CN102842738A - 一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置及方法，包括信号采集模块、信号处理模块及控制终端部分；信号采集模块包括分布在电池箱内不同功能区的温度传感器和位置传感器；信号处理模块接收温度传感器、位置传感器发送的采集信号，并根据采集信号的处理结果向控制终端发出控制信号；控制终端包括物理降温模块、过流及短路工况管理模块和电池受碰撞/挤压管理模块；所述的物理降温模块，包括设置在电池箱不同功能区的风扇及风扇供电系统；过流及短路工况管理模块，包括电池箱保险电路启动模块及电池箱内主回路上设置的互为冗余的两个直流接触器；电池受碰撞/挤压管理模块，包括控制直流接触器断开的模块和压缩干冰气囊及其弹出系统。

Description

一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置及方法

技术领域

本发明属于电池阻燃防爆技术领域，涉及一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置及方法。

背景技术

随着新能源汽车技术研究的兴起，尤其是国家将纯电动汽车作为重点研究方向，以成组可充电电电池，特别是锂离子电池作为动力源的应用将越来越广泛。在电池组的应用过程中不但需要对电池状态动态监控，更需要对锂离子电池组在极端工况下的安全性进行有效管理，控制保护模块在不同工况下动作，对电池系统、整车以及司乘人员的安全提供保障。

电动汽车锂离子电池组的热管理及阻燃防爆管理，对于提高电动汽车的安全性、可靠性至关重要。通常电池组高温条件下的管理方式包括以下三种：

一种方式为散热孔、散热片散热，这种方法的优点在于结构简单，方便设计和制造，成本低，在电池组放电时，随着车辆本身移动带来的空气流动可由设计的散热孔、散热片带走一部分热量，处于散热孔、散热片附近的电池能够满足使用要求。缺点是处于电池组模块中间的电池，因散热结构作用面积小散热效率不高，同时，考虑到电池箱本身承重需要，散热结构的数量、尺寸也受强度要求影响，因此，在长时间、大电流充放电以及短路等工况下，电池组在较短时间内积聚的大量热量无法及时扩散，很容易发生燃烧等恶性事故。另外，电池组在受到碰撞，电池受到挤压等极端工况下更没有主动管理动作，仅靠被动的热量耗散，保护不够可靠。

另外一种方式为风扇散热，这种方法的优点在于根据电池动态参数，由风扇主动动作，实现成本较低，结构较简单。缺点在于，风扇数量少，分布不合理，功率大耗电高，散热效率低。也存在远离风扇部分的电池散热效果不明显，以及缺少对电池系统长时间大电流充放电、极端复杂工况的管理，虽然可结合散热孔、散热片的设计，但仍然不能防止电池在高温下燃烧、爆炸，保护不够可靠。

还有一种方式为循环交换散热，这种方法的优点在于可以保持电池组长时间的适宜工作温度，交换机也可以主动动作。缺点在于，结构复杂、成本高，存在冷热交换走线影响电池箱内对于电池走线、布局，本身就具有一定的安全隐患，散热速度慢。也存在不能及时管理极端工况下电池燃烧、爆炸的问题，保护不可靠。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置及方法，采取对锂离子电池监控并多级管理的方案，为电池系统、整车以及司乘人员提供安全保障。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，包括信号采集模块、信号处理模块及控制终端部分；

信号采集模块包括分布在电池箱内不同功能区的温度传感器和位置传感器；

信号处理模块接收温度传感器、位置传感器发送的采集信号，并根据采集信号的处理结果向控制终端发出控制信号；

控制终端包括物理降温模块、过流及短路工况管理模块和电池受碰撞/挤压管理模块；

所述的物理降温模块，包括设置在电池箱不同功能区的风扇及风扇供电系统；过流及短路工况管理模块，包括电池箱保险电路启动模块及电池箱内主回路上设置的互为冗余的两个直流接触器；电池受碰撞/挤压管理模块，包括控制直流接触器断开的模块和压缩干冰气囊及其弹出系统。

所述的信号处理模块包括处理主控模块和处理从控模块，温度传感器、位置传感器将采集信号传送到信号从控模块进行处理后，主控模块根据信号比较结果，根据设定的阻燃防爆方案向控制终端发出控制信号。

当温度传感器检测到的电池温度超过保护阀值时，信号处理模块控制物理降温模块中对应区域的风扇启动，通过散热孔进行散热。

在持续温度较高的情况下，当大电流持续放电时间达到保护阀值时，信号处理模块控制电池箱保险电路的启动模块切断持续大电流放电电路；当满足短路条件下时互为冗余的直流接触器将电池箱主回路断开。

当位置传感器检测到电池受碰撞/挤压移位时，信号处理模块控制电池受碰撞/挤压管理模块断开直流接触器，对车辆停机同时弹出压缩干冰气囊。

所述的信号采集模块与信号处理模块、信号处理模块与控制终端部分之间均采用CAN总线通讯接口进行数据传送。

信号采集模块、信号处理模块及控制终端部分对电池箱内电池分功能区块进行处理和控制。

所述电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置的阻燃防爆控制方法，包括以下步骤：

1）当温度传感器所检测的电池温度未超过第三级保护阀值时，对正常充放电过程中一般温升，信号处理模块发出信号开启风扇，进行降温；

当温度传感器所检测的电池温度超过第三级保护阀值时，信号处理模块发出信号开启对应区域的风扇，对电池进行降温；

当温度传感器所检测的电池温度持续高过第三级保护阀值，信号处理模块发出信号同时切断电池箱内的两个直流接触器，对车辆停机，同时开启更多风扇快速对电池降温；

2）当位置传感器所检测的电池受碰撞/挤压未超过保护阀值，且当温度采样持续高过第三级保护阀值，信号处理模块切断对应区域的主回路，停止给电池组供电；

当位置传感器所检测的电池受碰撞/挤压超过保护阀值，信号处理模块发出信号同时切断电池箱内的两个直流接触器，对车辆停机，同时弹出压缩干冰气囊对车辆进行保护。

所述的当温度传感器所检测的电池温度未超过第三级保护阀值时，对正常充放电过程中一般温升，信号处理模块发出信号开启风扇，对其进行降温。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，包括信号采集模块、信号处理模块及控制终端部分；其数据采集及分析来自于温度传感器和位置传感器两套模块，为分析判断电池工况提供准确控制依据。将采集、控制终端至于电池箱内，便于功能拓展及检查、维修。

所包括的物理降温模块中，依据电池参数指标及采集到的电池箱内多个（9）个功能区分布的电池温度传感器数据，分别控制9组风扇对相应区块内的电池散热，锂电池的特点高温会起火或爆炸，为防止连锁反应首先应将温度降下来。所设置的第三级的电池温度保护阀值，当温度采样值超过此温度时，由管理系统控制风扇电路接通，由临近功能区块的三组电池对7V、15W的风扇供电，通过电池箱体留有的散热孔进行散热，实现对电池组较低温升工况下的散热、降温管理。

所包括过流及短路工况管理模块，在持续温度较高的情况下，以当前温度传感器数据为参考，以当前大电流持续放电时间为依据，达到设定的二级保护阀值时，利用电池箱内保险电路切断持续大电流放电电路，避免电池组温升累积使电池发生燃烧。电池箱内，在主正、主负回路上分别设置直流接触器，增加冗余，满足短路条件下对主回路的充分断开，同时开启风扇对电池模块迅速降温，避免短路电流击穿一个直流接触器，主回路无法断开，造成电池急速升温发生燃烧、爆炸的情况。

所包括电池受碰撞、挤压管理模块，以分布设置的位置传感器信号为控制依据，在电池受碰撞、挤压时的瞬时局部发热情况下，立即控制两个直流接触器断开，同时弹出压缩干冰气囊，实施分块灭火防爆，对功能区块内电池阻燃防爆，对电池系统及整车进行一级保护，降低对整组电池的损耗，同时节省经济成本，便于系统的二次使用及灭火剂补充。

本发明所采用压缩干冰气囊灭火，待温度下降后将表层火灭掉，然后隔离着火区，防止由电池着火引发的次生危害；效果最佳，CO₂是不会助燃锂电池的，也不会产生有毒气体，大量释放不会对空气造成污染、对附近交通参与者造成损害。

本发明还对电池进行功能区块划分，分片管理，最大程度上降低对车辆续驶里程的影响，提高降温管理效率同时降低能量消耗，减小在极端管理动作下对电池造成的伤害，降低经济损失。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为压缩干冰包、风扇布局示意图；

图3为本发明的管理流程图。

其中，1为锂离子电池，2为温度传感器，3为位置传感器，4为处理从控模块，5为处理主控模块，6为正直流接触器，7为负直流接触器，8为风扇，9为压缩干冰气囊。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1和图2所示，一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆管理系统，包括三部分：信号采集模块、信号处理模块（包括主控及从控部分）、控制终端部分。将电池就近按功能区划分后，分布在9个功能区块的温度传感器、位置传感器将采集信号送至信号处理主控机从控部分进行处理，经由主控模块根据预设方案发出控制信号，作用控制终端动作。

具体的，信号采集模块包括分布在电池箱内不同功能区的温度传感器2和位置传感器3；

信号处理模块接收温度传感器2、位置传感器发送3的采集信号，并根据采集信号的处理结果向控制终端发出控制信号；

控制终端包括物理降温模块、过流及短路工况管理模块和电池受碰撞/挤压管理模块；

所述的物理降温模块，包括设置在电池箱不同功能区的风扇8及风扇供电系统；过流及短路工况管理模块，包括电池箱保险电路启动模块及电池箱内主回路上设置的互为冗余的两个直流接触器（正直流接触器6和负直流接触器7）；电池受碰撞/挤压管理模块，包括控制直流接触器断开的模块和压缩干冰气囊9及其弹出系统。

下面分别对其执行功能进行描述：

所述的温度传感器2监控指定电池1的温度变化，位置传感器3监控指定电池1的位置移动变化。

所述的信号处理模块包括处理主控模块5和处理从控模块4，温度传感器2、位置传感器3将采集信号传送到信号从控模块4进行处理后发送给处理主控模块5，主控模块5根据信号比较结果（检测信号与阈值信号比较结果），根据设定的阻燃防爆方案向控制终端发出控制信号。

当温度传感器2检测到的电池1的温度超过第三级保护阀值时，信号处理模块控制物理降温模块中对应区域的风扇8启动，通过散热孔进行散热。

在电池温度超过第三级保护阀值持续20s以上，且大电流持续放电时间达到保护阀值时，信号处理模块控制电池箱保险电路的启动模块切断持续大电流放电电路；当满足短路条件下时互为冗余的直流接触器（正直流接触器6和负直流接触器7）将电池箱主回路断开。具体的第三级保护阀值设定在50～60℃之间。

当位置传感器3检测到电池受碰撞/挤压移位并超过设定的阈值时，信号处理模块控制电池受碰撞/挤压管理模块断开直流接触器，对车辆停机同时弹出压缩干冰气囊9。

进一步，所述的信号采集模块与信号处理模块、信号处理模块与控制终端部分之间均采用CAN总线通讯接口进行数据传送。

而且信号采集模块、信号处理模块及控制终端部分对电池箱内电池分功能区块进行处理和控制。区块划分以就近3～5组电池为一单元，便于系统拓展和功能扩充，不同的功能区管实施相同管理策略，降低系统冗余，提高可靠性。

参见图3，上述装置的阻燃防爆控制方法，包括以下步骤：

管理系统对正常充放电过程中一般温升通过开启风扇进行降温处理；

当采集温度持续高过三级保护阀值时，控制冗余直流接触器切断及保险电路切断，保证电池温度快速下降；当降温处理后，电池温度低于第三级保护阀值后，信号处理模块发出信号关闭风扇；

当温度传感器所检测的电池温度持续高过第三级保护阀值20s时，信号处理模块发出信号同时切断电池箱内的两个直流接触器，对车辆停机，同时开启更多风扇快速对电池降温；

当温度传感器所检测的电池温度超过第一级保护阀值时，信号处理模块发出信号开启对应区域的压缩干冰气囊，对其紧急降温处理；

所述的第三级保护阀值设定在50～60℃之间，第一级保护阀值设定在80～90℃之间；

2）当位置传感器所检测的电池受碰撞/挤压而产生的位移未超过保护阀值，且温度传感器所检测的该电池温度高过第三级保护阀值持续20s，信号处理模块切断对应区域的电池主回路，停止供电；

当位置传感器所检测的电池受碰撞/挤压超过保护阀值，信号处理模块发出信号同时切断电池箱内的两个直流接触器，对车辆停机，同时弹出压缩干冰气囊对车辆进行保护。

电池受碰撞、挤压的极端工况下，弹出压缩干冰气囊，进行灭火防爆管理。

本发明的阻燃防爆管理系统在电动汽车用锂离子电池组应用上具有可拓展性、灵活性。本系统将电池组内电池进行功能区块划分，在具体的应用项目中，可根据实际需求，方便对于不同数目电池组的电池箱进行采集模块及控制终端的拓展。所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆管理系统，采样数据与管理系统，管理系统与控制单元采用CAN总线通讯接口进行数据传送，也大大增加了管理的精确度和通信量。

本发明可以应用在对其他种类电池的电动汽车阻燃防爆以及其他动力电池项目中热管理方案。总之，本发明既具有良好的管理策略，精确的控制方案，多级管理的可靠性、响应动作快，又能保证优化集成和扩展，使得批量生产可满足用户需求、企业成本质量控制。

Claims (10)

1.一种电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，包括信号采集模块、信号处理模块及控制终端部分；

信号采集模块包括分布在电池箱内不同功能区的温度传感器和位置传感器；

信号处理模块接收温度传感器、位置传感器发送的采集信号，并根据采集信号的处理结果向控制终端发出控制信号；

控制终端包括物理降温模块、过流及短路工况管理模块和电池受碰撞/挤压管理模块；

所述的物理降温模块，包括设置在电池箱不同功能区的风扇及风扇供电系统；过流及短路工况管理模块，包括电池箱保险电路启动模块及电池箱主回路上设置的互为冗余的两个直流接触器；电池受碰撞/挤压管理模块，包括控制直流接触器断开的模块和压缩干冰气囊及其弹出系统。

2.如权利要求1所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，所述的温度传感器监控指定电池的温度变化，位置传感器监控指定电池的位置移动变化。

3.如权利要求1所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，所述的信号处理模块包括处理主控模块和处理从控模块，温度传感器、位置传感器将采集信号传送到信号从控模块进行处理后，主控模块根据信号比较结果，根据设定的阻燃防爆方案向控制终端发出控制信号。

4.如权利要求1所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，当温度传感器检测到的电池温度超过第三级保护阀值时，信号处理模块控制物理降温模块中对应区域的风扇启动，通过散热孔进行散热。

5.如权利要求1所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，在电池温度超过第三级保护阀值持续20s以上，且大电流持续放电时间达到保护阀值时，信号处理模块控制电池箱保险电路启动模块切断持续大电流放电电路；当满足短路条件下时互为冗余的直流接触器将电池箱主回路断开。

6.如权利要求1所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，当位置传感器检测到电池受碰撞/挤压移位超过设定的阈值时，信号处理模块控制电池受碰撞/挤压管理模块断开直流接触器，对车辆停机同时弹出压缩干冰气囊。

7.如权利要求1所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，所述的信号采集模块与信号处理模块、信号处理模块与控制终端部分之间均采用CAN总线通讯接口进行数据传送。

8.如权利要求1所述的电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置，其特征在于，信号采集模块、信号处理模块及控制终端部分对电池箱内电池分功能区块进行处理和控制；

所述的功能区块以就近的3～5组电池为一单元，不同的功能区管实施相同管理策略，降低系统冗余。

9.权利要求1所述电动汽车用锂离子电池阻燃防爆装置的阻燃防爆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）当温度传感器所检测的电池温度超过第三级保护阀值时，信号处理模块发出信号开启对应区域的风扇，对电池进行降温；当降温处理后，电池温度低于第三级保护阀值后，信号处理模块发出信号关闭风扇；

当温度传感器所检测的电池温度持续高过第三级保护阀值20s时，信号处理模块发出信号同时切断电池箱内的两个直流接触器，对车辆停机，同时开启更多风扇快速对电池降温；

当温度传感器所检测的电池温度超过第一级保护阀值时，信号处理模块发出信号开启对应区域的压缩干冰气囊，对其紧急降温处理；

所述的第三级保护阀值设定在50～60℃之间，第一级保护阀值设定在80～90℃之间；

2）当位置传感器所检测的电池受碰撞/挤压而产生的位移未超过保护阀值，且温度传感器所检测的该电池温度高过第三级保护阀值持续20s，信号处理模块切断对应区域的电池主回路，停止供电；

当位置传感器所检测的电池受碰撞/挤压超过保护阀值，信号处理模块发出信号同时切断电池箱内的两个直流接触器，对车辆停机，同时弹出压缩干冰气囊对车辆进行保护。

10.如权利要求9所述的阻燃防爆控制方法，其特征在于，当温度传感器所检测的电池温度未超过第三级保护阀值时，对正常充放电过程中一般温升，信号处理模块发出信号开启风扇，对其进行降温。

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