储能电池消防系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种储能电池消防系统及其控制方法。

背景技术

风电等新能源发电规模的不断扩大及电网侧调峰调频需求的增长，锂电池储能作为其配套的电能储备、调节系统建设规模也不断扩大，目前锂电池储能电站作为新型储能技术已在新能源发电侧、电网侧系统、用户侧广泛推广运用。而储能是非常复杂的直流系统，一个储能电池系统至少包括多个电池包，且每个电池包是由诸多电池单体进行串联或并联组成的，每个电池包中的单个电池单体能量其实并不高，但是当某个电池单体发生热失控时，其会产生大量的热辐射，并喷出的电解液，大量的热辐射会迅速升高周边的电池单体，从而引发连锁反应，同时喷出的电解液会降低电池单体的爬电距离，极易引发高压短路，从而发生更为恶劣的连锁爆炸。

发明人所知道一种储能电池包级浸没式灭火系统、电池热失控检测方法，在电池发生火势时，其通过将消防液体完全浸没整个电池包，从而达到消防的作用，但是，此种方式一方面，难以对故障电池单体及故障电池单体周边的其它电池单体进行快速降温，导致其它电池单体因故障电池单体的热辐射而产生连锁热失控反应；另一方面，难以将故障电池单体内部的电解液和活性物质排除电池包外，导致易发生故障电池单体的起火的问题。

因此，上述系统仍然存在很大的安全隐患，导致储能系统的安全性降低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种储能电池消防系统及其控制方法，上述储能电池消防系统可以大幅度提高储能系统的安全性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种储能电池消防系统，包括：供给装置，被构造为用于提供冷却液并驱动冷却液流动；电池包，包括壳体、位于壳体内的多个电池单体及穿设于壳体的液冷管路，液冷管路的出液口与供给装置的进口连通，液冷管路位于多个电池单体的一侧；消防组件，包括均与壳体的内部连通的消防进水管和消防出水管，消防出水管的一端与壳体的内部连通，消防出水管的另一端穿出壳体；控制器；切换装置，与控制器控制连接，控制器通过切换装置使供给装置的出口选择性地与液冷管路的进液口和消防进水管中的一个连通，储能电池消防系统至少具有使冷却液经供给装置、消防进水管流入壳体的内部并经消防出水管流出的消防状态，以及使冷却液经供给装置、液冷管路的进液口流入液冷管路并经液冷管路的出液口回到供给装置的液冷状态。

进一步地，储能电池消防系统还包括位于壳体内的液位检测元件，液位检测元件被构造为能够检测壳体内冷却液的液位；液位检测元件和供给装置均与控制器控制连接，控制器根据液位检测元件反馈的液位信息控制供给装置的冷却液输出速率，以控制冷却液的液位高度。

进一步地，消防出水管内设有温度检测元件，温度检测元件与控制器控制连接，控制器根据温度检测元件反馈的冷却液的温度信息控制切换装置的动作。

进一步地，储能电池消防系统还包括设置于壳体且与控制器控制连接的气压检测元件和/或可燃气体浓度检测元件，控制器根据气压检测元件和可燃气体浓度检测元件中的至少一个反馈的信息控制切换装置的动作。

进一步地，储能电池消防系统还包括设置于壳体且与控制器控制连接的温度检测件，控制器根据温度检测件反馈的环境温度控制切换装置的动作。

进一步地，切换装置具有进口端、第一出口端和第二出口端，进口端选择性地与第一出口端和第二出口端中的一个连通；其中，进口端与供给装置的出口连通，第一出口端与消防进水管连通，第二出口端与液冷管路的进液口连通。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种储能电池消防系统的控制方法，采用上述的储能电池消防系统进行控制，控制方法包括：使储能电池消防系统处于液冷状态；获取各电池单体的温度、电压信息以及电池包内环境温度、可燃气体浓度及气压信息中的至少一种信息；控制器根据获取的信息判断电池包是否存在异常，如果是，则执行切换装置使储能电池消防系统由液冷状态切换至消防状态的切换步骤，如果否，则执行使储能电池消防系统保持在液冷状态的保持步骤。

进一步地，在切换步骤之后，控制方法还包括：检测壳体内冷却液的液位信息；控制器根据液位信息控制供给装置的冷却液输出速率，以控制冷却液的液位高度的液位控制步骤。

进一步地，液位控制步骤包括：判断壳体内冷却液的液位是否低于预设液位，如果是，控制器控制供给装置提高冷却液输出速率，如果否，控制器控制供给装置降低冷却液输出速率，其中，预设液位与电池单体的极柱之间的距离大于或等于5cm。

进一步地，在切换步骤之后，控制方法还包括：采集消防出水管内的液体温度；判断液体温度是否小于或等于预设温度，如果是，则执行控制切换装置使储能电池消防系统停止消防，等待维修的步骤，如果否，则执行保持使储能电池消防系统处于消防状态的步骤。

进一步地，切换步骤包括：控制器控制切换装置打开第一出口端，并关闭第二出口端。

应用本发明的技术方案，当储能电池处于正常工作状态(即储能电池未起火)时，控制器通过切换装置使供给装置的出口与液冷管路的进液口连通，使冷却液经供给装置、液冷管路的进液口流入液冷管路并经液冷管路的出液口回到供给装置，这样，位于壳体内的液冷管路可以对多个电池单体进行降温，实现冷却效果，以避免电池包因温度较高而发生故障；而当储能电池发生火势时，控制器通过切换装置使供给装置的出口与消防进水管连通，使冷却液经供给装置、消防进水管流入壳体的内部并经消防出水管流出，这样，流动的冷却液不仅可以快速对故障电池单体进行降温和灭火，也可以对故障电池单体周边的电池单体进行快速降温，避免其它电池单体因故障电池单体的热辐射而产生连锁热失控反应，同时，流动的冷却液可以将故障电池单体内部的电解液和活性物质通过消防出水管排出电池包外，从而避免故障电池单体起火的问题，这样可以大幅度提高储能系统的安全性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的储能电池消防系统的实施例的结构示意图；

图2示出了图1的储能电池消防系统的电池包内液位与电池单体的极柱的位置关系示意图；

图3示出了图1的储能电池消防系统的控制原理图；以及

图4示出了本发明的储能电池消防系统的控制方法的实施例的流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、供给装置；21、液冷管路；22、壳体；23、电池单体；24、液冷进液管；25、液冷回液管；231、极柱；31、消防进水管；32、消防出水管；50、控制器；60、切换装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图3所示，本发明的实施例提供了一种储能电池消防系统。储能电池消防系统包括供给装置10、电池包、消防组件、控制器50和切换装置60。供给装置10被构造为用于提供冷却液并驱动冷却液流动；电池包包括壳体22、位于壳体22内的多个电池单体23及穿设于壳体22的液冷管路21，液冷管路21的出液口与供给装置10的进口连通，液冷管路21位于多个电池单体23的一侧；消防组件包括均与壳体22的内部连通的消防进水管31和消防出水管32，消防出水管32的一端与壳体22的内部连通，消防出水管32的另一端穿出壳体22；切换装置60与控制器50控制连接，控制器50通过切换装置60使供给装置10的出口选择性地与液冷管路21的进液口和消防进水管31中的一个连通，储能电池消防系统至少具有使冷却液经供给装置10、消防进水管31流入壳体22的内部并经消防出水管32流出的消防状态，以及使冷却液经供给装置10、液冷管路21的进液口流入液冷管路21并经液冷管路21的出液口回到供给装置10的液冷状态。

上述技术方案中，当储能电池处于正常工作状态(即储能电池未起火)时，控制器50通过切换装置60使供给装置10的出口与液冷管路21的进液口连通，使冷却液经供给装置10、液冷管路21的进液口流入液冷管路21并经液冷管路21的出液口回到供给装置10，这样，位于壳体22内的液冷管路21可以对多个电池单体23进行降温，实现冷却效果，以避免电池包因温度较高而发生故障；而当储能电池发生火势时，控制器50通过切换装置60使供给装置10的出口与消防进水管31连通，使冷却液经供给装置10、消防进水管31流入壳体22的内部并经消防出水管32流出，这样，流动的冷却液不仅可以快速对故障电池单体进行降温和灭火，也可以对故障电池单体周边的电池单体进行快速降温，避免其它电池单体因故障电池单体的热辐射而产生连锁热失控反应，同时，流动的冷却液可以将故障电池单体内部的电解液和活性物质通过消防出水管32排出电池包外，从而避免故障电池单体起火的问题，这样可以大幅度提高储能系统的安全性。

优选地，本发明的实施例中，控制器为微网控制器。

优选地，本发明的实施例中，供给装置10为液冷机组，这样，可以避免额外设置用于提供冷却液并驱动冷却液流动的装置，以降低成本；且液冷机组一机两用，提高了液冷机组的使用价值，并提高了储能系统的集成度，优化了储能系统空间和重量，以提高产品竞争力。

具体地，本发明的实施例中，储能电池消防系统包括多个电池包和与多个电池包对应的消防组件，以使每个电池包均能够被降温消防。

具体地，本发明的实施例中，多个电池包呈两列布置，储能电池消防系统还包括位于上述多个电池包的两侧的两个液冷进液管24、与多个电池包对应设置的多个进液支管、与多个电池包对应的多个出液支管以及位于两列电池包之间的液冷回液管25。其中，多个进液支管呈两列布置，两列进液支管分别与两个液冷进液管24连通，多个出液支管呈两列布置，两列出液支管均与液冷回液管25连通。上述结构简单，且便于安装。

发明人所知道的储能电池包级浸没式灭火系统、电池热失控检测方法，通过将储能系统的冷却液作为消防液体使用，因消防液体的主要成分为水，其必然是导体，而当有电的电池浸没在导体内则容易发生短路，虽然冷却液可以为电池单体降温，不会产生大量明火，但整个电池包内的单体同一时间短路引爆仍会造成炸包和电解液飞溅的现象，极易造成周边的电池包高压短路，仍存在很大的安全隐患。

因此，为解决上述问题，如图1和图2所示，本发明的实施例中，储能电池消防系统还包括位于壳体22内的液位检测元件，液位检测元件被构造为能够检测壳体22内冷却液的液位；液位检测元件和供给装置10均与控制器50控制连接，控制器50根据液位检测元件反馈的液位信息控制供给装置10的冷却液输出速率，以控制壳体22内冷却液的液位高度。

上述技术方案中，设定冷却液的液面与电池单体极柱之间的距离，以确定预设液位，通过液位检测元件检测电池包内的液位，当冷却液的液面超过预设液位时，控制器50根据液位检测元件反馈的液位信息降低供给装置10的冷却液输出速率，这样可以降低电池包内的液位，从而可以控制液位高度，这样，可以避免冷却液完全浸没电池单体的极柱，确保冷却液与电池单体的极柱之间保留足够的安全电气间隙，从而可以避免电池单体因冷却液而外部短路，并可以有效避免故障电池包对周边电池包产生的影响，进而针对性的对储能电池内的电池包做到安全有效的消防，以提高储能电池的消防安全性。

需要说明的是，本发明的实施例中，若电池包内的液位过高，当电池单体因故障爆炸时，其喷出的电解液极易附着在电池单体的外表面和冷却液表面，从而将相邻两个电池单体的正负极导通，形成外部短路，进一步造成电池单体爆炸。

优选地，本发明的实施例中，液位检测元件为液位传感器。

具体地，本发明的实施例中，微网控制器通过电池包内的液位传感器采集的冷却液的液位信息，并通过PID(比例积分微分控制)方法控制液冷机组，以实现控制冷却液的流速，使得冷却液的高度维持在设定的位置。

具体地，本发明的实施例中，储能电池消防系统还包括电池管理系统(BMS)，液位传感器与电池管理系统(BMS)电性连接，电池管理系统(BMS)收集液位传感器信号并将信号转发给微网控制器，液位传感器用于告知微网控制器电池包内当前的液位状态，若液位高于预设液位，则微网控制器协调液冷机组，对电池包的液位状态进行PID(比例积分微分控制)控制，确保电池包内冷却液的液位维持在设定的高度。

优选地，本发明的实施例中，电池包内的液位高度与电池单体极柱的距离不低于5cm，可以根据上述间距设置预设液位。

在一个实施例中，也可以使冷却液进入电池包内，并浸没电池单体至50％，并从消防出水管32排出，消防出水管32为单向导通，且消防出水管32直接与电池箱体外部连通。这样可以避免出现电池单体短路的问题，也可以实现快速消防。

具体地，本发明的实施例中，消防出水管32内设有温度检测元件，温度检测元件与控制器50控制连接，控制器50根据温度检测元件反馈的冷却液的温度信息控制切换装置60的动作。

通过上述设置，温度检测元件可以采集排水温度，控制器50通过判断排水温度是否达到预设温度，来判断电池包内的消防状态，这样，控制器50可以通过控制切换装置60使储能电池消防系统停止消防，等待维修，或者，使储能电池继续保持处于消防状态。

具体地，本发明的实施例中，通过关闭切换装置60，从而使供给装置10的出口与液冷管路21的进液口和消防进水管31均断开，这样，可以使储能电池消防系统停止消防。

优选地，本发明的实施例中，温度检测元件为温度传感器。

具体地，本发明的实施例中，储能电池消防系统还包括设置于壳体22且与控制器50控制连接的气压检测元件和可燃气体浓度检测元件，控制器50根据气压检测元件和可燃气体浓度检测元件反馈的信息控制切换装置60的动作。

通过上述设置，气压检测元件可以检测电池包内的气压状态，可燃气体浓度检测元件可以检测电池包内的可燃气体浓度状态，当电池包内发生因电池故障引起的冒烟或起火时，控制器可即时获知，并控制切换装置60使供给装置10的出口与消防进水管31连通，使冷却液经供给装置10、消防进水管31流入壳体22的内部并经消防出水管32流出，这样，流动的冷却液不仅可以快速对故障电池单体进行降温和灭火，也可以对故障电池单体周边的电池单体进行快速降温，避免其它电池单体因故障电池单体的热辐射而产生连锁热失控反应，同时，流动的冷却液可以将故障电池单体内部的电解液和活性物质通过消防出水管32排出电池包外，从而避免故障电池单体起火的问题，这样可以大幅度提高储能系统的安全性。

具体地，本发明的实施例中，气压检测元件和可燃气体浓度检测元件均与电池管理系统(BMS)电性连接，电池管理系统(BMS)收集液位传感器信号并将信号转发给微网控制器。

优选地，本发明的实施例中，可燃气体浓度检测元件为可燃气体探测器。

具体地，本发明的实施例中，储能电池消防系统还包括设置于壳体22且与控制器50控制连接的温度检测件，控制器50根据温度检测件反馈的环境温度控制切换装置60的动作。

通过上述设置，温度检测件可以检测电池包内外的温度(即环境温度)，当电池包内发生起火而导致温度升高时，控制器可即时获知，并控制切换装置60使供给装置10的出口与消防进水管31连通，使冷却液经供给装置10、消防进水管31流入壳体22的内部并经消防出水管32流出，这样，流动的冷却液不仅可以快速对故障电池单体进行降温和灭火，也可以对故障电池单体周边的电池单体进行快速降温，避免其它电池单体因故障电池单体的热辐射而产生连锁热失控反应，同时，流动的冷却液可以将故障电池单体内部的电解液和活性物质通过消防出水管32排出电池包外，从而避免故障电池单体起火的问题，这样可以大幅度提高储能系统的安全性。

具体地，本发明的实施例中，温度检测件与电池管理系统(BMS)电性连接，电池管理系统(BMS)收集温度检测件信号并将信号转发给微网控制器。

具体地，本发明的实施例中，切换装置60具有进口端、第一出口端和第二出口端，进口端选择性地与第一出口端和第二出口端中的一个连通；其中，进口端与供给装置10的出口连通，第一出口端与消防进水管31连通，第二出口端与液冷管路21的进液口连通。

上述技术方案中，通过使进口端与第一出口端连通，可以使储能电池消防系统处于消防状态；通过使进口端与第二出口端连通，可以使储能电池消防系统处于液冷状态，这样，可以使储能电池消防系统在消防状态与液冷状态之间切换。

优选地，本发明的实施例中，切换装置60为电磁换向阀。

具体地，本发明的实施例中，电池管理系统(BMS)可以采集电池包温度和电压信息，且微网控制器与电池管理系统(BMS)电性连接。

需要说明的是，本发明的实施例中，电池管理系统(BMS)将电池单体温度、电压以及电池包环境温度、电池包内的可燃气体浓度、电池包内的气压等数据采集并上传微网控制器，微网控制器根据内置故障诊断算法、判断逻辑以及检测的信息来分析储能电池是否存在故障，并根据故障情况来使储能电池消防系统在消防状态与液冷状态之间切换。上述故障诊断算法、判断逻辑以及检测的信息可以采用现有技术，此处不再赘述。

优选地，本发明的实施例中，电池包内电池单体的外壁包覆有绝缘膜，可隔绝电池单体与壳体22，避免电池单体漏电。

优选地，本发明的实施例中，电池管理系统(BMS)采用STM32f4系列微控制器，控制器MC采用ARM-A8处理器。

优选地，本发明的实施例中，冷却液为乙二醇和水的混合物。

需要说明的是，本发明的实施例的储能电池消防系统取代了传统的七氟丙烷消防系统，从而降低储能电池消防系统的成本，进而降低储能电池消防系统的复杂程度。

如图4所示，本发明的实施例提供了一种储能电池消防系统的控制方法。采用控制上述的储能电池消防系统进行控制，控制方法包括：使储能电池消防系统处于液冷状态；获取各电池单体23的温度、电压信息以及电池包内环境温度、可燃气体浓度及气压信息中的至少一种信息；控制器50根据获取的信息判断电池包是否存在异常，如果是，则执行切换装置60使储能电池消防系统由液冷状态切换至消防状态的切换步骤，如果否，则执行使储能电池消防系统保持在液冷状态的保持步骤。

上述技术方案中，当储能电池处于正常工作状态(即储能电池未起火)时，可以使储能电池消防系统处于液冷状态，这样，位于壳体22内的液冷管路21可以对多个电池单体23进行降温，实现冷却效果，以避免电池包因温度较高而发生故障；而当电池包存在异常时，控制器50通过切换装置60使供给装置10的出口与消防进水管31连通，使冷却液经供给装置10、消防进水管31流入壳体22的内部并经消防出水管32流出，以使储能电池消防系统处于消防状态，这样，流动的冷却液不仅可以快速对故障电池单体进行降温和灭火，也可以对故障电池单体周边的电池单体进行快速降温，避免其它电池单体因故障电池单体的热辐射而产生连锁热失控反应，同时，流动的冷却液可以将故障电池单体内部的电解液和活性物质通过消防出水管32排出电池包外，从而避免故障电池单体起火的问题，这样可以大幅度提高储能系统的安全性。

具体地，本发明的实施例中，冷却液通过消防进水管31进入电池包内，直接对电池单体的外壁进行降温和灭火，可以大幅度提高降温效果，并且冷却液可将故障电池单体喷出的电解液和故障电池单体内的活性物质从消防出水管32排出，从而实现快速消防。

需要说明的是，本发明的实施例中，各电池单体23的温度、电压信息以及电池包内环境温度、可燃气体浓度及气压信息中的至少一种超过预设值，即可判断电池包存在异常。

具体地，本发明的实施例中，在判断步骤电池包是否存在异常之后，在切换步骤之前，可以控制储能电池停止充放电工作。

如图4所示，本发明的实施例中，在切换步骤之后，控制方法还包括：检测壳体22内冷却液的液位信息；控制器50根据液位信息控制供给装置10的冷却液输出速率，以控制冷却液的液位高度的液位控制步骤。

上述技术方案中，通过液位检测元件检测电池包内的液位，控制器50根据液位检测元件反馈的液位信息降低供给装置10的冷却液输出速率，这样可以控制液位高度，以避免冷却液完全浸没电池单体的极柱，从而可以避免电池单体因冷却液而外部短路，并可有效避免故障电池包对周边电池包产生的影响，进而针对性的对储能电池内的电池包做到安全有效的消防，以提高储能电池的消防安全性。

如图4所示，本发明的实施例中，液位控制步骤包括：判断壳体22内冷却液的液位是否低于预设液位，如果是，控制器50控制供给装置10提高冷却液输出速率，如果否，控制器50控制供给装置10降低冷却液输出速率，其中，预设液位与电池单体23的极柱231之间的距离大于或等于5cm。

上述技术方案中，可以根据需要自行设定冷却液的液面与电池单体极柱之间的距离，以确定预设液位，当冷却液的液面超过预设液位时，控制器50根据液位检测元件反馈的液位信息降低供给装置10的冷却液输出速率，这样可以降低电池包内的液位，以避免冷却液完全浸没电池单体的极柱，从而可以避免电池单体因冷却液而外部短路，并可有效避免故障电池包对周边电池包产生的影响，进而针对性的对储能电池内的电池包做到安全有效的消防，以提高储能电池的消防安全性。

具体地，本发明的实施例中，在切换步骤之后，控制方法还包括：采集消防出水管32内的液体温度；判断液体温度是否小于或等于预设温度，如果是，则执行控制切换装置60使储能电池消防系统停止消防，等待维修的步骤，如果否，则执行保持使储能电池消防系统处于消防状态的步骤。

通过上述设置，控制器50通过判断排水温度是否达到预设温度，来判断电池包内的消防状态，这样，控制器50可以通过控制切换装置60使储能电池消防系统停止消防，等待维修，或者，使储能电池继续保持处于消防状态，从而更好地保证储能电池的安全性。

具体地，本发明的实施例中，切换步骤包括：控制器50控制切换装置60打开第一出口端，并关闭第二出口端。这样，可以使供给装置10与消防进水管31连通，从而将储能电池消防系统切换至消防状态。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：当储能电池处于正常工作状态(即储能电池未起火)时，控制器通过切换装置使供给装置的出口与液冷管路的进液口连通，使冷却液经供给装置、液冷管路的进液口流入液冷管路并经液冷管路的出液口回到供给装置，这样，位于壳体内的液冷管路可以对多个电池单体进行降温，实现冷却效果，以避免电池包因温度较高而发生故障；而当储能电池发生火势时，控制器通过切换装置使供给装置的出口与消防进水管连通，使冷却液经供给装置、消防进水管流入壳体的内部并经消防出水管流出，这样，流动的冷却液不仅可以快速对故障电池单体进行降温和灭火，也可以对故障电池单体周边的电池单体进行快速降温，避免其它电池单体因故障电池单体的热辐射而产生连锁热失控反应，同时，流动的冷却液可以将故障电池单体内部的电解液和活性物质通过消防出水管排出电池包外，从而避免故障电池单体起火的问题，这样可以大幅度提高储能系统的安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。