控温防火防爆一体化的锂电池储能电站及其控制方法

1.本发明属于电能储存新技术领域，涉及一种控温防火防爆一体化的锂电池储能电站及其控制方法。


背景技术：

2.储能是能源改革和多元清洁能源供应体系建设的重要环节。锂离子电池储能作为一种电化学储能方式，在世界范围内正在快速发展。至2020年底，全球已投运的锂离子电池储能装机规模已达到13.1gw，中国锂离子电池储能的装机规模已达2902mw。随着锂离子电站的大规模应用，锂离子电池储能电站的安全风险突出显现。外部过热、碰撞、挤压、过量充电、枝晶造成的内短路等条件都有可能引发锂离子电池的热失控。热失控的过程中，温度达到某阈值，引发放热反应，所放出的热量在电池内部积聚造成温度升高，进而引发更多的放热反应，最终导致电池起火和爆炸，甚至于引起整个电池组、储能电站的起火和爆炸。对于储能电站中所使用的锂离子电池，即使对于外部的过热、碰撞、挤压等条件严格限制，电池的热失控仍有可能被触发。例如，锂离子电池生产过程中难以避免的不一致性会造成不一致的老化，而不一致的老化极易引发部分电池过充，进而触发热失控；锂离子电池由于老化、低温快充、内部不一致等问题产生的金属锂枝晶可以刺穿隔膜，引发电池的内短路，造成热失控；锂离子电池一旦发生封装不严，水蒸汽漏入电池内部与电解液中的锂盐发生反应，同样易于触发热失控。因此，锂离子电池热失控所引发的起火、爆炸等安全问题，是制约锂离子电池储能电站发展的主要瓶颈，因此锂离子电池储能电站的防火防爆技术有待更进一步发展。
3.为防范锂离子电池的热失控，人们已经采取了很多技术手段。首先，是提升锂离子电池质量和一致性，能够减小产生锂离子电池产生严重锂枝晶的风险。第二，是给予锂离子电池更好的控制，其中包括电压、电流控制和温度控制，以避免电池过充和过冷过热等问题。第三，是限制锂离子电池热失控在单个电池中的发展和在电池组，储能电池柜中的蔓延。其中一些主要的手段包括采用锂电池安全阀，在电池产生热失控的过程中进行泄气；在电池组中或电池组间增加隔热阻燃材料，限制火灾蔓延所带来的热失控传播；对于锂离子电池的热失控进行早期预警，进而及时采用灭火措施。
4.然而，现有技术手段对控制锂电池热失控依然存在着很多不足。首先是，提高电池质量和一致性，这与锂离子电池大规模生产、大规模应用的需求量相矛盾。对于工业应用的产品而言，合格率不可能达到100％，生产总量和应用规模越大，出现事故电池的绝对数量会越多。同时应用规模越大，也越难于保证对每个锂电池电压、电流和温度的控制精度，这也使得发生事故的可能性增加。而单个锂离子电池的着火、爆炸，极可能会造成整个储能电站的着火、爆炸。另外，在锂离子电池安全阀设计中，将汽化的电解液从电池中放出，能够很大程度上提高单个电池的安全性。但可燃的电解液蒸气与空气混合，极容易到达闪点或爆炸极限，会在极快的速度内引发更为严重的电堆、电站尺度的燃烧或爆炸。当储能电站的锂离子电池组间没有很好的相互分隔，即有效阻止火焰、爆炸传播时，即使成功早期预警，由
于大量锂离子电池已着火，其防爆灭火仍是极为困难的。
5.由于二氧化碳、氮气、氩气、七氟丙烷、三氟甲烷、六氟丙烷、混合气体ig541(52％氮、40％氩、8％二氧化碳的混合气体)等惰性气体常用于电气系统的消防。因此，也有很多采用惰性气体防止锂电池燃烧爆炸的发明，如：专利文献cn202110115708.1和cn201711392207.8都提供了将锂电池密封在惰性气体环境中，当燃烧爆炸时释放连通的高压气瓶中的惰性气体进行灭火的方法。国际专利文献中，也有使用高压气瓶将灭火剂注入热失控中的电池堆(us10991923b2)或用活塞将灭火剂注入失火的电池堆(us9539448b2)的防火方法。将锂电池密封在惰性气体环境中隔绝与空气的接触，也被用于锂电池热失效的试验的防爆，如：专利文献cn201910236575.6、cn 202011583718.x和cn 202121041867.3。以及电池防火设计(cn201711392207.8)等。在国际专利文献中，密封的惰性气体也被用于隔绝氧气，以缓解锂电池的热失控(us9520619b2)，尤其是解决小型便携式电子设备的锂电池失火的问题(us9586067b1)。至今尚未见采用惰性气体同时调控锂离子电池工作温度，并同时防火防爆的储能电站设计。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种控温防火防爆一体化的锂电池储能电站及其控制方法方案，以惰性气体保护和冷却锂电池，同时解决锂电池储能电站安全性问题和温度调控问题。
7.本发明的技术方案：
8.一种控温防火防爆一体化的锂电池储能电站，建立以防火防爆并且电气绝缘的惰性气体为工质的密封循环系统，将多个锂电池储能单元分别置于抗爆储柜中，并接入循环系统。通过控制流经每个抗爆储柜的气体温度、流量来调节锂电池温度。当锂电池发生爆炸燃烧事故时，通过控制阀门快速切换系统功能，在惰性气体保护下密封收集锂电池的烟气，阻止可燃烟气继续爆炸燃烧。
9.按照锂电池储能单元热失控的排气流量，设计密封的抗爆储柜9；将锂电池储能单元放置于密封的抗爆储柜9中，连接进气阀10和排气阀11，构成一个锂电池密封储柜单元1；
10.在进风管2和排风管3之间，并联多个锂电池密封储柜单元1；
11.在主管道上连接驱动气体运转的循环风机4、主管道阀5、调节气体温度的温控器6和气体缓冲罐7，并在气体缓冲罐7上安装过载排空阀8，构成密封的闭式气体循环系统；
12.在闭式气体循环系统中充入防火防爆惰性气体以及它们的混合气，即成为控温防火防爆一体化的锂电池储能电站。
13.一种控温防火防爆一体化的锂电池储能电站的控制方法，控制方法是针对锂电池电站的正常工作、某个锂电池储能单元过热、某个锂电池储能单元爆炸燃烧、锂电池储能单元大量爆炸燃烧四种状态分别控制，具体过程如下：
14.(1)在正常工作状态时，闭式气体循环系统的主管道阀5和每个锂电池密封储柜单元1的排气阀11处于常开状态，循环风机4驱动系统中的气体流动，通过进气阀10来调整每个锂电池密封储柜单元1中的气体流量；当整个电站电池工作温度过低或过高时，通过循环风机4流量变化及温控器6加热冷却来调整；当某个锂电池储能单元工作温度过低或过高时，通过进气阀10调节该锂电池密封储柜单元1的气体流量；控制所有锂电池的工作温度均
匀地处于最佳状态；
15.(2)在某个锂电池储能单元的锂电池发生过热，超过预警温度时，完全打开过的热锂电池密封储柜单元1上的进气阀10，切断邻近锂电池密封储柜单元1的负载，并关闭邻近锂电池密封储柜单元1的进气阀10、排气阀11，进入消防的预备状态；同时提高循环风机4的流量，将系统中的气体大量通向热失控抗爆储柜9，通过加大气流冷却来阻止电池热失控；
16.(3)一旦气体冷却难以阻止锂电池热失控，某个锂电池储能单元发生燃烧爆炸时，仅留燃烧爆炸锂电池密封储柜单元1的排气阀11常开，关闭系统的负载和所有的主管道阀5、进气阀10、排气阀11；通过排风管3将锂电池燃烧爆炸所产生的可燃烟气导入到气体缓冲罐7中，待锂电池燃烧爆炸完全停止后，再进行无害化处理；
17.(4)一旦更多锂电池密封储柜单元1内的锂电池发生燃烧爆炸时，继续打开燃烧爆炸锂电池密封储柜单元1的排气阀11，将可燃烟气导入到气体缓冲罐7中；当气体缓冲罐7中压力超过安全阈值时，立即打开过载排空阀8，防止压力冲开抗爆储柜9，发生可燃烟气泄漏。
18.所述的闭式气体循环系统充入的阻燃气体工质为二氧化碳、氮气、氩气、全氟烷烃、全氯烷烃、氯氟烷烃、溴氟烷烃中的一种以及它们的混合气，以二氧化碳为最佳。
19.本发明的效果和益处是：
20.(1)使用控制气体循环，实现了对储能电站的每个锂电池储能单元的控制，使其工作温度均匀地处于最佳状态。
21.(2)充加防火防爆惰性气体的闭式系统，隔绝了锂电池热失控的可燃烟气与大气接触，防止了可燃气云着火与爆炸，以及烟气对环境的污染。
22.(3)与常规设计相比，储能电站系统更易于与电气控制、消防控制相配合，构成完整的自动控制系统，更适于大型储能电站建设。
23.(4)密封的闭式设计避免了大气湿度、结露等问题对电气设备影响，因此更适于在潮湿多雨地区应用。
24.(5)密封闭式系统还可以降低电池电解液意外泄漏的风险，防止电解液对环境的污染，同时也可提高了电站的抗地震、水灾、雷击等自然灾害的能力。
附图说明
25.图1是锂电池储能电站系统的示意图。
26.图中：1密封储柜单元；2进风管；3排风管；4循环风机；5主管道阀；6温控器；7气体缓冲罐；8过载排空阀；9抗爆储柜；10进气阀；11排气阀。
具体实施方式
27.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
28.实施例1：
29.采用3.7v电压180ah的三元锂离子电池，经采用锂离子电池热失控试验，收集气体产物得到热失控的产气量0.332m3。以5个三元锂离子电池组成储能单元。储能单元容量为900ah，3.33kwh，重量15.2kg，体积约7l(425
×
154
×
107mm)，热失控产气量为vg＝6
×
0.332m3＝1.660m3。将气体缓冲罐7设计成长方体vc＝2.3m
×
2.3m
×
2.0m＝10.58m3。忽略排
风管3和密封储柜11体积，根据系统初始压力p0＝0.1mpa，可以简单计算出锂电池储能单元完全燃烧时，封闭系统内的最大静压力为：
30.p＝p0(vg+vc)/vc＝0.1
×
(1.660+10.58)/10.58＝0.116mpa
31.故上述压力是缓冲罐7、排风管3、主管道阀5、排气阀11的最大静压力。取安全系数1.26，这些部件可按承压0.15mpa设计。设计过载排空阀8打开的压力安全阈值为0.14mpa。由于在锂电池燃烧爆炸时，抗爆储柜9要经过高温炙烤，故将抗爆储柜9和进气阀10按承压0.2mpa设计，安全系数约1.68。将抗爆储柜9设计成内腔深度550mm、宽280mm、高220mm的钢制长方体(体积33.88l)，密封门设计在宽、高方向，尺寸较小便于的承压。排气阀11口径取dn60，进气阀10口径取为dn40，进排气支管均采用普通钢管(承压2.5mpa)，与抗爆储柜9焊接连接。
32.按40个锂电池密封储柜单元1并联入主管道，主管道口径采用dn200(含进风管2和排风管3)，选材为普通钢管。循环风机4选用防爆中压鼓风机，流量70m3/min(功率11kw)，考虑流程阻力，静流量不小于60m3/min＝1m3/s，分配给每个锂电池密封储柜单元1的流量q为2.5
×
10-2
m3/s。如果系统中使用二氧化碳作为工质，二氧化碳密度ρ＝1.754kg/m3，定压比热c
p
＝855.5kj/kg/k，设进出口温度相差δt＝5k，按下式可计算出每个锂电池密封储柜单元1中气流的散热功率为：
33.n＝ρqc
p
δt＝1.754
×
2.5
×
10-2
×
855.5
×
5＝187.6w
34.将气流散热功率n除以储能单元的功率ne(＝900a
×
3.7v＝3330w)，可得散热功率比为：
35.n＝n/ne＝187.6/3330＝5.63％
36.通常锂电池内阻消耗约总功率的5％，由此可见，气流散热功率比完全满足散热要求。
37.最后，以40
×
187.6＝7504w散热量配置上温控器6，按dn200配置过载排空阀8和主管道阀5的口径，建立了由200个锂电池单体、40个锂电池储能单元构成的锂电池储能电站，存储电能总容量为133.2kwh。
38.由p0＝0.7mpa，t0＝303k；取二氧化碳比热比γ＝1.30，计算出经膨胀至常压p1＝0.1mpa的进口温度t1＝193k。出口温度为t3＝303k，温差δt＝303-193＝110k
39.n＝ρqc
p
δt＝1.754
×
2.5
×
10-2
×
855.5
×
5＝187.6w
40.q＝1.2*n/(ρc
p
δt)＝200/(1.754
×
855.5
×
110)＝1.212
×
10-3
m3/s＝4.36m3/hr
41.