一种储能电站电池热失控防护系统的制作方法

本发明涉及一种储能电站热失控防护技术，具体涉及一种储能电站电池热失控防护系统。
背景技术：
：储能是解决新能源风电、光伏间歇波动性，实现削峰平谷功能的重要手段之一。锂离子电池由于其能量密度高、能量转换效率高等特点，是目前电化学储能项目应用最多的电池，越来越多的锂电池储能电站正成为电网发输变配用等环节的重要组成部分。然而，对于大型锂离子电池储能系统而言，电池火灾爆炸事故频发是阻碍其实现规模化、商业化应用的一个障碍，储能系统中某个单体电池由于外部滥用(如机械、热、电)或内部故障(如缺陷、自热)等原因引起热失控的行为，早期一旦未得到控制，热量会持续聚集，故障电芯周围的电芯温度也很快升高，产生的大量热量可能会相继引发相邻电池的热失控，从而导致火灾蔓延。电池的散热处理技术分为空冷、液冷和相变材料冷却技术等。空冷技术是指是以空气为冷却介质，利用对流换热降低电池温度的一种冷却方式，具有结构简单、易维护及成本低等优点，但由于空气导热系数很低，导致其散热效果并不理想。液冷技术以液体为冷却介质，通过对流换热将电池产生的热量带走。液体冷却介质的换热系数高、比热容大、冷却速度快，能够有效降低电池最高温度。但是目前电池储能系统中多采用导热效率比液冷技术低的强迫空冷技术，其主要原因是液冷技术中多采用乙二醇与水以一定配比作为冷却系统冷却介质，一旦发生泄漏并发生短路，易发生事故，其安全性无法保证。相变冷却是利用相变材料发生相变来吸热的一种冷却方式，相变材料有固固相变材料、固液相变材料，相变材料可以快速的吸收电芯产生的热量，在一定范围内起到温度调节的作用，不需要将热量传递到系统以外。但当电池发热功率过大，发热总量过大时，相变材料无法吸收全部热量。当材料相变过程全部结束，电池产热还在源源不断的传递过来，则材料只能在相变温度以上继续升温。此时，必须配合其他类型冷却方式。热失控扩散是引发大规模电池事故的关键，在单体电池即将发生热失控时及时对电池进行散热，就能减小电池发生热失控的可能，降低电池热失控扩散带来的安全损失。先前的研究多集中在单一散热
技术领域：
内的改进优化，在储能电站散热
技术领域：
尚没有一种安全高效的协同防护策略对电池进行热失控防护。技术实现要素：针对电池温度冷却效率低下以及目前单一散热技术存在的种种技术问题，本发明的目的在于提供一种由固固相变材料和液冷板组成的热失控防护系统，本发明通过固固相变材料和液冷板的组合，实现对故障热失控电池的高效散热，避免由电池热失控传播引发的连锁火灾事故的发生。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种储能电站电池热失控防护系统，包括紧贴在电池模组两侧的固固复合相变材料散热板，所述电池模组由若干电池单体串联而成，所述在电池模组及两侧的固固复合相变材料散热板共同形成电池模组本体，相邻的电池模组本体之间设置冷液板，所述冷液板呈s型布置在电池模组本体之间，所述固固复合相变材料散热板和冷液板之间设置有导热硅胶层，所述固固复合相变材料散热板为石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料散热板，所述冷液板内部冷却液采用al2o3/h2o纳米溶胶冷却液。进一步地，所述石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料散热板制备过程具体为：将石蜡和膨胀石墨按照质量比为4:1放入容器中，置于80℃的水浴环境中共混，搅拌吸附2h，从而得到石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料颗粒，然后将石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料颗粒放入模具中，压制形成石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料散热板。进一步地，所述石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料散热板的导热系数为12.346w/(m·k)，相变温度为75℃。进一步地，所述al2o3/h2o纳米溶胶冷却液的制备过程如下：将al2o3纳米粒子混合到蒸馏水中，然后加入分散剂，搅拌混合液使纳米颗粒完全沉入，然后使用超声波对混合液进行超声震动，得到al2o3/h2o纳米溶胶冷却液。进一步地，所述混合液中al2o3纳米粒子的质量分数为0.5％，分散剂的质量分数为0.5％。进一步地，所述分散剂采用sdbs分散剂。进一步地，所述超声震动的时间为3h，频率40khz，功率为100w。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明在电池模组两侧紧贴石蜡/膨胀石墨复合固固相变材料散热板，电池模组本体之间配置容纳al2o3/h2o纳米溶胶冷却液的冷液板，在散热板和冷液板之间有一层导热硅胶层，实现快速导热。一方面采用固固相变材料对电池电芯进行热管理，利用其相变材料吸收相变潜热给动力电池进行降温，并且对电池由于不正常工作原因引起的温度异常升高甚至起火爆炸带来的大量热量扩散起到一定的缓冲作用，相变材料暂时储存的热量由装置在附近的液冷循环系统及时带走，加速电池降温；另一方面液冷系统采用al2o3/h2o纳米流体代替乙二醇溶液作为冷却介质，al2o3/h2o纳米流体比水具有更高的冷却能力，且纳米al2o3具有良好的电绝缘性、化学稳定性好，成本低廉，无任何安全隐患，将al2o3/h2o纳米流体作为冷却介质应用于大型电池储能设备的冷却系统中，能够实现安全有效的控制温度，预防热失控行为。进一步地，本发明中采用的相变材料为石蜡/膨胀石墨相变复合材料，理论上导热系数比纯石蜡高出上百倍，并且起储热时间较短，放出的热量由附近的冷液板及时带走，实现快速冷却，并且材料为固固相变材料，在吸收锂电池放出的热量以后，不会产生固液变化，更不会产生液体的随意流动，这样就避免了液体相变材料的泄露问题；多种防护措施的协同防护策略是由于固固相变材料吸收潜热缓慢释放的时间延迟为液体冷却板提供了足够的时间来去除更多的热量。固固相变材料散热板的添加降低了热失控电池向相邻电池的传热速度，而液体冷却板提高了电池模块的散热能力。热失控传播的延迟为冷液板的异常放热节省了更多的时间，从而实现对电池的热失控防护。因此，本发明通过石蜡/膨胀石墨固固相变材料散热板和液冷板的组合，提高了动力电池的散热性能，实现有效热失控防护，减小大型连锁火灾事故发生的可能性。附图说明图1为本发明的热失控协同防护系统示意图；图2为本发明的热失控协同防护系统剖面图；图3为五种不同防护条件下电芯热失控传播时间折线图；图4为五种不同防护条件下电芯热失控开始时间折线图。其中，1、冷液板；2、导热硅胶层；3、固固复合相变材料散热板；4、电池单体；5、al2o3/h2o纳米溶胶冷却液。具体实施方式下面对本发明进行详细的描述：本发明一种由固固相变材料和液冷板组成的热失控协同防护系统，在电池模组两侧用导热绝缘双面胶将石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料散热板与电池贴合，电池模组本体之间配置以al2o3/h2o纳米流体为冷却液的冷液板，在固固复合相变材料散热板和冷液板之间有一层导热硅胶层，实现快速导热。系统具体组成如下：1)固固复合相变材料散热板：将石蜡和膨胀石墨按照质量比为4∶1的比例放入容器中，置于80℃的水浴环境中共混，搅拌吸附2h，从而得到eg/pcm复合材料颗粒。然后将eg/pcm复合材料颗粒放入特制的模具中，用液压机将颗粒压成板状eg/pcm复合材料。其导热系数为12.346w/(m·k)，相变温度约为75℃。电池电芯的温度升高至所述固固相变材料的相变温度时，所述固固相变材料发生固固相变，吸收所述电芯的热量。2)液冷系统：在电池模组本体之间配备冷液板及时将相变材料暂时储存的热量带走，其冷却介质为al2o3/h2o纳米流体。将al2o3纳米粒子混合到蒸馏水中，加入sdbs分散剂，形成混合液，混合液中al2o3纳米粒子和sdbs分散剂质量分数均为0.5％。将al2o3纳米粒子悬浮在水中后，用一根细玻璃管(直径2.5毫米)搅拌混合液约1分钟，使al2o3纳米粒子完全沉入蒸馏水和分散剂形成的基液中。使用超声波将混合液超声震动3小时，得到al2o3/h2o纳米流体。下面结合附图进一步介绍本发明的热失控协同防护系统的结构并将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。一种由固固相变材料和液冷板组成的热失控防护系统，通过固固复合相变材料散热板与液冷板的组合，实现对故障热失控电池的及时散热与抑制热失控传播，避免由电池热失控传播引发的连锁火灾事故的发生。电池模组间采用于石蜡/膨胀石墨相变复合材料散热板对电池进行热管理。石蜡/膨胀石墨复合材料散热板导热系数为12.346w/(m·k)。电池电芯的温度升高至所述固固相变材料的相变温度时，所述固固相变材料发生固固相变，吸收电池电芯的热量。并且在吸收锂电池放出的热量以后，不会产生固液变化，更不会产生液体的随意流动，避免了液体相变材料的泄露问题。在电池模组和散热板组成的电池模组本体之间配备配置冷液板及时将散热板暂时储存的热量带走，采用al2o3/h2o纳米流体冷却介质，al2o3/h2o纳米流体比水具有更高的冷却能力，且纳米al2o3具有良好的电绝缘性、化学稳定性好，成本低廉，无任何安全隐患。将al2o3/h2o纳米流体作为冷却介质应用于大型电池储能设备的冷却系统中，能够实现安全有效的控制温度，预防热失控行为。图1和图2分别为本发明的热失控协同防护结构示意图和剖面图。多种防护措施的协同防护策略是由于固固相变材料吸收潜热缓慢释放的时间延迟为冷液板提供了足够的时间来去除更多的热量。固固复合相变材料散热板的添加降低了热失控电池向相邻电池的传热速度，而冷液板提高了电池模块的散热能力。热失控传播的延迟为冷液板的异常放热节省了更多的时间，从而实现对电池的热失控防护。如图1所示，6个圆柱形电池单体串联成一个电池模组，电池两侧用导热绝缘双面胶将石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料散热板与电池贴合，电池模组之间配置以al2o3/h2o纳米流体为冷却液的冷液板，在固固复合相变材料散热板和冷液板之间有一层导热硅胶层，实现快速导热。相变材料相变温度为75℃，当电池温度异常升高至散热板相变温度时，相变材料吸收和储存热量，一定温度范围内控制温度上升，随后放热，导热硅胶快速将热量传递给冷液板将热量散失，及时对电池进行降温，实现预防电池热失控功能。实施例为了比较固固相变材料和液体冷却板电池组件热失控传播行为的影响，采用控制变量法进行试验。试验所用材料包括：电池模组(6个电池串联)、电池热失控触发加热器、石蜡/膨胀石墨固固复合相变材料散热板、冷却水循环器、冷液板、导热硅胶层。表1列出了五组实验的变量组合。五个实验编号为：1#，2#，3#，4#，5#。实验期间的环境温度是25℃、大气压力是101kpa。块状加热器由六个直径为18mm的圆形加热管和一个方形铁块组成，尺寸与电池的尺寸相同，最大功率为780瓦。使用电源驱动块状电池加热器来触发电池的热失控，通过比较五种不同配置下相邻两个电池间热失控传播时间以及热失控发生时刻来确定最佳组合。表2显示了相邻两个电芯间热失控传播时间，表3为五种不同防护条件下电芯热失控触发时刻。图3与图4分别为表2、3相对应的折线图。表1热失控传播控制变量试验表2热失控传播时间表(单位：秒)实验编号no.1→2no.2→3no.3→4no.4→5no.5→6平均1#36746113112184.62#40827014613895.23#63805410410881.84#853363307360391454.85#876356374301321445.6表3热失控发生时刻表(单位：秒)实验编号no.1no.2no.3no.4no.5no.61#780816890951108212032#793833915985113112693#8308939731027113112394#903175621192426278631775#92117972153252728283149由表2、3以及图3、4可见，实验1是空白实验，实验1的热失控传播时间在36s到131s之间，平均时间为84.6s。实验2的热失控传播时间在40s到146s之间，平均时间为95.2s。实验3的热失控传播时间在54s到108s之间，平均时间为81.8s。实验4的热失控传播时间在307s到853s之间，平均时间为454.8s。实验5的热失控传播时间在301s到876s之间，平均时间为445.6s。将实验2和实验3分别与实验1对比发现单纯添加固固相变材料或冷液板并不能显著延缓电池组件的热失控传播，并且对于单纯添加冷液板的情景，由于热传导增强，使得热失控传播速度甚至可能加快。对比实验1和实验4可见，冷液板和相变材料散热板的组合明显延长了触发单个电芯热失控的时间，并且对电池热失控蔓延有一定的抑制作用。实验5是实验条件与实验4一致的重复实验，以证明实验4的结果不是巧合。由以上实验结果可见，本发明对电池的热失控防护有良好的效果。当前第1页12