一種提高儲能器件一致性與安全性的方法
【專利摘要】本發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定，提高儲能器件一致性，同時將應變片和溫度傳感器固定在底座上實時在線監控儲能器件的安全性能，對單體進行精準控制與監控，對存在形變大等安全隱患的器件通過軟件及時預警并采取措施，通過底座強度增加、盛放多個單體的容器內壁設計與防爆毯組合降低儲能器件發生燃爆安全事故的危害，阻燃緩沖層將鼓包、燃燒、爆炸等產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防控制，而且將事故危害降至最低，發明方法便于操作實施、響應時間短、維護成本低，可以對電動車、儲能等電源系統實現長期無損在線可靠監控。
【專利說明】
一種提高儲能器件一致性與安全性的方法
技術領域
[0001]本發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、儲能等電源系統的安全、分容平衡次數減少、續航里程增加等保駕護航，屬于新能源安全工程及相關領域。
【背景技術】
[0002]隨著環境污染的日益加劇(尤其城市霧霾問題變得日益嚴重)和傳統化石資源的逐漸枯竭，純電動車或混合電動車發展備受關注。另外，風能、太陽能、潮汐能等新能源發電受外界因素影響較大，發的電量不穩定，需要儲能系統暫時儲存與調峰。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展起著舉足輕重的作用。然而，經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不一致現象，有些內阻大，有些內阻小，不僅會導致頻繁的重新分容，篩選一致性的組合，極大增加運行成本，而且會導致部分儲能器件過充或過放，產生鼓包、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，其中一個關鍵因素是工作溫度。儲能器件在運行過程中由于化學或物理作用會產生比較多的熱量，這些熱量如果不能及時移走會極大影響器件的工作溫度，導致內阻發生變化，從而導致電化學性能與循環穩定性發生變化。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，電源系統在運行過程中會出現有些單體散熱比較好、有些散熱很差的現象。散熱差的單體會導致工作溫度升高，嚴重時電解液會分解，出現脹氣現象，內阻變大，電化學性能變差。另外，工作溫度降低也會導致儲能器件的內阻增大，不能正常發揮功效。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。所以，針對單體導熱性不一致引起的電化學性能不一致和單體便于拆卸的問題，有必要設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控力度。
[0004]目前通過監控溫度與電壓監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鍵電化學性能指標，但是很難反映器件內部的溫度和應力變化，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致傳感器位置發生移動，測試效果不明顯。另外，單體由于需要反復分容更換，目前底部沒有固定，運行過程中會發生震動、位移等現象，當器件鼓包時摩擦或振動會導致嚴重的安全事故。事實上，儲能器件單體發生的鼓包、泄露、燃燒、爆炸等安全事故都會經歷內部的應力變化過程，這些過程會導致溫度發生變化，但是溫度變化比內應力變化相對要滯后，所以通過形變應力監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，發明了一種利用應力應變儀在線監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力進行無損快速檢測，有效及時預防安全事故發生。然而，目前儲能器件單體運行的特性需要頻繁更換分容，所以將應變片貼在單體上面不經濟實惠，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與方法缺陷，本發明創新性的將儲能器件單體固定在帶有應變片和溫度傳感器的底座上，通過監控與單體接觸良好的底座形變應力和溫度監控儲能器件的工作狀態，通過底座的良好熱交換保證儲能器件的工作溫度穩定，提高一致性;通過器件運行過程中的形變應力實時監控、增加底座強度、盛放儲能器件容器的設計提高安全性能。該發明方法便捷、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，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壁設計與防爆毯組合降低儲能器件發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支撐。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了解決上述問題，克服現有技術的不足，提供一種提高儲能器件一致性與安全性的關鍵工藝技術，采用換熱性能好的底座保證儲能器件的工作溫度穩定，提高單體一致性，同時將應變片和溫度傳感器固定在底座上實時在線監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壁設計與防爆毯組合降低儲能器件發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，發明方法準確、靈敏、可靠，響應時間短，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控。
[0007]本發明的基本構思在于:儲能器件單體的散熱行為嚴重影響其工作溫度，從而影響其內阻，導致不一致，形變應力變化能快速、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定，利用固定在底座上的應變片和溫度傳感器同時無損監控儲能器件運行過程的安全性能，單體便于精準監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壁設計與防爆毯組合降低儲能器件發生燃爆安全事故的危害，系統便于操作和維護，。
[0008]本發明的目的通過以下方式實現:儲能器件單體可反復插拔地放置在底座上，底座上用應變片和溫度傳感器分別監控器件形變應力安全性能與溫度變化，底座周圍有維持器件工作溫度穩定的系統，底座間距不低于5mm，盛放底座的容器內襯阻燃緩沖層，上面有防爆毯，防爆毯距離器件的直線距離為100?2000 mm。
[0009]本發明中，所述的維持器件工作溫度穩定的系統指底座周圍的換熱系統，可以將儲能器件充放電過程中產生的熱量及時移走，也可以給儲能器件提供熱量，維持器件的工作溫度穩定。
[0010]本發明中，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]本發明中，所述的緩沖層指吸收爆炸能量的物質，包括柔性材料、孔材料、泡沫金屬O
[0012]本發明中，所述的阻燃指燃點在300°C以上。
[0013]本發明中，所述的換熱系統指夾套、列管、波紋板、平板。
[0014]本發明的有益效果是:與現有技術相比，本發明解決了儲能器件運行過程中單體安全性能難以精準監控與便捷更換的技術難題，通過底座維持儲能器件溫度穩定并實時在線監控單體形變應力和溫度，對形變量大和一致性差的單體及時通過軟件控制進行預警并采取相應措施，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控及危險事故應急處置。本發明解決了儲能器件運行過程中一致性差和安全性能監控難的技術難題，降低了災難事故的危害，彌補了目前儲能器件分容平衡頻率高和安全監管難的技術不足，具有很高的應用價值，運行環境要求低，便于操作，維護方便，經濟和社會效益好。
[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]以下結合實施例及附圖對本發明作進一步說明，所述內容僅為本發明構思下的基本說明，但是本發明不局限于下面例子，依據本發明的技術方案所作的任何等效變換，均屬于本發明的保護范圍。
[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，固定在內襯2?5mm厚泡沫招的帶孔碳鋼容器底部，夾套內盛放導熱娃油循環液，循環液通過內徑為1mm的銅管與容器外的恒溫系統連接，底座靠近電池側面中心位置一邊貼上應變花，另一邊貼上溫度傳感器，將應變花和溫度傳感器分別與應力應變儀和溫度儀連接，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，利用先串聯后并聯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轉速小風扇，風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。夾套的導熱硅油通過容器外的循環系統使電池保持在25?35 °C，防爆毯通過應力應變儀和溫度儀進行控制，應力應變儀優先控制，當應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定在25?35弋時，分容后的電池單體一致性顯著提高，經過200次循環后沒有明顯差異，而且形變監控的準確度比溫度監控的準確度提高了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成銅管，銅管和容器外面的換熱裝置聯通，銅管上分布散熱片，維持系統溫度穩定，底座靠近電池側面中心位置一邊貼上應變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應變片和溫度傳感器分別與應力應變儀連接，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，利用先并聯后串聯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個小風扇，風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，使電源系統保持在25?30 °C，防爆毯通過應力應變儀進行控制，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表面，電容器可以反復無損更換，精準對一個單體進行監控，應變片和溫度計結合牢固，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通，維持系統溫度穩定，底座靠近電池側面中心位置一邊貼上應變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應變片和溫度傳感器分別與應力應變儀和溫度儀連接，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，利用串聯或并聯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個風扇，風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生的熱量通過容器外面的恒溫系統導走，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，使電源系統保持在30?40 °C，防爆毯通過應力應變儀進行控制，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通，維持系統溫度穩定，底座靠近電池側面位置一邊貼上應變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應變片和溫度傳感器分別與應力應變儀和溫度儀連接，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，利用串聯或并聯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個小風扇，風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生的熱量導走，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，使電源系統保持在20?30 °C，防爆毯通過應力應變儀進行控制，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，底座之間間距為12mm，固定在內襯I?3mm厚泡沫鎳的帶孔石墨容器底部，銅網和容器外面的換熱裝置聯通，維持系統溫度穩定，底座靠近電池寬側面位置一邊貼上應變片，另一邊貼上溫度傳感器，將應變片和溫度傳感器分別與應力應變儀和溫度儀連接，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，利用串聯或并聯將電池堆連接起來，電池上方距離電池直線距離50?200mm處均勻布置6個小風扇，風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。電池堆表面的銅網弧將產生的熱量導走，使電源系統保持在最佳工作溫度區間，防爆毯通過應力應變儀進行控制，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表面。
【主權項】
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插拔地放置在底座上，底座上用應變片和溫度傳感器分別監控器件形變應力安全性能與溫度變化，底座周圍有維持器件工作溫度穩定的系統，底座間距不低于5mm，盛放底座的容器內襯阻燃緩沖層，上面有防爆毯，防爆毯距離器件的直線距離為100?2000 mm。2.根據權利要求1的描述，其特征在于:所述的維持器件工作溫度穩定的系統指底座周圍的換熱系統，可以將儲能器件充放電過程中產生的熱量及時移走，也可以給儲能器件提供熱量，維持器件的工作溫度穩定。3.根據權利要求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.根據權利要求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，包括柔性材料、孔材料、泡沫金屬。5.根據權利要求1的描述，其特征在于:所述的阻燃指燃點在300°C以上。6.根據權利要求1和2的描述，其特征在于:所述的換熱系統指夾套、導熱管、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
【發明人】王貴欣, 唐文婕, 帥翰韜, 閆康平
【申請人】四川大學