一種提高儲能器件一致性與安全性的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高儲能器件一致性與安全性的方法，采用換熱性能好的底座保證儲能器件的工作溫度穩(wěn)定，提高儲能器件一致性，同時將應(yīng)變片和溫度傳感器固定在底座上實時在線監(jiān)控儲能器件的安全性能，對單體進行精準控制與監(jiān)控，對存在形變大等安全隱患的器件通過軟件及時預(yù)警并采取措施，通過底座強度增加、盛放多個單體的容器內(nèi)壁設(shè)計與防爆毯組合降低儲能器件發(fā)生燃爆安全事故的危害，阻燃緩沖層將鼓包、燃燒、爆炸等產(chǎn)生的破壞能量及時吸收，防爆毯有效減少燃爆帶來的傷害，不僅對事故進行有效預(yù)防控制，而且將事故危害降至最低，發(fā)明方法便于操作實施、響應(yīng)時間短、維護成本低，可以對電動車、儲能等電源系統(tǒng)實現(xiàn)長期無損在線可靠監(jiān)控。
【專利說明】
一種提高儲能器件一致性與安全性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明公開了一種提高儲能器件一致性與安全性的方法，為純電動車、混合電動車、儲能等電源系統(tǒng)的安全、分容平衡次數(shù)減少、續(xù)航里程增加等保駕護航，屬于新能源安全工程及相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境污染的日益加劇(尤其城市霧霾問題變得日益嚴重)和傳統(tǒng)化石資源的逐漸枯竭，純電動車或混合電動車發(fā)展備受關(guān)注。另外，風(fēng)能、太陽能、潮汐能等新能源發(fā)電受外界因素影響較大，發(fā)的電量不穩(wěn)定，需要儲能系統(tǒng)暫時儲存與調(diào)峰。其中，儲能器件(包括電池和超級電容器等)對電動車與新能源的快速健康發(fā)展起著舉足輕重的作用。然而，經(jīng)過分容處理后一致性好的儲能器件單體在同樣條件下運行時又會出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，有些內(nèi)阻大，有些內(nèi)阻小，不僅會導(dǎo)致頻繁的重新分容，篩選一致性的組合，極大增加運行成本，而且會導(dǎo)致部分儲能器件過充或過放，產(chǎn)生鼓包、泄露、燃燒、爆炸等安全事故，嚴重影響電動車的安全穩(wěn)定運行。因此，儲能器件在運行過程中的不一致成了目前阻礙電動車廣泛應(yīng)用的一個重要因素。
[0003]儲能器件在運行過程中的不一致受多種因素影響，其中一個關(guān)鍵因素是工作溫度。儲能器件在運行過程中由于化學(xué)或物理作用會產(chǎn)生比較多的熱量，這些熱量如果不能及時移走會極大影響器件的工作溫度，導(dǎo)致內(nèi)阻發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電化學(xué)性能與循環(huán)穩(wěn)定性發(fā)生變化。由于目前電動車儲能器件存在容量較高(12米長純電動公交車需要10萬多Ah)、排布很少考慮單體的散熱、布置不合理等原因，電源系統(tǒng)在運行過程中會出現(xiàn)有些單體散熱比較好、有些散熱很差的現(xiàn)象。散熱差的單體會導(dǎo)致工作溫度升高，嚴重時電解液會分解，出現(xiàn)脹氣現(xiàn)象，內(nèi)阻變大，電化學(xué)性能變差。另外，工作溫度降低也會導(dǎo)致儲能器件的內(nèi)阻增大，不能正常發(fā)揮功效。因此，工作溫度使原來分容后一致性好的單體在運行過程中變得不一致，不得不重新分容重新達到一致狀態(tài)。所以，針對單體導(dǎo)熱性不一致引起的電化學(xué)性能不一致和單體便于拆卸的問題，有必要設(shè)計一種快速插拔單體的固定底座，同時提高底座的強度，增加單體運行過程中的安全監(jiān)控力度。
[0004]目前通過監(jiān)控溫度與電壓監(jiān)控儲能器件運行過程中的安全性能，但是將溫度傳感器懸掛在兩個單體之間，不僅連接不牢固，而且不能反映單個單體的表面溫度；電壓是儲能器件的一個關(guān)鍵電化學(xué)性能指標，但是很難反映器件內(nèi)部的溫度和應(yīng)力變化，也不能反映單個電池的安全性能;車在運行過程中的波動會導(dǎo)致傳感器位置發(fā)生移動，測試效果不明顯。另外，單體由于需要反復(fù)分容更換，目前底部沒有固定，運行過程中會發(fā)生震動、位移等現(xiàn)象，當器件鼓包時摩擦或振動會導(dǎo)致嚴重的安全事故。事實上，儲能器件單體發(fā)生的鼓包、泄露、燃燒、爆炸等安全事故都會經(jīng)歷內(nèi)部的應(yīng)力變化過程，這些過程會導(dǎo)致溫度發(fā)生變化，但是溫度變化比內(nèi)應(yīng)力變化相對要滯后，所以通過形變應(yīng)力監(jiān)控單體的安全性更及時可靠。我們針對電池和電容器的工作特點，發(fā)明了一種利用應(yīng)力應(yīng)變儀在線監(jiān)控電池和電容器安全性能的方法[CN201510025487.3]，可以對這些儲能器件在運行過程中的形變應(yīng)力進行無損快速檢測，有效及時預(yù)防安全事故發(fā)生。然而，目前儲能器件單體運行的特性需要頻繁更換分容，所以將應(yīng)變片貼在單體上面不經(jīng)濟實惠，也不便于操作。
[0005]為了解決目前儲能器件存在的不一致性和安全性問題，克服目前測試儲能器件一致性和安全性差的技術(shù)與方法缺陷，本發(fā)明創(chuàng)新性的將儲能器件單體固定在帶有應(yīng)變片和溫度傳感器的底座上，通過監(jiān)控與單體接觸良好的底座形變應(yīng)力和溫度監(jiān)控儲能器件的工作狀態(tài)，通過底座的良好熱交換保證儲能器件的工作溫度穩(wěn)定，提高一致性;通過器件運行過程中的形變應(yīng)力實時監(jiān)控、增加底座強度、盛放儲能器件容器的設(shè)計提高安全性能。該發(fā)明方法便捷、準確可靠、易操作，而且儲能器件可以方便固定與插拔更換，自身沒有損壞，同時也便于查找有問題的儲能器件單體，當形變量超過安全閾值時，通過電腦軟件自動終止或切換，將危險消除在萌芽狀態(tài)，減少器件單體的分容平衡頻率，降低運行成本，通過底座強度增加、盛放多個單體的容器內(nèi)壁設(shè)計與防爆毯組合降低儲能器件發(fā)生燃爆安全事故的危害，為提高儲能器件的一致性與安全性提供技術(shù)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高儲能器件一致性與安全性的關(guān)鍵工藝技術(shù)，采用換熱性能好的底座保證儲能器件的工作溫度穩(wěn)定，提高單體一致性，同時將應(yīng)變片和溫度傳感器固定在底座上實時在線監(jiān)控儲能器件的安全性能，通過底座強度增加、盛放多個單體的容器內(nèi)壁設(shè)計與防爆毯組合降低儲能器件發(fā)生燃爆安全事故的危害，阻燃緩沖層不僅阻止電解液燃燒，而且將鼓包、燃燒、爆炸產(chǎn)生的破壞能量及時吸收，同時防爆毯有效減少燃燒爆炸帶來的傷害，發(fā)明方法準確、靈敏、可靠，響應(yīng)時間短，維護成本低，可以對移動電源和儲能器件長期無損在線可靠監(jiān)控。
[0007]本發(fā)明的基本構(gòu)思在于:儲能器件單體的散熱行為嚴重影響其工作溫度，從而影響其內(nèi)阻，導(dǎo)致不一致，形變應(yīng)力變化能快速、準確、真實反映儲能器件的安全性能，利用換熱效果好的底座維持儲能器件單體的工作溫度穩(wěn)定，利用固定在底座上的應(yīng)變片和溫度傳感器同時無損監(jiān)控儲能器件運行過程的安全性能，單體便于精準監(jiān)控定位并方便插拔更換，通過底座強度增加、盛放多個單體的容器內(nèi)壁設(shè)計與防爆毯組合降低儲能器件發(fā)生燃爆安全事故的危害，系統(tǒng)便于操作和維護，。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn):儲能器件單體可反復(fù)插拔地放置在底座上，底座上用應(yīng)變片和溫度傳感器分別監(jiān)控器件形變應(yīng)力安全性能與溫度變化，底座周圍有維持器件工作溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)，底座間距不低于5mm，盛放底座的容器內(nèi)襯阻燃緩沖層，上面有防爆毯，防爆毯距離器件的直線距離為100?2000 mm。
[0009]本發(fā)明中，所述的維持器件工作溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)指底座周圍的換熱系統(tǒng)，可以將儲能器件充放電過程中產(chǎn)生的熱量及時移走，也可以給儲能器件提供熱量，維持器件的工作溫度穩(wěn)定。
[0010]本發(fā)明中，所述的能源器件單體指一個獨立的供電基本單元，包括鋰離子電池、鉛酸電池、釩液流電池、燃料電池、超級電容器。
[0011]本發(fā)明中，所述的緩沖層指吸收爆炸能量的物質(zhì)，包括柔性材料、孔材料、泡沫金屬O
[0012]本發(fā)明中，所述的阻燃指燃點在300°C以上。
[0013]本發(fā)明中，所述的換熱系統(tǒng)指夾套、列管、波紋板、平板。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了儲能器件運行過程中單體安全性能難以精準監(jiān)控與便捷更換的技術(shù)難題，通過底座維持儲能器件溫度穩(wěn)定并實時在線監(jiān)控單體形變應(yīng)力和溫度，對形變量大和一致性差的單體及時通過軟件控制進行預(yù)警并采取相應(yīng)措施，提高了儲能器件的不一致和安全性，減少了儲能器件重新分容平衡頻率，節(jié)約了儲能器件維護成本，通過底座強度增加、阻燃緩沖層和防爆毯降低了儲能器件發(fā)生危險時的危害，適用于儲能器件的一致性與安全性能實時在線監(jiān)控及危險事故應(yīng)急處置。本發(fā)明解決了儲能器件運行過程中一致性差和安全性能監(jiān)控難的技術(shù)難題，降低了災(zāi)難事故的危害，彌補了目前儲能器件分容平衡頻率高和安全監(jiān)管難的技術(shù)不足，具有很高的應(yīng)用價值，運行環(huán)境要求低，便于操作，維護方便，經(jīng)濟和社會效益好。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1一種提高儲能器件一致性和安全性的整體布置示意圖。
[0017]圖2—種提高儲能器件一致性和安全性的單體夾套換熱示意圖。
[0018]圖3—種提高儲能器件一致性和安全性的單體排布示意圖。
[0019]圖4一種提高儲能器件一致性和安全性的單體管式換熱示意圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明，所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，但是本發(fā)明不局限于下面例子，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0021]實施例1
采用尺寸為200 X 80 X 260mm的上端開口鋁合金底座，外面帶1mm厚的夾套，底座之間間距為5mm，固定在內(nèi)襯2?5mm厚泡沫招的帶孔碳鋼容器底部，夾套內(nèi)盛放導(dǎo)熱娃油循環(huán)液，循環(huán)液通過內(nèi)徑為1mm的銅管與容器外的恒溫系統(tǒng)連接，底座靠近電池側(cè)面中心位置一邊貼上應(yīng)變花，另一邊貼上溫度傳感器，將應(yīng)變花和溫度傳感器分別與應(yīng)力應(yīng)變儀和溫度儀連接，將190 X 75 X 270mm尺寸的200Ah鋰離子電池單體放入底座，正負電極朝上放置，多個單體電池組成電池包時，其他電池單體采用類似方法放入底座，利用先串聯(lián)后并聯(lián)方式將電池單體連接起來，電池上方距離電池直線距離100?300mm處均勻布置3個約2800rpm轉(zhuǎn)速小風(fēng)扇，風(fēng)扇上面距離電池直線距離200?500mm處的中心位置放置一個防爆毯，整體布置示意圖如圖1所示，單體的夾套換熱器如圖2所示。夾套的導(dǎo)熱硅油通過容器外的循環(huán)系統(tǒng)使電池保持在25?35 °C，防爆毯通過應(yīng)力應(yīng)變儀和溫度儀進行控制，應(yīng)力應(yīng)變儀優(yōu)先控制，當應(yīng)變儀信號異常時溫度儀控制，防爆毯接收到控制信號后打開并包裹在盛放電池的容器表面。當單體電池的工作溫度穩(wěn)定在25?35弋時，分容后的電池單體一致性顯著提高，經(jīng)過200次循環(huán)后沒有明顯差異，而且形變監(jiān)控的準確度比溫度監(jiān)控的準確度提高了50%，電池單體更換方便，維護成本低。
[0022]
實施例2 采用直徑為65mm的上端開口銅合金底座，外面帶直徑為1mm銅管弧，底座之間間距為10mm，固定在內(nèi)襯3?7mm厚的石墨氈帶孔不銹鋼容器底部，相鄰兩個單體的銅管弧構(gòu)成銅管，銅管和容器外面的換熱裝置聯(lián)通，銅管上分布散熱片，維持系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，底座靠近電池側(cè)面中心位置一邊貼上應(yīng)變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應(yīng)變片和溫度傳感器分別與應(yīng)力應(yīng)變儀連接，將直徑為61mm的3000F超級電容器單體放入底座，正負電極朝上放置，多個單體超級電容器組成能源包時，其他電容器單體采用類似方法放入底座，利用先并聯(lián)后串聯(lián)將電容器單體連接起來，電池上方距離電池直線距離50?200mm處均勻布置4個小風(fēng)扇，風(fēng)扇上面距離電池直線距離100?300mm處的中心位置放置一個防爆毯，單體排布如圖3所示，單體管式換熱器如圖4所示。單體表面的銅管弧將產(chǎn)生的熱量移走，當電容器溫度低時，銅管將外界的熱量提供給電源系統(tǒng)，使電源系統(tǒng)保持在25?30 °C，防爆毯通過應(yīng)力應(yīng)變儀進行控制，當形變達到臨界值時，防爆毯接收到控制信號后打開并包裹在電源系統(tǒng)表面，電容器可以反復(fù)無損更換，精準對一個單體進行監(jiān)控，應(yīng)變片和溫度計結(jié)合牢固，便于操作，維護方便。
[0023]
實施例3
采用尺寸為480 X 200 X 400mm的上端開口鈦合金底座，外面帶鋁合金波紋板，底座之間間距為7mm，固定在內(nèi)襯4?7mm厚聚丙烯短纖維的帶孔鋁合金容器底部，波紋板和容器外面的換熱裝置聯(lián)通，維持系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，底座靠近電池側(cè)面中心位置一邊貼上應(yīng)變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應(yīng)變片和溫度傳感器分別與應(yīng)力應(yīng)變儀和溫度儀連接，將470 X 190 X430mm尺寸的500Ah鋰離子電池單體放入底座，正負電極朝上放置，多個單體電池組成能源包時，其他電池單體采用類似方法放入底座，利用串聯(lián)或并聯(lián)方式將電池單體連接起來，電池上方距離電池直線距離100?300mm處均勻布置2個風(fēng)扇，風(fēng)扇上面距離電池直線距離300?500mm處的中心位置放置一個防爆毯。單體表面的鋁合金波紋板將電池產(chǎn)生的熱量通過容器外面的恒溫系統(tǒng)導(dǎo)走，當電容器溫度低時，鋁合金波紋板將外界的熱量提供給電源系統(tǒng)，使電源系統(tǒng)保持在30?40 °C，防爆毯通過應(yīng)力應(yīng)變儀進行控制，當形變達到臨界值時，防爆毯接收到控制信號后打開并包裹在電源系統(tǒng)表面。
[0024]
實施例4
采用直徑為25mm的上端開口 304不銹鋼底座，外面帶碳化硅陶瓷板，底座之間間距為5mm，固定在內(nèi)襯I?2mm厚碳纖維布的帶孔聚丙稀容器底部，相鄰兩個單體的碳化娃管與容器外面的換熱裝置聯(lián)通，維持系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，底座靠近電池側(cè)面位置一邊貼上應(yīng)變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應(yīng)變片和溫度傳感器分別與應(yīng)力應(yīng)變儀和溫度儀連接，將直徑為23mm的鎳氫電池單體放入底座，多個單體電池組成能源包時，其他電池單體采用類似方法放入底座，利用串聯(lián)或并聯(lián)將電池單體連接起來，電池上方距離電池直線距離50?200mm處均勻布置4個小風(fēng)扇，風(fēng)扇上面距離電池直線距離100?300mm處的中心位置放置一個防爆毯。單體表面的碳化硅陶瓷將產(chǎn)生的熱量導(dǎo)走，當電池溫度低時，碳化硅陶瓷將外界的熱量提供給電源系統(tǒng)，使電源系統(tǒng)保持在20?30 °C，防爆毯通過應(yīng)力應(yīng)變儀進行控制，當形變達到臨界值時，防爆毯接收到控制信號后打開并包覆在電源系統(tǒng)表面。
[0025]
實施例5
采用尺寸為300 X 300 X 310mm的上端開口的碳鋼底座，外面帶銅網(wǎng)，底座之間間距為12mm，固定在內(nèi)襯I?3mm厚泡沫鎳的帶孔石墨容器底部，銅網(wǎng)和容器外面的換熱裝置聯(lián)通，維持系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，底座靠近電池寬側(cè)面位置一邊貼上應(yīng)變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應(yīng)變片和溫度傳感器分別與應(yīng)力應(yīng)變儀和溫度儀連接，將290 X 290 X300mm尺寸的燃料電池堆放入底座，多個電池堆組成能源包時，其他電池堆采用類似方法放入底座，利用串聯(lián)或并聯(lián)將電池堆連接起來，電池上方距離電池直線距離50?200mm處均勻布置6個小風(fēng)扇，風(fēng)扇上面距離電池直線距離200?500mm處的中心位置放置一個防爆毯。電池堆表面的銅網(wǎng)弧將產(chǎn)生的熱量導(dǎo)走，使電源系統(tǒng)保持在最佳工作溫度區(qū)間，防爆毯通過應(yīng)力應(yīng)變儀進行控制，當形變達到臨界值時，防爆毯接收到控制信號后打開并包裹在電源系統(tǒng)表面。
【主權(quán)項】
1.一種提高儲能器件一致性和安全性的方法，其特征在于:儲能器件單體可反復(fù)插拔地放置在底座上，底座上用應(yīng)變片和溫度傳感器分別監(jiān)控器件形變應(yīng)力安全性能與溫度變化，底座周圍有維持器件工作溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)，底座間距不低于5mm，盛放底座的容器內(nèi)襯阻燃緩沖層，上面有防爆毯，防爆毯距離器件的直線距離為100?2000 mm。2.根據(jù)權(quán)利要求1的描述，其特征在于:所述的維持器件工作溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)指底座周圍的換熱系統(tǒng)，可以將儲能器件充放電過程中產(chǎn)生的熱量及時移走，也可以給儲能器件提供熱量，維持器件的工作溫度穩(wěn)定。3.根據(jù)權(quán)利要求1的描述，其特征在于:所述的能源器件單體指一個獨立的供電基本單元，包括鋰離子電池、鉛酸電池、釩液流電池、燃料電池、超級電容器。4.根據(jù)權(quán)利要求1的描述，其特征在于:所述的緩沖層指吸收爆炸能量的物質(zhì)，包括柔性材料、孔材料、泡沫金屬。5.根據(jù)權(quán)利要求1的描述，其特征在于:所述的阻燃指燃點在300°C以上。6.根據(jù)權(quán)利要求1和2的描述，其特征在于:所述的換熱系統(tǒng)指夾套、導(dǎo)熱管、波紋板、平板。
【文檔編號】H01G11/10GK105870543SQ201610302690
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】王貴欣, 唐文婕, 帥翰韜, 閆康平
【申請人】四川大學(xué)