本发明涉及三元锂电池技术领域，尤其涉及一种设有置换装置的三元电池组安全结构。
背景技术：
三元锂电池的安全性能是目前动力电池行业最关注的问题。三元电池由于循环性能好，能量密度高等优点，逐步应用在新能源汽车上。然而三元材料电芯在安全性能方面，特别是由于过充引发的热失控和在针刺测试上存在容易起火爆炸的现象，不能通过安全性能检测，限定了其在动力电池的大规模应用。在实际运行时，由于振动、碰撞等原因，很可能引发三元电芯刺穿、漏液。由于三元材料电芯高温结构不稳定，高温安全性差，且ph值过高易使单体胀气，并且三元锂材料的化学反映更加剧烈，会释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，发生连锁反应。为了扩大三元电池的使用范围，安全性设计是当务之急。
为了提高三元电池的安全性能，目前对三元电池的安全防护主要从内部材料改进和外部结构件优化两方面进行。内部材料改进主要包括正极表面包覆、改进电极或隔膜材料、功能性电解液添加剂等方法，外部结构件优化主要通过防爆阀阈值、泄流装置、ptc热敏元件或者在电池箱中添加绝缘保护液等手段来提高三元电池安全性能。
前述方法尽管适当提高了三元电池的安全性能，但是存在以下缺点：材料改进可以使三元电池在过充和短路测试时避免热失控，但是在发生穿刺时电池内部短路依然会导致电池起火；功能性电解液添加剂在一定程度上会降低三元电池的倍率性能和循环性能；外在的防护措施仍然存在一定风险，比如在电池箱中添加绝缘保护液的方法，大大增加了电池箱重量，且造价较高，由于电池材料本身引发的热失控会加剧电解液的分解和隔膜氧化，当电池发生电解液泄漏的时候会导致电池箱上的泄压阀打开，造成安全隐患。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种设有置换装置的三元电池组安全结构，在三元电池箱内注入阻燃气体，采用氧浓度传感器监测电池箱内氧浓度，氧浓度超过燃烧阈值时进行气体置换，使箱内氧浓度保持在燃烧阈值以下，可有效防止三元电池热失控引发的火灾。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种设有置换装置的三元电池组安全结构，包括相连接的电池箱和气体置换装置，其中，所述电池箱中设有电池组，所述电池组中设有多个单体电池；所述电池箱具有密封结构的壳体，壳体顶部设有泄压阀，壳体两侧各设有一个气门嘴，壳体内充满阻燃气体；所述气体置换装置包括：置换气体产生单元、排出气体缓存单元、置换控制器、进气电磁阀、出气电磁阀和两根气体输送管道，其中，所述置换气体产生单元产生置换气体，其与所述排出气体缓存单元相连接；所述置换控制器对气体的置换过程进行控制；所述进气电磁阀和所述出气电磁阀分别设于两根气体输送管道上，设有进气电磁阀的气体输送管道的两端分别接至电池箱的一个气门嘴和气体置换装置的置换气体产生单元，设有出气电磁阀的气体输送管道的两端分别接至电池箱的另一个气门嘴和气体置换装置的排出气体缓存单元。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述电池箱中还设有探测控制器和灭火装置，所述探测控制器包括数据探测装置和控制装置，实时监测电池箱内的各项参数并进行控制。
进一步地，所述数据探测装置包括：氧浓度传感器、压力传感器、气体传感器、温度传感器和烟雾传感器。
进一步地，所述置换控制器和电池箱内的探测控制器之间设有通信连接，可进行数据传输。
优选地，所述灭火装置采用洁净气体灭火器。
可选地，所述阻燃气体为n2、co2、he或ar。
可选地，所述阻燃气体为或七氟丙烷、六氟丙烷。
优选地，所述排出气体缓存单元还连接有尾气输送通道，将置换出的气体进行提纯或排出到人员稀少的地方，防止引起窒息中毒。
与现有技术相比，本发明可产生如下技术效果：
1、在电池箱内充入阻燃气体，使箱内氧浓度保持在燃烧阈值以下，可有效避免三元电池因电解液泄漏或热失控引发的起火现象；
2、实时检测电池箱内氧浓度值，当氧浓度高于电解液燃烧阈值时报警，通知工作人员，进而通过气体置换装置对电池箱内的气体进行置换，同时检测电池箱内压力，防止置换过程中电池箱内压力过大冲破泄压阀，直至氧浓度降到安全阈值以下，提高了三元电池的安全性能；气体置换方便，经济可行，易维护。
附图说明
图1为本发明的设有置换装置的三元电池组安全结构的结构示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
100电池箱
101电池组
102壳体
103泄压阀
104气门嘴
200气体置换装置
201置换气体产生单元
202排出气体缓存单元
203置换控制器
204进气电磁阀
205出气电磁阀
206气体输送管道
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请先参照图1所示，图1为本发明的设有置换装置的三元电池组安全结构的结构示意图，所述安全结构包括相连接的电池箱100和气体置换装置200，其中，
所述电池箱100中设有电池组101，所述电池组101中设有多个单体电池；所述电池箱100具有密封结构的壳体102，壳体顶部设有泄压阀103，壳体两侧设有气门嘴104，壳体内充满阻燃气体；其中，
所述阻燃气体可为n2、co2、he或ar等惰性气体或七氟丙烷、六氟丙烷等洁净气体，凡是在气态状态下无可燃性、具有较好的稳定性等特性的物质都可视为选用标准范围；
此外，所述电池箱100中还设有探测控制器105和灭火装置106，探测控制器包括数据探测装置和控制装置，用于实时监测电池箱内的各项参数，且具有控制功能，当监测到电池热失控时可启动灭火装置抑制热失控蔓延；数据探测装置包括氧浓度传感器、压力传感器、气体传感器、温度传感器和烟雾传感器；灭火装置优先采用洁净气体灭火器，可在紧急情况下启动，防止电池热失控蔓延。探测控制器预留有通信接口，可与电池管理系统、整车控制器、智能仪表、气体置换装置等进行通信，上传监测数据及报警信息。
所述气体置换装置200包括：置换气体产生单元201、排出气体缓存单元202、置换控制器203、进气电磁阀204、出气电磁阀205和两根气体输送管道206，其中，
所述置换气体产生单元201用于产生置换气体，其与所述排出气体缓存单元202相连接；
所述置换控制器203用于对气体的置换过程进行控制；优选地，所述置换控制器203和电池箱内的探测控制器105有通信连接，可进行数据传输；
所述进气电磁阀204和所述出气电磁阀205分别设于两根气体输送管道206上，设有进气电磁阀的气体输送管道的两端分别接至电池箱的一个气门嘴和气体置换装置的置换气体产生单元201，设有出气电磁阀的气体输送管道的两端分别接至电池箱的另一个气门嘴和气体置换装置的排出气体缓存单元。
优选地，所述排出气体缓存单元202还连接有尾气输送通道，将置换出的气体进行提纯或排出到人员稀少的地方，防止引起窒息中毒。
在本发明的设有置换装置的三元电池组安全结构中，所述电池箱内充满阻燃气体，正常运行时电池箱内的探测控制器实时监测箱内氧浓度、压力、气体、烟雾和温度参数，当氧浓度超出燃烧阈值时探测控制器发生报警，通知工作人员对电池箱内的气体进行置换；置换气体产生单元通过气体输送管道和电池箱气门嘴相连，排出气体缓存单元和电池箱另一个气门嘴相连。电池箱内的探测控制器和置换控制器进行通信，将实时监测到的电池箱内氧浓度、压力、气体、烟雾、温度参数传送给置换控制器。置换控制器发出控制信号，打开进气电磁阀和出气电磁阀对电池箱内的气体进行置换。置换气体产生单元输出气体的压力为p1，排出气体缓存单元入口处的压力为p2，电池箱内压力为p3，置换气体时p1＞p2＝p3。气体置换装置两端电磁阀的设定可使得电池箱内的压力保持在稳定范围内。当氧浓度降到燃烧阈值以下时，断开电池箱和气体置换装置的连接，关闭各阀门，置换完毕。
当探测控制器根据各检测参数判断电池箱内发生电解液泄漏时，发出报警信号，通知工作人员进行检修；当判断出电池箱内发生热失控时，探测控制器发出紧急报警信号，并启动灭火装置，及早抑制电池热失控蔓延。
在本发明的设有置换装置的三元电池组安全结构中，在电池箱内充入阻燃气体，使箱内氧浓度保持在燃烧阈值以下，可有效防止三元电池因电解液泄漏或热失控引发的起火现象，且不会降低电池的倍率性能和循环性能，不会造成其他安全隐患；气体置换方便，经济可行，易维护；箱内的灭火装置可在紧急情况下启动，一旦检测到电池箱内发生电池热失控，可启动灭火装置进行暂时抑制，为下一步处理争取时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。