CN107702801A - 一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法涉及的是一种针对18650锂离子电池在充放电过程中的热失控早期预警装置,在电池充放电热失控之前进行及时预警。包括红外温度传感器、控制部分、报警装置部分、数据显示装置部分和辅助装置部分；控制部分包括单片机、红外温度感应器管脚接口和单点开关；红外温度传感器的输出端与红外温度感应器管脚接口相连；红外温度感应器管脚接口通过信号线与单片机相连；报警装置部分、数据显示部分分别与控制部分相连；辅助装置部分分别与控制部分、报警装置部分和及数据显示装置部分相连。为锂离子电池的充放电过程提供更加安全的充放电环境，在电池充放电热失控之前进行及时预警。
Description
技术领域
本发明一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法涉及的是一种针对18650锂离子电池在充放电过程中的热失控早期预警装置及方法,在电池充放电热失控之前进行及时预警。
背景技术
21世纪，随着煤、石油、天然气等传统自然资源的日益枯竭，化学电源已经发展成为人类生活中不可或缺的动力之源。特别是锂离子电池，这种高容量二次化学电源具有工作电压高、循坏寿命长、自放电低、可快速充放电等优点。因此，锂离子电池已经在世界范围内被极其广泛的应用。
锂电池在充、放电过程中的内部热量容易积聚，使得温度迅速升高，最终会导致电池的“热失控”，引发泄漏、燃烧甚至爆炸等安全事故。电池内部存在大量放热副反应，并且热量产生速率随温度的升高呈指数关系增加，如固体电解质界面膜（SEI膜）的分解反应、负极材料和电解液之间的反应、正极材料和电解液之间的反应、电解液的分解反应以及负极材料与粘结剂之间的反应等。因此，需要在锂离子电池热失控之前对电池进行处理，避免因电池热失控引起安全事故。
当前，人们对于锂离子电池单体的热失控机理及其规律进行了一些研究探讨。在锂离子电池的循环稳定性、热稳定性、机械稳定性、电化学稳定性进行了比较全面的安全性能研究，但对于锂电池热失控危险性、热失控传播等问题的研究还存在不足，锂离子电池热失控时会发生燃烧或爆炸，并释放出有毒和可燃气体，造成人员伤亡和财产损失，在锂离子电池发生热失控之前进行及时预警就显得尤为重要。
综合各种技术的不足以及事故教训，针对锂离子在充放电过程中的热失控显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处，提供一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法，针对18650锂离子电池在充放电过程中的热失控进行预警，提醒人员对电池进行处理，避免发生近一步热失控而导致火灾爆炸事故的发生。
本发明是采取以下技术方案实现的：
一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置包括红外温度传感器、控制部分、报警装置部分、数据显示装置部分和辅助装置部分；控制部分包括单片机、红外温度感应器管脚接口和单点开关；红外温度传感器的输出端与红外温度感应器管脚接口相连；红外温度感应器管脚接口通过信号线与单片机相连；报警装置部分、数据显示部分分别与控制部分相连；辅助装置部分分别与控制部分、报警装置部分以及数据显示装置部分相连；红外温度传感器将测得的温度信号发送到控制部分，由控制部分向报警装置部分和数据显示装置部分发送指令，通过报警装置部分进行温度报警，通过数据显示装置部分显示实时温度信号。
辅助装置由定值电阻、晶振、陶瓷电容、PNP三极管和电源组成；陶瓷电容的一端经过晶振与单片机相连，陶瓷电容的另一端与单点开关相连；电位器与显示器相连，PNP三极管串接在蜂鸣器和单点开关之间；电源分别与单片机和显示屏相连，为其提供工作电压；红外温度传感器的输出端与红外温度感应器管脚接口相连；红外温度感应器管脚接口通过信号线与单片机相连；
报警装置部分由蓝色LED报警灯、红色LED报警灯和蜂鸣器组成；蓝色LED报警灯、红色LED报警灯和蜂鸣器分别与单片机相连；
数据显示装置部分由显示器和电位器组成；显示器分别与单片机和电位器相连；电位器分别与显示器以及单点开关相连，所述电位器在锂离子电池热失控早期预警装置使用，当电流发生变化时起到变阻器的作用。
陶瓷电容用于屏蔽、过滤杂波。
PNP三极管在锂离子电池热失控早期预警装置工作时，放大电流，使蓝色LED报警灯、红色LED报警灯和蜂鸣器可以正常工作。
所述红外温度感应器在室温范围内提供的标准精度为±0.5℃，红外温度感应器所计算出的温度是红外温度感应器视角范围内所有物体的平均温度，红外温度感应器正对被测电池负极，距离为0.5cm-1.0cm。
工作原理：
一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置工作时，由红外温度传感器接收来自被测对象的温度信号，并将该信号通过红外温度感应器管脚接口以及线路传至单片机，由单片机进行温度判断，单片机根据设定的温度阈值，驱动蓝色LED报警灯、红色LED报警灯以及蜂鸣器动作；显示器在接收到单片机发送的温度信号后，将温度实时显示在显示屏上。红外温度感应器管脚接口外接的红外温度传感器在室温范围内提供的标准精度为±0.5℃，芯片所计算出的温度是红外温度传感器视角范围内所有物体的平均温度，红外温度传感器正对被测对象18650型电池负极，距离为0.5cm-1.0cm。
一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置的预警方法，包括如下步骤：
1）将红外温度传感器与锂离子电池负极正对；
2）红外温度传感器感应到周围温度后，将温度信号传递到单片机,由单片机将该温度信号经由线路传递到显示器进行显示，同时在内部对比温度，由单片机发送指令到报警装置；
2-1）当外接红外温度传感器反馈温度大于55℃时但小于等于70℃时，被监测电池达到初级预警条件，单片机发送指令到报警装置，预警装置部分蓝色LED报警灯亮起；蓝色LED报警灯持续工作，发出连续的蓝光，提醒人员注意被监测电池状态，防止电池进一步升温；
2-2）当红外温度传感器反馈的温度大于70℃时但小于等于80℃时，被监测电池达到二级预警条件，单片机发送指令到报警装置，报警装置中蓝色LED报警灯停止工作，红色LED报警灯间断工作，发出闪烁的红光，同时，蜂鸣器发出间断报警声；提醒人员电池已经进入热失控初始反应阶段，应对电池进行处理，避免发生近一步热失控而导致火灾爆炸事故的发生；
2-3）当红外温度传感器的反馈温度大于80℃时，被监测电池达到三级预警条件，单片机发送指令到报警装置，此时红色LED报警灯持续工作，发出连续的红光，同时，蜂鸣器工作，发出持续的声音；蓝色LED报警灯不工作或停止，提醒人员电池已经进入热失控初始反应阶段，应对电池进行处理，避免发生近一步热失控而导致火灾爆炸事故的发生；
2-4）当红外温度传感器的反馈温度降至55℃以下时，单片机停止对报警装置发出报警指令，此时报警装置停止工作或不工作，继而使单片机对温度进行新一轮判断。
步骤1）中，红外温度传感器与锂离子电池负极之间的距离为0.5cm～1.0cm，减少或避免监测电池温度的偏差，从而得到最佳的预警效果。
本发明作为针对锂离子电池在充放电过程中的热失控预警装置及其预警方法，其具有操作简单、实时监测、预警及时等优点。能够在锂离子电池的充放电过程中，为锂离子电池的充放电过程提供更加安全的充放电环境。用于锂离子电池的充放电过程中，通过温度判断程序在电池充放电热失控之前进行及时预警，以阻止锂离子电池热失控进一步的发展和扩大；针对锂离子电池在充放电过程中的热失控预警，极大的保证了锂离子电池在充放电过程中的安全性和可靠性，减少锂离子电池热失控和燃烧产生的有毒有害气体对人体的伤害。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置的工作流程图；
图3是本发明装置的内部电气连接框图。
图中：1、电位器，2、显示器，3、单片机，4、定值电阻，5、晶振，6、陶瓷电容，7、红外温度感应器管脚接口，8、单点开关，9、PNP三极管，10、电源，11、蓝色LED报警灯，12、红色LED报警灯，13、蜂鸣器，14、红外温度传感器。
图3中的单片机上的D1、D20、D21、D40表示单片机的端口，显示器2上的字母标号表示显示器接口，红外温度感应器管脚接口7上的字母表示接口名称。
具体实施方式
参照附图1～3，本发明一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置包括红外温度传感器14、控制部分、报警装置部分、数据显示装置部分和辅助装置部分；控制部分包括单片机、红外温度感应器管脚接口7和单点开关8；红外温度传感器14的输出端与红外温度感应器管脚接口7相连；红外温度感应器管脚接口7通过信号线与单片机3相连；
报警装置部分由蓝色LED报警灯11、红色LED报警灯12和蜂鸣器13组成；蓝色LED报警灯11、红色LED报警灯12和蜂鸣器13分别与单片机3相连；
数据显示装置部分由显示器2和电位器1组成；显示器2分别与单片机3和电位器1相连；电位器1分别与显示器2以及单点开关8相连；
辅助装置由定值电阻4、晶振5、陶瓷电容6、PNP三极管9和电源10组成；陶瓷电容6的一端经过晶振5与单片机3相连，陶瓷电容6的另一端与单点开关8相连；定值电阻4与显示器2相连，PNP三极管9串接在蜂鸣器13和单点开关8之间；电源10分别与单片机3和显示屏2相连，为其提供工作电压；红外温度传感器14的输出端与红外温度感应器管脚接口7相连；红外温度感应器管脚接口7通过信号线与单片机3相连。
本发明装置针对18650型锂离子电池在充放电过程中的热失控进行预警，可安装在锂离子电池的充电、放电、储存等场所，为不同场所下的锂离子电池提供温度参数。通过对温度参数进行分析，在锂离子电池达到一定温度时，及时预警，以便人员有效地采取措施，从而避免锂离子电池热失控带来的伤害。
实施例1：
使用时，将红外温度传感器14与18650型锂离子电池负极正对，距负极0.5cm～1.0cm。
现假设某18650型锂离子电池在红外温度传感器监测范围内进行放电反应，当其发生温度异常，预警方法包括以下步骤：
1）红外温度传感器14感应到周围温度后，将温度信号传递到单片机3；
2）由单片机3将该温度信号经由线路传递到显示器2进行显示，同时在内部对比温度，由单片机3发送指令到报警装置；
2-1）若温度大于55℃但不大于70℃，发送指令到报警装置使蓝色LED报警灯11持续工作，发出连续的蓝光，提醒人员注意被监测电池状态，防止电池进一步升温；
2-2）若温度大于70℃但不大于80℃，发送指令到报警装置使红色LED报警灯12间断工作，发出闪烁的红光，同时使蜂鸣器13工作，发出间断的声音，蓝色LED报警灯11不工作或停止，提醒人员对被监测电池进行相关处理，避免电池进一步升温，防止电池开始发生热失控；
2-3）若温度大于80℃，发送指令到报警装置，使红色LED报警灯12持续工作，发出连续的红光，同时使蜂鸣器13工作，发出持续的声音，蓝色LED报警灯11不工作或停止，提醒人员电池已经进入热失控初始反应阶段，应对电池进行处理，避免发生近一步热失控而导致火灾爆炸事故的发生;
2-4）若红外温度传感器14感应到温度不大于55℃，那么蓝色LED报警灯11、红色LED报警灯12和蜂鸣器13均不工作或停止。
所述显示器2在接收到单片机3发送的温度信号后，将温度实时显示在显示屏2上。
在本发明实施例中，红外温度传感器14均选用MELEXIS原装MLX90614ESF-BCC数字非接触红外测温传感器，单片机3采用MCS-51型单片机，蜂鸣器13采用市售的蜂鸣器；蓝色LED报警灯11和红色LED报警灯12均采用市售的LED灯。
实施例2：
本实施例红外温度传感器14位置同实施例1，若红外温度传感器14位置不在距被监测18650型锂离子电池负极0.5cm～1.0cm处，则红外温度传感器14监测电池温度会有偏差，导致预警效果不佳。
若红外温度传感器14位置在距被监测放电电路工作的18650型锂离子电池负极0.5cm～1.0cm处，由红外温度感应器管脚接口7外接红外温度传感器14探测到的温度，将温度信号经线路传递到单片机3进行程序判断运行，此时显示器2上显示出所测数据，若温度正常，则不发送报警指令；若温度超过所设定值，则会发出指令，蓝色LED报警灯11亮起，红色LED报警灯12闪烁或持续亮起，蜂鸣器13发出报警声。
温度超过所设定值进行报警，包括以下步骤：
1）当感应到温度大于55℃时，温度信号在单片机3内进行判断，单片机3发出指令，使蓝色LED报警灯11工作，发出持续的蓝光，显示器2显示实时温度，提示人员注意被监测电池温度异常，有发生热失控危险；
2）当温度继续上升并大于70℃但不大于80℃时，温度信号在单片机3进行判断，单片机3发出指令，使蓝色LED报警灯11不工作或停止，红色LED报警灯12工作，发出闪烁的红光，同时蜂鸣器13工作，发出间断的报警声；
3）当被监测电池温度继续升高并大于80℃时，温度信号在单片机3内进行判断，单片机3发出指令，使红色LED报警灯12工作，发出持续的红光，同时蜂鸣器13工作，发出持续的报警声，蓝色LED报警灯11不工作或停止工作；
4）对被监测电池进行断电处理后，电池温度下降，当温度不大于80℃时，温度信号在单片机3进行判断，单片机3发出指令，使蓝色LED报警灯11不工作或停止，红色LED报警灯12工作，发出闪烁的红光，同时蜂鸣器13工作，发出间断的报警声；
5）电池温度继续下降，当红外温度传感器14感应到温度低于70℃但大于55℃时，温度信号在单片机3内进行判断，单片机3发出指令，使蓝色LED报警灯11工作，发出持续的蓝光，红色LED报警灯12不工作或停止，蜂鸣器13不工作或停止；
6）当电池温度继续下降，红外温度传感器14感应到温度不大于55℃时，蓝色LED报警灯11、红色LED报警灯12和蜂鸣器13均不工作或停止工作，显示器2显示实时监测温度，继而使程序对温度进行新一轮判断。
Claims (6)
1.一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法，其特征在于：包括红外温度传感器、控制部分、报警装置部分、数据显示装置部分和辅助装置部分；控制部分包括单片机、红外温度感应器管脚接口和单点开关；红外温度传感器的输出端与红外温度感应器管脚接口相连；红外温度感应器管脚接口通过信号线与单片机相连；报警装置部分、数据显示部分分别与控制部分相连；辅助装置部分分别与控制部分、报警装置部分和数据显示装置部分相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法，其特征在于：报警装置部分由蓝色LED报警灯、红色LED报警灯和蜂鸣器组成；蓝色LED报警灯、红色LED报警灯和蜂鸣器分别与单片机相连；
数据显示装置部分由显示器和电位器组成；显示器分别与单片机和电位器相连；电位器分别与显示器以及单点开关相连，所述电位器在锂离子电池热失控早期预警装置使用，当电流发生变化时起到变阻器的作用；
辅助装置由定值电阻、晶振、陶瓷电容、PNP三极管和电源组成；陶瓷电容的一端经过晶振与单片机相连，陶瓷电容的另一端与单点开关相连；电位器与显示器相连，PNP三极管串接在蜂鸣器和单点开关之间；电源分别与单片机和显示屏相连，为其提供工作电压；红外温度传感器的输出端与红外温度感应器管脚接口相连；红外温度感应器管脚接口通过信号线与单片机相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法，其特征在于：所述陶瓷电容用于屏蔽、过滤杂波。
4.根据权利要求2所述的一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置及其预警方法，其特征在于：所述PNP三极管在锂离子电池热失控早期预警装置工作时，放大电流，使蓝色LED报警灯、红色LED报警灯和蜂鸣器可以正常工作。
5.一种如权利要求2所述的一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置的预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将红外温度传感器与锂离子电池负极正对；
2）红外温度传感器感应到周围温度后，将温度信号传递到单片机,由单片机将该温度信号经由线路传递到显示器进行显示，同时在内部对比温度，由单片机发送指令到报警装置；
2-1）当外接红外温度传感器反馈温度大于55℃时但小于等于70℃时，被监测电池达到初级预警条件，单片机发送指令到报警装置，预警装置部分蓝色LED报警灯亮起；蓝色LED报警灯持续工作，发出连续的蓝光，提醒人员注意被监测电池状态，防止电池进一步升温；
2-2）当红外温度传感器反馈的温度大于70℃时但小于等于80℃时，被监测电池达到二级预警条件，单片机发送指令到报警装置，报警装置中蓝色LED报警灯停止工作，红色LED报警灯间断工作，发出闪烁的红光，同时，蜂鸣器发出间断报警声；提醒人员电池已经进入热失控初始反应阶段，应对电池进行处理，避免发生近一步热失控而导致火灾爆炸事故的发生；
2-3）当红外温度传感器的反馈温度大于80℃时，被监测电池达到三级预警条件，单片机发送指令到报警装置，此时红色LED报警灯持续工作，发出连续的红光，同时，蜂鸣器工作，发出持续的声音；蓝色LED报警灯不工作或停止，提醒人员电池已经进入热失控初始反应阶段，应对电池进行处理，避免发生近一步热失控而导致火灾爆炸事故的发生；
2-4）当红外温度传感器的反馈温度降至55℃以下时，单片机停止对报警装置发出报警指令，此时报警装置停止工作或不工作，继而使单片机对温度进行新一轮判断。
6.根据权利要求5所述的一种基于温度探测的锂离子电池的热失控预警装置的预警方法，其特征在于：所述步骤1）中，红外温度传感器与锂离子电池负极之间的距离为0.5cm～1.0cm，减少或避免监测电池温度的偏差，得到最佳的预警效果。
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