系统热失控蔓延防护的方法主要有三种，一是基于液冷系统散热延缓的方法；二是基于电池单体间隔热的方法；三是基于电池热失控后消防灭火的方法。
4.对于锂离子电池系统热失控蔓延的安全防护，大多存在“散热效率不足”、“不计成本”、“滞后”等特点，且电池系统火灾存在“复燃”现象，目前没有较好的可推广的方法。
5.此外，因为热失控过程反应机理非常复杂，不同材料体系电池间存在较大差异，目前尚无较为可靠的普适性安全防护方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种于坐标定位的锂离子电池系统定向冷却灭火装置及方法，本发明利用可旋转喷头与电池阀口坐标定位实现精确冷却、灭火，具有结构简单、加工装配方便、易于维护等优点。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.根据本发明的第一方面，提供了一种基于坐标定位的锂电池系统定向冷却及灭火装置，用于对锂电池组进行定向冷却或灭火控制，该装置包括设置在电池单体间及两端电池单体外侧的隔热垫、设置在锂离子电池组下端的底部液冷板、用于喷淋冷却剂或灭火剂的可旋转喷头、以及控制模块；所述隔热垫上设置有测温单元；所述控制模块分别与测温单元和可旋转喷头连接；
9.根据测温单元测取的各电池单体前后表面温度判断失控电池单体或温升异常电池单体编号及所在位置，通过控制模块调整可旋转喷头的喷头方向进行定向冷却或灭火。
10.优选地，所述可旋转喷头为流速可调的可旋转喷头。
11.优选地，所述装置还包括铰链结构，用于对可旋转喷头进行定角旋转控制。
12.优选地，所述锂电池组中的电池单体上方均设置有定向喷阀；所述可旋转喷头的喷头方向与所述定向喷阀阀口中心坐标连线上各节电池阀口中心点位置相对应。
13.优选地，所述定向喷阀为泄压阀。
14.优选地，所述测温单元为薄膜测温单元。
15.优选地，所述控制模块与测温单元无线连接。
16.根据本发明的第二方面，提供了一种基于坐标定位的锂电池系统定向冷却以及灭火方法，采用所述的装置，该方法包括以下步骤：
17.步骤s1、实时获取测温单元测取的各电池单体前后表面温度数据；
18.步骤s2、进行一次温度检测判断，若温度超过热安全温度阈值t1，则可旋转喷头追踪目标电池坐标进行灌注灭火剂进行灭火，否则执行步骤s3；
19.步骤s3、进行二次温度检测判断，若温度超过热管理温度阈值t2，则可旋转喷头喷射冷却液喷雾，进行导热、汽化吸热协同冷却，否则待温度降至设定范围内停止底部液冷板的冷却操作。
20.根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
21.根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
22.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.1)结构简单：仅需采用可旋转喷头装置作用原理即可实现喷头方向调节，易于实现；
24.2)成本低、效率高：通过调整喷头方向与电池阀口位置坐标连线实现定向冷却/灭火，冷却/灭火剂用量/成本更低，效率更高；且相较于现有技术方案，定向冷却/灭火会使冷却/阻断热失控蔓延速率更快；绝缘液体喷淋到电池表面可实现协同降温、汽化吸热；灌注于灭火状态下可实现汽化稀释可燃气体或氧气浓度，提升电池系统爆炸极限；
25.3)迁移性好：适用范围广，可广泛应用于各种材料体系及封装形式的有定向喷阀的电池；
26.4)可靠性高：电池在充放电及老化过程阀口位置固定，且横纵向无明显位移，可实现全生命周期中装置的有效作业；
27.5)精度高：通过电池单体间隔热垫可实现薄膜测温单元的布置，可缓冲吸收电池充放电过程的微小形变。结合电池间及两端电池外侧薄膜测温单元，可实现各节电池前后表面温度的测量，准确判断失控电池或温升异常电池编号及所在位置，精确定位坐标；
28.6)轻量化：电池系统中信号通过无线传输，可减少线束及系统构件质量、体积；
29.7)智能化：本发明所提出系统可结合电池管理系统，在需灭火时增大流量，冷却时切换为细水雾，实现冷却/灭火智能调节；
30.8)分布式控制：本发明所提出系统可在电池系统中各模组/部分分布喷头，实现分布冷却/灭火控制。
附图说明
31.图1为实施例中的装置结构示意图；
32.图2为本发明的装置结构图；
33.图3为本发明中装置追踪冷却/灭火示意图；
34.图4为控制模块连接示意图；
35.图5为本发明作用过程流程框图；
36.附图标记：1-隔热垫，11-测温单元；2-锂电池组；3-底部液冷板；4-可旋转喷头；5-控制模块、6-铰链结构。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
38.实施例
39.本发明源于锂电池产热及热失控过程的普适性规律，适用范围广，可广泛应用于各种材料体系及封装形式的有定向喷阀的电池，泄压阀结构为电池上机械强度最薄弱的部位，在电池内部压力达到阈值时率先遭到破损，排出电解液蒸汽、可燃烟气和射流火等物质，针对此特性展开定向灭火。
40.如图1～3所示，本实施例给出了一种基于坐标定位的锂电池系统定向冷却及灭火装置，用于对锂电池组2进行定向冷却或灭火控制，该装置包括设置在电池单体间及两端电池单体外侧的隔热垫1、设置在锂离子电池组下端的底部液冷板3、用于喷淋冷却剂或灭火剂的可旋转喷头4、以及控制模块5；隔热垫1上设置有测温单元11；所述控制模块5分别与测温单元11和可旋转喷头4连接，如图4所示；
41.根据测温单元11测取的各电池单体前后表面温度判断失控电池单体或温升异常电池单体编号及所在位置，通过控制模块调整可旋转喷头4的喷头方向进行定向冷却或灭火。
42.接下来，对装置的各个部件进行详细介绍。
43.1、隔热垫1
44.通过电池单体间的隔热垫1可实现薄膜测温单元11的布置，可缓冲吸收电池充放电过程的微小形变。结合电池间及两端电池外侧薄膜测温单元11，可实现各节电池前后表面温度的测量，准确判断失控电池或温升异常电池编号及所在位置，精确定位坐标。
45.2、可旋转喷头4
46.本实施例为流速可调的可旋转喷头4，通过设有的铰链结构6，采用一定角度间隔可调节的铰链控制即可实现进行旋转控制，在灭火状态下延热失控蔓延方向实现跟进追踪灭火。可旋转喷头4的喷头方向与电池单体上方设置的定向喷阀的坐标连线，无需复杂角度调节、控制，结构简单，易于实现。
47.通过喷头与上方连接件间采用一定角度间隔可调节的铰链控制即可实现。喷头喷射方向为喷嘴与失效电池上方阀口坐标连线(i，ii，iii，iv，v，vi)，无需复杂角度调节、控制。
48.利用锂电池在充放电及老化过程阀口位置固定，且横纵向无明显位移，可实现全生命周期中装置的有效作业，可靠性高。
49.本实施例中装置降低电池管理系统控制难度，可确保喷头方向能覆盖模组/簇中所有电池单体。
50.3、控制模块5
51.控制模块5与测温单元11无线连接，可减少线束及系统构件质量、体积。
52.本实施例中的控制模块5可以是现有任意一种控制模块，例如plc控制器等。
53.接下来，给出本发明的方法实施例，一种基于坐标定位的锂电池系统定向冷却以及灭火方法，采用上述的装置，如图5所示，该方法包括以下步骤：
54.步骤s1、实时获取测温单元11测取的各电池单体前后表面温度数据；
55.步骤s2、进行一次温度检测判断，若温度超过热安全温度阈值t1，则可旋转喷头4追踪目标电池坐标进行灌注灭火，否则执行步骤s3；
56.步骤s3、进行二次温度检测判断，若温度超过热管理温度阈值t2，则可旋转喷头4喷射绝缘冷却液喷雾，进行导热、汽化吸热协同冷却，否则待温度降至设定范围内停止冷却。
57.通过调整喷头方向与电池阀口位置坐标连线实现定向冷却/灭火，冷却/灭火剂用量/成本更低，效率更高，相较于现有技术方案，定向冷却/灭火会使冷却/阻断热失控蔓延速率更快。
58.绝缘液体喷淋到电池表面可实现协同降温、汽化吸热；灌注于灭火状态下可实现汽化稀释可燃气体或氧气浓度，提升电池系统爆炸极限。
59.本发明所提出系统可结合电池管理系统，在需灭火时增大流量，冷却时切换为细冷却液雾，实现冷却/灭火智能调节。
60.本发明依据锂离子电池产热及热失控过程的普适性规律，适用范围广，可广泛应用于各种材料体系及封装形式的有定向喷阀的电池。
61.本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
62.设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
63.处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法s1～s3。例如，在一些实施例中，方法s1～s3可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的方法s1～s3的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法s1～s3。
64.本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)等等。
65.用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处
理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
66.在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
67.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置，用于对锂电池组(2)进行定向冷却或灭火控制，其特征在于，该装置包括设置在电池单体间及两端电池单体外侧的隔热垫(1)、设置在锂离子电池组下端的底部液冷板(3)、用于喷淋冷却剂或灭火剂的可旋转喷头(4)、以及控制模块(5)；所述隔热垫(1)上设置有测温单元(11)；所述控制模块(5)分别与测温单元(11)和可旋转喷头(4)连接；根据测温单元(11)测取的各电池单体前后表面温度判断失控电池单体或温升异常电池单体编号及所在位置，通过控制模块调整可旋转喷头(4)的喷头方向进行定向冷却或灭火。2.根据权利要求1所述的基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置，其特征在于，所述可旋转喷头(4)为流速可调的可旋转喷头(4)。3.根据权利要求1所述的基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置，其特征在于，所述装置还包括铰链结构(6)，用于对可旋转喷头(4)进行定角旋转控制。4.根据权利要求3所述的基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置，其特征在于，所述锂电池组(2)中的电池单体上方均设置有定向喷阀(21)；所述可旋转喷头(4)的喷头方向与所述定向喷阀(21)阀口中心坐标连线上各节电池阀口中心点位置相对应。5.根据权利要求4所述的基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置，其特征在于，所述定向喷阀为泄压阀。6.根据权利要求1所述的基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置，其特征在于，所述测温单元(11)为薄膜测温单元。7.根据权利要求1所述的基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置，其特征在于，所述控制模块(5)与测温单元(11)无线连接。8.一种基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置，该方法包括以下步骤：步骤s1、实时获取测温单元(11)测取的各电池单体前后表面温度数据；步骤s2、进行一次温度检测判断，若温度超过热安全温度阈值t1，则可旋转喷头(4)追踪目标电池坐标进行灌注灭火剂进行灭火，否则执行步骤s3；步骤s3、进行二次温度检测判断，若温度超过热管理温度阈值t2，则可旋转喷头(4)喷射冷却液喷雾，进行导热、汽化吸热协同冷却，否则待温度降至设定范围内停止底部液冷板(3)的冷却操作。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求8所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求8中所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种基于坐标定位的锂电池系统定向冷却灭火装置及方法，用于对锂电池组进行定向冷却或灭火控制，该装置包括设置在电池单体间及两端电池单体外侧的隔热垫、设置在锂离子电池组下端的底部液冷板、用于喷淋冷却剂或灭火剂的可旋转喷头、以及控制模块；所述隔热垫上设置有测温单元；所述控制模块分别与测温单元和可旋转喷头连接；根据测温单元测取的各电池单体前后表面温度判断失控电池单体或温升异常电池单体编号及所在位置，通过控制模块调整可旋转喷头的喷头方向进行定向冷却或灭火。与现有技术相比，本发明利用可旋转喷头与电池阀口坐标定位实现精确冷却、灭火，具有结构简单、加工装配方便、易于维护等优点。易于维护等优点。易于维护等优点。


技术研发人员：陈思琦 魏学哲 戴海峰 张广续 朱哲慧 陈锴鑫
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/8/1