一种可隔离电池热失控的安全智能支架及其管理系统的制作方法

本技术涉及储能安全技术，尤其是一种可隔离电池热失控的安全智能支架及其管理系统。

背景技术：

1、目前市面上的动力电池和储能电池多种多样，主要有三元锂电池、磷酸铁锂电池、特殊领域的镍铬电池、镍氢电池，钠离子电池、燃料电池、钠硫电池、纳米液流电池等。由于不同电池的技术特点不同，技术成熟度差异，。不同电池有自身短时期内无法克服的缺点。目前主流的储能化学电池仍然是以镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池为主。

2、以三元锂电池和磷酸铁锂电池为核心的储能系统性能各有优劣，但二者都存在由于电池一致性、内部缺陷、电解质失效、过充过放、高温、物理损坏、内部短路、系统故障等原因造成的电池热失控从而引发起火爆炸的可能。

3、据不完全统计，近十年来全球储能安全重大事故发生约60余起，2021年开始全球储能市场爆发，大规模储能项目越来越多，单个储能项目规模越来越大，储能安全隐患也随之增大。一旦发生事故，势必损失惨重。例如2018年7月2日，韩国一风电ess储能设备发生重大火灾事故，造成706m2电池建筑和3500块以上锂电池全部烧毁。

4、目前防止锂电池储能热失控的手段仍然是以预防为主，主要是通过电池管理系统(bms)控制电池充放电过程，并通过热管理系统控制环境温度，以确保电池有一个相对安全的工作状态。一旦某一电芯温度异常造成热失控，整个系统无法干预热失控的扩散，不能切断热失控的蔓延，结果必然是整个电堆燃烧殆尽。由于三元锂电池及磷酸铁锂结构成分的特殊性，每个电芯内部起火后无需外界提供氧气也能猛烈燃烧，所以储能装置自带的灭火系统并不能扑灭电芯内部起火，只有等待失控的电芯自行燃烧结束，仅仅能在电堆起火后对电堆火势加以控制，避免造成更大的次生火灾。

5、截止目前，尚未有储能设施的灭火系统扑灭初发热失控状态电堆火灾的成功案例。正是由于缺乏防控锂电芯热失控的有效手段，储能电站只能通过降低储能单元的布置密度、控制单个储能单元的电池容量，以防止电芯热失控起火造成连锁反应潜在风险，避免造成更大的经济损失。

6、从理论上来讲，每个三元锂电池电芯和磷酸铁锂电池电芯都有发生热失控的可能，只是时间问题。

技术实现思路

1、为解决电芯发生热失控的问题，避免起火造成连锁反应造成更大的经济损失，本发明提供一种可隔离电池热失控的安全智能支架及其管理系统。

2、一种可隔离电池热失控的安全智能支架，包括电池盒、电池盒支架、电池盒支架旋转机构、电池盒释放脱出结构、电芯温度探测装置、温控空调通风装置、联动安全门、支架围护结构、隔离燃烧室和设备控制终端面板；

3、电池盒支架为多层布置，每层有多个相同的电池盒，电池盒呈正多边形围绕排列于电池盒支架中心轴四周；电池盒内排列电芯，构成多层多扇区结构；

4、电池盒内置电芯温度探测装置，芯温度探测装置监测每个电池盒中每个电芯的温度并反馈温度信号到设备控制终端面板；

5、电池盒支架旋转机构驱动电池盒支架转动将热失控电池盒与联动安全门对齐；

6、联动安全门设置在支架围护结构上，用于控制热失控电池盒进入隔离燃烧室；

7、隔离燃烧室用于热失控电池盒的隔离燃烧处置；

8、温控空调通风装置用于控制所述的安全智能支架内部通风；

9、设备控制终端面板用于接收电芯温度探测装置的温度和定位信号，并控制电池盒支架旋转机构、电池盒释放脱出结构、联动安全门、隔离燃烧室的动作。

10、电池盒包括电池盒顶盖，电池盒底板，电池盒侧板围合构成；电池盒内部规则排列电芯构成电池簇，电芯的上下两端分别设置带绝缘保护电池簇正极集流片和电池簇负极集流片，电池盒顶盖上包括与电池簇正极集流片和电池簇负极集流片电连接的一对方形石墨电极，电池簇的正负极通过导电片焊接到电池簇正极集流片和电池簇负极集流片，最终与电池盒上部的另一对石墨电极连接；电池盒靠近电池盒支架中心的内端设置电池盒锁定片，实现电池盒在电池盒支架上的锁定。

11、电池盒顶盖上开设顶盖通气散热孔，电池盒底板上开设底板通气散热孔，电池盒底板径向两侧与电池盒侧板之间设置有底边散热缝。

12、电池盒内是成组的46950大容量锂电芯。

13、电池盒内是成组的圆电芯。

14、电池盒内是成组的者定制配套的方形电芯。

15、电池盒支架包括顶部的顶棚支架和底部的圆形基台，以及位于顶棚支架和圆形基台之间的可旋转的支架中心轴和由在支架中心轴圆周方向均布的与支架中心轴轴向平行且固定连接的多个支架外柱和多个支架内柱，以及位于支架内柱和支架外柱之间固接的支架z形斜撑和支架组a，支架内柱与支架外柱沿支架中心轴径向对应，其中相邻两个支架外柱之间设置层间倾斜隔板，相邻两个支架外柱之间为一个扇区，每一层包括多个扇区，沿轴向方向上包括多层扇区结构，上下层的扇区沿轴向对齐，电池盒设置在层间倾斜隔板上，并由电池盒锁定片固定在电池盒支架上。

16、支架组a、支架圆形底盘和支架中心轴固定为一体，支架中心轴与底部的支架圆形底盘通过承重轴承组与圆形基台滑动接触；电池盒支架上的支架中心轴由电池盒支架旋转机构驱动旋转。

17、支架围护结构固定连接于顶棚支架和圆形基台之间。

18、其中，支架围护结构内设置支架围护结构空间温度监测传感器，顶棚支架上设置多个温控通风风机，圆形基台内设置制冷及制热双模空调装置；其中顶部温控风机为单向外排。

19、支架围护结构还包括顶部的通风防雨顶棚、围护结构框架、侧围板、基台通风围板、基台隔板和底板，其中设备控制终端面板固定在侧围板上。

20、电池盒支架旋转机构4包括位于顶棚支架中心的顶部步进电机，位于圆形基台中心的底部步进电机，支架中心轴上下两端分别与顶部和底部步进电机驱动轴驱动连接，其中，步进电机收到设备控制终端面板发出的系统指令后精确转动相应角度，驱动支架中心轴及支架组a随动，将包含热失控电芯的电池盒所在扇区转动对齐到联动安全门位置，以便执行后续脱出指令。

21、电池盒支架设置与每一电池盒内端电池盒锁定片配合的电池盒释放脱出结构，电池盒释放脱出结构包括位于相邻层的层间倾斜隔板之间的隔板c形连接件、位于隔板c形连接件与电池盒之间的弹簧柱、上下设置的双头电磁销和固定双头电磁销的电磁销固定片，弹簧柱位于两个双头电磁销之间；

22、电池盒支架转动将热失控电芯所在扇区与安全门位置对齐后，热失控的大容量锂电芯所在电池盒对应的隔板c形连接件上的双头电磁销通电，圆柱形锁舌从电池盒锁定片圆孔中抽出解除对电池盒的锁定，处于压缩状态的弹簧柱将电池盒从电池盒支架弹出。

23、层间倾斜隔板倾斜设置，且包括多个隔板滑轮，电池盒弹出后沿隔板滑轮顶面滑出，完成脱出动作。

24、单个层间倾斜隔板表面均布8个隔板滑轮。

25、电池盒内设置热电阻测温单元，监测电芯的温度，及时发现热失控的锂电芯，热电阻测温单元包括热电阻测温探头，放置于电芯间隙中，热电阻测温探头用高导热硅脂片包裹并填充热电阻测温探头与电芯之间的间隙。

26、热电阻测温探头的布置应保证每个电芯都有热电阻测温探头接触，所有热电阻测温单元与电池簇正极集流片上的专用电路连接，并汇总至电池盒顶盖上的另一对方形石墨电极。

27、支架围护结构的一个侧面设置联动安全门、隔离燃烧室和燃烧室盖板，其中隔离燃烧室、燃烧室盖板未释放时锁定于联动安全门；

28、联动安全门包括安全门电动启闭装置、安全门面板、燃烧室盖板电磁锁、燃烧室盖板电磁锁锁销、门轴、电磁吸合装置，燃烧室盖板限位机构；

29、其中，联动安全门内面顶部设有电动启闭装置执行安全门开关，联动安全门关闭后由电磁吸合装置强力吸合，避免闭门间隙，燃烧室盖板电磁锁安装在联动安全门内侧，燃烧室盖板电磁锁锁销通过开孔露出安全门面板外表面扣住燃烧室盖板，门板表面下部有成组的限位结构，用来确保燃烧室盖板释放时能准确扣合隔离燃烧室；联动安全门底部与电池盒支架之间包括安全门底滑板，便于电池盒脱出滑到隔离燃烧室。

30、隔离燃烧室包括盖板锁定孔、泄压消焰器、消焰器活动盖、消焰器固定卡、缓冲阻尼器、燃烧室转轴基座、燃烧室转轴、锁定杆固定轴、燃烧室锁定杆和燃烧室方形电磁锁扣；

31、隔离燃烧室通过燃烧室转轴转动连接在支架围护结构上，电池盒均正常工作时，隔离燃烧室和燃烧室盖板处于锁定状态，盖板锁定孔被联动安全门内的燃烧室盖板电磁锁的盖板电磁锁锁销锁定于安全门面板上，隔离燃烧室也通过燃烧室锁定杆被燃烧室电磁锁扣锁定于燃烧室盖板的外侧；

32、泄压消焰器可以释放燃烧时产生的压力并消除消焰器活动盖出口的火焰。

33、燃烧室盖板还包括盖板限位卡、盖板边角变向块；

34、热失控的电池盒精确旋转至于与联动安全门对齐，电池盒释放脱出结构弹出对应的电池盒，此时，隔离燃烧室放下，联动安全门开启，电池盒落入隔离燃烧室，联动安全门迅速关闭并吸合锁死，盖板电磁锁销从盖板锁定孔中抽出解除锁定，燃烧室盖板由两侧的限位机构限位垂直下落，直至燃烧室转轴开始进入盖板限位卡后，此时盖板边角变向块与安全门面板上的三角变形块的斜面接触，继续下落时，燃烧室盖板上部被迫发生横向位移，由于燃烧室盖板下部的限位卡已经卡入转轴，燃烧室盖板绕转轴旋转盖下，并被隔离燃烧室边缘的方形电磁吸合装置吸合锁定。

35、隔离燃烧室及燃烧室盖板外层为3mm铝合金，内层为7mm防火隔热云母层。

36、一种可隔离电池热失控的安全智能支架管理系统，用于可隔离电池热失控的安全智能支架，所述管理系统控制所述的安全智能支架工作，包括软件管理平台，总控制器和附属设施。

37、软件管理平台包括手机app、pc管理端、通信模块、云服务器(物理服务器)；

38、总控制器包括支架环境温度管理子系统、电芯温度监测子系统和支架设备联动子系统；

39、其中，支架环境温度管理子系统包括支架围护结构空间温度监测传感器组和空调通风系统，空调通风系统包括顶棚支架内的多个温控通风风机构成的通风散热系统和底部圆形基台内的双模空调装置构成的双模空调系统；

40、其中，电芯温度监测子系统包括设置于电芯间隙的电芯温度探测装置；

41、其中，支架设备联动子系统包括支架步进电机管理模块、电池盒锁放机构管理模块、联动安全门启闭管理系统和隔离燃烧室释放管理系统，其中支架步进电机管理模块包括顶部步进电机和底部基台步进电机，电池盒锁放机构管理模块包括双头电磁销组和强力弹簧柱组，联动安全门启闭管理系统包括电动启闭装置和电磁吸合装置，以及隔离燃烧室释放管理系统包括燃烧室电磁锁扣、燃烧室盖板电磁锁和隔离燃烧室方形电磁吸合装置；

42、附属设施包括电池盒、电池盒支架、滑轮、支架围护结构、联动安全门、隔离燃烧室等；

43、当所述的安全智能支架的电池盒处于正常工作的状态时，隔离燃烧室和燃烧室盖板都锁定在联动安全门上；

44、电池盒支架上分布的各层各扇区的电池盒构成电堆，当电堆内某电芯发生热失控征兆，温度超预警值报警后，隔离燃烧室被解除锁定并释放；

45、电芯温度持续升高超过预设值时，联动安全门开启，系统定位电池盒扇区，驱动电池盒支架旋转将热失控电池盒对应扇区对齐联动安全门，电池盒释放脱出机构解锁电池盒并弹出，使之滑落至隔离燃烧室；

46、待电池盒脱出后联动安全门迅速关闭并吸合锁定；安全门面板上的燃烧室盖板被释放脱落并与隔离燃烧室扣合锁定；失控电芯所在电池簇在隔离燃烧室内隔离燃烧；

47、待失控电池簇燃烧完毕，便可更换新电池盒，清理燃烧室残渣，将隔离燃烧室及燃烧室盖板复位至联动安全门即可

48、本发明具备以下技术效果：

49、1、通过可隔离电池热失控的安全智能支架将储能电堆内部分层、分区，将电芯小规模成组分别放置在每层独立的电池盒内，在电池盒的电芯间隙内设置测温探头，确保每个电芯温度异常后都能第一时间发现并报警。同时通过专用的可隔离电池热失控的安全智能支架管理系统(bsirms)将失控电芯的电池盒从支架释放脱出至隔离燃烧室，使其及时与电堆的其他电池盒隔离。隔离燃烧室具有防火防爆、泄压、消焰的功能，可确保单个电池盒的失控电芯组安全地燃烧完毕，而不会蔓延至其他正常电池组，确保了整个储能设施的安全。

50、2、技术方案简洁有效，装置可重复使用：单个电芯失控，其所在的电池盒脱出并隔离燃烧，不会影响电堆其他电池的正常工作，事后仅需及时补充新的电池盒和电芯组即可，整个机制可一直重复使用。

51、3、可以极大降低锂电池热失控风险对投资决策带来的影响，进一步促进三元锂电和铁锂储能发展壮大。

52、4、可以极大提升单个储能单元的容量，减少空间占地和场地限制：仅需通过增加支架的层数和每层的空间尺寸，即可增加单位面积储能密度，而无需担心大密度电芯热失控损失带来的潜在风险。

53、5、支架单元的特殊多面体结构，可以将多个储能单元灵活拓扑组合，相邻储能单元之间可共用同一个隔离燃烧室，使整个储能设施呈蜂巢状排列，极大提升了有限空间的储能密度。理论测算本发明在面积27-30平米,高度2.7米的空间，储能容量可达20.34mwh(27个12层支架，46950三元锂电芯)；如果采用与电池盒匹配的专用方形电池，则还可进一步提高约20％储能密度。

54、6、安全智能支架有机地将电池系统、空调系统、消防系统、监测报警系统整合于一体，在极大提高安全性的同时降低了设备成本，简化了配套构成，提高了管理效率。利用此支架系统只需配套相应的bms、pcs、ems及变压器即可全功能运行。