一种应用于储能电站的喷发燃气抑发装置

技术领域

本发明涉及储能电站，尤其是涉及一种应用于储能电站的喷发燃气抑发装置。

背景技术

锂电池组使用过程中，各种电化学变化和物理变化导致产生大量的热量，而如果这些热量得不到很好的散发或形成局部挤压，会对电池系统的容量、使用寿命等产生影响，极端情况下甚至有火灾风险，火灾风险不仅包括传统的变压器火灾、电缆火灾等，还包括电池火灾。相较液流电池、铅酸电池等水系电池，有机系锂电池的火灾风险较为突出。锂电池在过充过放、短路、挤压等滥用条件下，内部发生正负极与电解液反应、电解液分解等一系列放热反应，引起电池热失控，从而导致火灾的发生。锂电池火灾具有起火速度快、热分解产物毒性强、灭火困难等特点。爆炸风险主要包括电池本体爆炸和变电设备爆炸两类。目前磷酸铁锂电池固体可燃物及其电解液液体可燃物的燃烧特性已经取得一定程度的进展，主要为单体电芯或数只电芯组合的小容量模组的定性实验研究。国内外一些团队对热失控及热扩展早期形成识别方法进行了研究，主要包括以下几种方法：①通过BMS获取的电池表体温度、电压、电流和放电倍率参数作为判别条件的研究；②基于电池模组的压力应变的检测方法；③基于内阻变化的热失控探测研究；④电池过充和加热导致热失控试验，采集气体，并用色谱分析法进行气体成分及含量的分析来判别热失控的预警方法。随着锂离子电池新材料的研发、电池制作技术的创新以及众多科研机构和企业的参与，锂离子电池的性能正日益提高，单体安全性能也得到极大提高。但由于大规模储能系统单体电池容量更大，电池簇单体数量更多，电池簇并联数量更大，电池堆电流更大，电池簇充放电深度更深，电池簇运行一致性和寿命要求更为严格，在使用过程中极易出现局部热失控现象，存在巨大的安全隐患。由于电池单体的不一致性，由多只电池电芯串并联后组成的电池模组或电池簇危险性将大幅增加，有关大容量电池模组或电池簇的燃烧特性研究却较少。相关研究表明：磷酸铁锂电池在过充电情况下主要反应形式为持续释放大量的可燃烟雾，持续时间长，一般不会发生主动式着火或者爆炸，但电池热失控过程中会产生大量有毒可燃烟气，在封闭空间内具有爆炸的风险。但现有研究证明，固体灭火剂对扑灭锂电池火灾效果不佳，水具有强大的降温能力，但有些试验证明细水雾具有良好的灭火效果，有些试验灭火效果则较差。细水雾对于小容量磷酸铁锂电池尚存在失效的情况，如果将之应用在大规模储能舱中，难免存在风险。

发明内容

基于对现有技术的分析发现，锂离子电池因其自身和外部条件导致热失控包括最终燃烧的整个过程，都伴随着可燃气体缓慢释放、泄压、电解液和反应气体释放、快速分解产生烟雾、高热至火焰的产生。电池系统一般处于稳态的电池包环境，相对正常稳态环境，其采集的上述数据呈现稳态变化特性，而一旦热失控产生，势必引起气象、烟雾、温度和光敏传感器的数据异常变化。所以首先要通过实验确定在不同的阶段，电池参数的变化以及呈现出来的现象有何差异，研究储能电池热安全标准和预警参数。

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一种安全性更高、可靠性更好、能够保护工作人员安全的应用于储能电站的喷发燃气抑发装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于储能电站的喷发燃气抑发装置，包括控制主机以及与控制主机电性连接的监测机构、报警机构、气体喷头和泄压机构，所述的控制主机设有操作开关、UPS电源和通讯接口，并分别通过UPS电源和通讯接口与储能电站的站内电源和电池管理系统电性连接；

所述的监测机构用于对站内的多项参量进行监测记录，并将数据反馈至控制主机；

所述的报警机构与监测机构联动，用于在监测参量异常时，并受控制主机控制，发出相应的报警；

所述的气体喷头与站内气体灭火器相连，用于在监测参量经过预设时间后还没有恢复正常或有明火产生时启动灭火；

所述的泄压机构用于在监测参量异常时打开，以及时排出可燃易爆物质。

优选地，所述的监测机构包括市售的温度监测器、烟雾监测器和可燃气体监测器，分别与控制主机电性连接。

优选地，所述的报警机构包括与监测机构联动的温度报警器、烟雾报警器和可燃气体报警器、以及与气体喷头联动的喷洒指示灯。

优选地，所述的报警机构采用声/光报警器的形式。

优选地，所述的控制主机还与站内空调相连，用于根据站内的温度变化，动态调节冷气的排放，并在监测参量异常且气体喷头启动前关闭站内空调。

优选地，所述的站内空调还与电池管理系统电性连接。

优选地，所述的泄压机构设置于储能电站上，该泄压机构设有泄压阀，所述的泄压阀与控制主机电性连接。

优选地，所述的操作开关包括自动启动/停止开关、手动启动/停止开关以及自动/手动切换开关。

优选地，所述的UPS电源为在线互动式UPS电源。

优选地，所述的通信接口包括交换机接口、Profibus接口、RS485接口和/或Namur开关。

本发明中的喷发燃气抑发装置与电池管理系统相连接，可以实现信息共享，起到协同工作的效果。整个装置由控制主机、报警机构、监测机构、气体喷头和泄压机构等部件组成。装置内设有控制主机，控制主机内装有在线互动式UPS电源，可以在发生电路故障的情况下保证储能电站的正常供电。控制主机除了负责整个装置的电源管理，还要负责收集装置内监测机构测得的实时数据，并将数据进行保存备份，以备需要时可以调取。控制主机里还设有多种通信接口，主要包括交换机接口、Profibus、RS485接口和/或Namur开关，可以满足常用的组网通信方式。通信接口与站内的电池管理系统相连，采用与电池监测系统智慧联动的安全管理策略，控制储能舱内的泄压机构，确保在站内出现异常时及早排出可燃易爆物质。控制主机同时连接站内空调，可以根据测得的站内温度数据，动态调节冷气，更重要的是在发生事故时能在灭火装置被启动前关闭空调。控制主机通过内部设备供电与通信线路和站内的各监测器相连接，监测器负责对站内的气体浓度、烟雾浓度和温度等动态参量进行监测记录，并将数据反馈至控制主机。报警器机构通过报警器线路和控制主机相连，当主机接收到监测机构反馈的异常数据，报警器将会被启动。储能电站内装有温度报警器、烟雾报警器和气体报警器，这三种报警器分别和各自对应的监测器联动，各自独立的获取相应监测数据，在某项数据异常时，相应的警报器会发出警报，这样在发生事故时，也可以直接判断事故原因。如果在一定时间内，气体浓度、温度等参量仍未恢复正常，或者有明火产生时，控制主机将通过灭火器启动装置线路直接启动站内的气体喷头喷发气体进行灭火，气体喷头有延时功能，保证工作人员能及时撤离事故现场。同时控制主机内设有完备的操作开关模块，整个灭火装置可以处在自动模式，即由系统直接发出启动或停止命令，也可以通过自动/手动切换开关切换成手动模式，在站内有工作人员的情况下保证人员安全。

与现有技术相比，本发明首先安全性更高，已有研究中有些试验证明细水雾具有良好的灭火效果，有些试验灭火效果则较差，同时细水雾对于小容量磷酸铁锂电池尚存在失效的情况，如果将之应用在大规模储能舱中，难免存在风险，而本发明采用气体作为灭火剂，可以避免这一问题。其次，所装配的多监测器组合的监测系统，可以准确的获取电池仓内气体浓度和温度等参数的变化，继而在联动系统的作用下根据设定的热安全标准和预警参数，作出相应动作。另外，系统配置的手动模式以及延时喷发功能更能起到保护工作人员人身安全的作用。

附图说明

图1为本发明喷发燃气抑发装置的结构示意图。

图2为本发明喷发燃气抑发装置的通讯接口示意图。

图3为本发明喷发燃气抑发装置的监测机构的示意图。

图4为本发明喷发燃气抑发装置的报警机构的示意图。

图5为本发明喷发燃气抑发装置的操作开关的示意图。

图中，1为控制主机，11为操作开关，111为自动启动/停止开关，112为手动启动/停止开关，113为自动/手动切换开关，12为UPS电源，13为通讯接口，131为交换机接口，132为Profibus接口，133为RS485接口，134为Namur开关，2为监测机构，21为温度监测器，22为烟雾监测器，23为可燃气体监测器，3为报警机构，31为温度报警器，32为烟雾报警器，33为可燃气体报警器，34为喷洒指示灯，4为气体喷头，5为泄压机构，6为站内电源，7为电池管理系统，8为站内空调，9为后台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种应用于储能电站的喷发燃气抑发装置，如图1所示，包括控制主机1以及与控制主机1电性连接的监测机构2、报警机构3、气体喷头4和泄压机构5，控制主机1设有操作开关11、UPS电源12和通讯接口13，并分别通过UPS电源12和通讯接口13与储能电站的站内电源6和电池管理系统7电性连接；监测机构2用于对站内的多项参量进行监测记录，并将数据反馈至控制主机1；报警机构3与监测机构2联动，用于在监测参量异常时，受控制主机控制，发出相应的报警；气体喷头4与站内气体灭火器相连，用于在监测参量经过预设时间后还没有恢复正常或有明火产生时启动灭火；泄压机构5用于在监测参量异常时打开，以及时排出可燃易爆物质。

更具体地，本实施例中：

如图3所示，优选监测机构2包括市售的温度监测器21、烟雾监测器22和可燃气体监测器23，分别与控制主机1电性连接。如图4所示，优选报警机构3包括与监测机构2联动的温度报警器31、烟雾报警器32和可燃气体报警器33、以及与气体喷头4联动的喷洒指示灯34。进一步优选报警机构3采用声/光报警器的形式，也可以根据需要选择其他形式的报警器。优选控制主机1还与站内空调8相连，用于根据站内的温度变化，动态调节冷气的排放，并在监测参量异常且气体喷头3启动前关闭站内空调8。站内空调8还与电池管理系统7电性连接。优选泄压机构5设置于储能电站上，该泄压机构5设有泄压阀，泄压阀与控制主机1电性连接。如图5所示，优选操作开关11包括自动启动/停止开关111、手动启动/停止开关112以及自动/手动切换开关113。优选UPS电源12为在线互动式UPS电源。如图2所示，优选通信接口13包括交换机接口131、Profibus接口1 32、RS485接口133和/或Namur开关134。

控制主机1作为主体，负责管理整个系统内的所有电源，以及负责整个系统的联动控制。控制主机1内装有在线互动式UPS电源，可以在发生电路故障的情况下保证储能电站的正常供电。当监测机构2根据实际情况，设计在储能电站内方便测量相关参量之处，在监测到实时数据后，控制主机1会对数据进行记录，并且可以储存以供查询。其内置的通信接口13如图2所示，主要包括交换机接口131、Profibus接口132、RS485接口133和/或Namur开关134四类，通信接口13和电池管理系统7相连接，可以将控制主机1所获取到的信息和数据及时反馈至电池管理系统7，实现对电池模组的高效动态管理，电池管理系统7再将所获取的数据和信息反馈至后台9系统进行备份以待用。站内空调8和电池管理系统8相连接的同时，也和控制主机1相连接，方便根据站内的温度变化，动态调节冷气的排放。站内的监测机构2通过内部设备供电与通信线路和控制主机1连接，如图3所示，主要包括温度监测器21、烟雾监测器22和气体监测器23，分别负责对站内的温度、烟雾浓度和气体浓度等动态参量进行监测记录，并将数据反馈至控制主机1，控制主机1根据预设的热安全标准和预警参数作出响应动作。当监测参量出现异常时，控制主机1关闭站内空调8，打开泄压机构5，尝试及时排出可燃易爆物质，泄压机构5采用本领域常规的设置。报警机构3通过报警器线路和控制主机1相连，如图4所示，报警机构包括温度报警器31、烟雾报警器32、气体报警器33和喷洒指示灯34，三种报警器分别和各自对应的监测器联动，各自独立的获取相应监测数据，在某项数据异常时，相应的警报器会发出警报，方便工作人员在发生事故时直接判断事故原因。当主机接收到监测机构2反馈的异常数据，报警机构3将会被启动。如果在一定时间内，气体浓度、温度等参量仍未恢复正常，或者有明火产生时，控制主机1将通过灭火器启动装置线路直接启动站内的气体喷头4，气体喷头4可以根据储能电站的布局进行合理布置。此时报警机构3的喷洒指示灯34将亮起，及时提醒工作人员。气体喷头4具有延时功能，以保证在报警系统发出报警后，给站内人员提供充足的时间离开喷发区域。同时装置设有用户操作开关11，如图5所示，操作开关11包括自动启动/停止开关111、手动启动/停止开关112和自动/手动切换开关113。自动模式下，系统可以按上文所述过程由控制主机1直接启动或停止气体喷头4，但当工作人员在电站内进行检查维修时，自动模式存在较大的风险，所以此时需要切换至手动模式，操作开关可以采用按钮开关加保护罩的形式，也可以采用扳手式开关的形式，各开关分别与控制主机相连。

本实施例中，控制主机1选用海湾JB-QG-GST5000控制器，UPS电源12选用梅兰日兰MGEGalaxy500 UPS，温度监测器21选用德图Testo 890红外温度监测器，烟雾报警器22选用诺帝菲尔ND-751P烟雾监测器，可燃气体监测器23选用东日瀛能SK-600可燃气体监测器，温度报警器31选用创胜网科CS-HTP518B温度报警器，烟雾报警器32选用艾维伦JTY-GF-TX3190烟雾报警器，可燃气体报警器33选用创琪SST-9801B可燃气体报警器，喷洒指示灯34选用海湾GST-LD-8317喷洒指示灯。

本发明相较于已有的研究成果，首先安全性更高，已有研究中有些试验证明细水雾具有良好的灭火效果，有些试验灭火效果则较差，同时细水雾对于小容量磷酸铁锂电池尚存在失效的情况，如果将之应用在大规模储能舱中，难免存在风险，而本发明采用气体作为灭火剂，可以避免这一问题。其次，所装配的多监测器组合的监测系统，可以准确的获取电池仓内气体浓度和温度等参数的变化，继而在联动系统的作用下根据设定的热安全标准和预警参数，作出相应动作。另外，系统配置的手动模式以及延时喷发功能更能起到保护工作人员人身安全的作用。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。