CN108091947A - 电动车用动力电池组安全防控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动车用动力电池组安全防控系统，包括信号采集装置、主控制器和逐级防控执行器。所述主控制器包括分别与所述逐级防控执行器电连接并向所述逐级防控执行器发送不同的控制指令的故障诊断器、单体热失控判定器和电池组热失控蔓延判定器。所述逐级防控执行器可以根据所述故障诊断器、所述单体热失控判定器和所述电池组热失控蔓延判定器发送的不同的控制指令执行不同等级的防控动作。所述电动车用动力电池组安全防控系统能够提供主动防控措施和被动防控措施，能够针对具体发生事故的实际情况，结合防控系统的防控能力，准确启动防控机制，最大化安全防护效果，保证电动汽车乘员安全。

Description

电动车用动力电池组安全防控系统
技术领域
本发明涉及电动汽车及电池技术领域，特别是涉及电动车用动力电池组安全防控系统。
背景技术
电动汽车是新能源汽车的主体，动力电池是电动汽车的核心能量源。动力电池一般需要成组以满足电动汽车的驱动需求。车用动力电池组应配备有安全防控系统，以保证车用动力电池组在使用过程中的安全性。
一般地，电动汽车的安全事故表现为多阶段的特性，第一阶段是电池系统出现故障，故障形成电池单体的热失控诱因；第二阶段是电池系统中的电池单体发生热失控，并可能引发局部火灾；第三阶段是电池系统中发生热失控蔓延，可能伴随有火灾的蔓延。针对以上三个阶段，车用动力电池组所配备的安全防控系统应具有相应的防控措施。
传统的电动汽车的电池监控管理系统及其监控方法中，通过实时采集的电压、温度、烟雾浓度、气体浓度判定电池发生热失控。该监控系统及方法只能用于热失控发生时进行报警，未对电池热失控问题提出主动的、直接的防控方案，未提出早期热失控诱因故障的预警方案。该监控系统及方法也不能在单体电池发生热失控后有效抑制电池组内的热失控蔓延，实际安全防控效果有限。由上述可知，传统的方案大多是针对电动汽车的安全事故的第二阶段和第三阶段进行设置的被动防控措施。传统的技术方案不能主动的、直接的监控电动汽车的电池系统的故障，不能综合提高电动汽车电池组的安全性。
发明内容
基于此，有必要针对传统的技术方案不能主动的、直接的监控电动汽车的电池系统的故障，不能综合提高电动汽车电池组的安全性的问题，提供电动车用动力电池组安全防控系统。
一种电动车用动力电池组安全防控系统，包括用于为电动车提供动力的电池组，还包括信号采集装置，主控制器，逐级防控执行器；
所述信号采集装置的一端与所述电池组电连接，所述信号采集装置的另一端与所述主控制器电连接，用于获取所述电池组的检测信息，并将监测信息传送至所述主控制器；
所述主控制器包括故障诊断器，单体热失控判定器和电池组热失控蔓延判定器，所述故障诊断器、所述单体热失控判定器和所述电池组热失控蔓延判定器分别与所述逐级防控执行器电连接，用于向所述逐级防控执行器发送控制指令；
所述逐级防控执行器用于根据所述故障诊断器、所述单体热失控判定器和所述电池组热失控蔓延判定器发送的控制指令执行防控动作。
在一个实施例中，所述故障诊断器包括：内短路检测器、外短路检测器、充放电故障检测器、绝缘失效检测器、碰撞检测器、漏液及起火检测器和过热检测器；
所述内短路检测器、所述外短路检测器、所述充放电故障检测器、所述绝缘失效检测器、所述碰撞检测器、所述漏液及起火检测器和所述过热检测器分别与所述信号采集装置电连接；
所述内短路检测器、所述外短路检测器、所述充放电故障检测器、所述绝缘失效检测器、所述碰撞检测器、所述漏液及起火检测器和所述过热检测器分别用于对不同种类的故障进行并行故障诊断、判定故障类型，并针对不同的故障类型向所述逐级防控执行器发送故障等级为1级的控制指令。
在一个实施例中，所述单体热失控判定器包括分别与所述信号采集装置电连接的电池单体热失控预测器和电池单体热失控定位器；
所述电池单体热失控预测器用于预测电池单体发生热失控的可能性，所述电池单体热失控定位器用于判断电池单体发生热失控的区域；
所述电池单体热失控预测器和所述电池单体热失控定位器用于针对电池单体发生热失控可能性的不同大小和电池单体发生热失控的不同区域向所述逐级防控执行器发送故障等级为2级的控制指令。
在一个实施例中，所述电池组热失控蔓延判定器包括分别与所述信号采集装置电连接的电池组热失控蔓延预测器和电池组热失控蔓延定位器；
所述电池组热失控蔓延预测器用于判定电池组及相邻区域是否发生热失控蔓延，所述电池组热失控蔓延定位器用于定位发生热失控蔓延的电池组所在区域；
所述电池组热失控蔓延预测器和所述电池组热失控蔓延定位器用于针对所述电池组是否发生热失控蔓延、发生热失控蔓延的电池组所在区域、电池组是否发生热失控蔓延起火、电池单体是否发生起火的不同情况向所述逐级防控执行器发送故障等级为3级的控制指令。
在一个实施例中，所述电池组热失控蔓延判定器还包括电池组热失控蔓延起火判定器、电池组热失控蔓延爆炸判定器和计时器；
所述电池组热失控蔓延起火判定器、所述电池组热失控蔓延爆炸判定器和所述计时器分别与所述信号采集装置电连接；
所述电池组热失控蔓延起火判定器用于判定电池组是否发生热失控蔓延起火；
所述电池组热失控蔓延爆炸判定器用于判定电池组是否发生热失控蔓延爆炸，如发生爆炸，则向所述逐级防控执行器发送故障等级为4级的控制指令；
所述计时器与所述电池组热失控蔓延爆炸判定器电连接，用于记录从电池单体热失控到电池组爆炸发生的时间间隔。
在一个实施例中，所述内短路检测器包括处理器、选择器、电化学状态判断器、产热状态判断器和逻辑运算器；
所述电化学状态判断器的一端和所述产热状态判断器的一端分别连接至所述电池组；
所述电化学状态判断器的另一端和所述产热状态判断器的另一端分别连接至所述处理器；
所述电化学状态判断器用于获取具有极端电化学状态的电池信息，进行基于模型的电化学异常状态检测，并输出电池电化学状态的检测结果；
所述产热状态判断器用于获取具有极端产热状态的电池信息，进行基于模型的产热异常状态检测，并输出电池产热状态的检测结果；
所述处理器用于存储所述电池组的位置及状态信息，所述处理器还用于生成防控动作控制指令；
所述选择器用于基于“平均+差异”模型，对于极端电池进行筛选；
所述逻辑运算器用于根据所述电化学状态判断器和所述产热状态判断器获得的检测结果进行逻辑运算，并将运算结果输出至所述处理器。
在一个实施例中，所述逐级防控执行器包括分别与所述主控制器电连接的报警装置、热失控诱因抑制装置、热失控分区抑制装置、灭火装置和安全泄放装置；
热失控诱因抑制装置包括切断装置和隔离装置，所述切断装置和所述隔离装置分别设置于待执行相应的防控动作的装置，所述切断装置用于切断故障单体、故障区域电路，所述隔离装置用于隔离故障单体、隔离充放电电路，切断电池组总电路。
在一个实施例中，所述热失控蔓延抑制系统包括热流被动引导装置、热流主动引导装置、换热器和可燃气体抽排装置；
所述热流被动引导装置设置于所述电池组的不同区域，用于当发生热失控时被动引导热量的流动；
所述热流主动引导装置设置于所述电池组的不同区域，用于当发生热失控时主动引导热量的流动；
所述换热器设置于所述电池组的不同区域，用于完成所述电池组与外界的热量交换；
所述可燃气体抽排装置设置于所述电池组的不同区域，用于完成可燃气体的向外排放。
在一个实施例中，所述灭火装置包括灭火剂罐体、灭火剂输送管路和灭火剂喷射阀体；
所述灭火剂罐体和所述灭火剂喷射阀体通过所述灭火剂输送管路连接；
所述灭火剂喷射阀体包括第I区灭火剂喷射阀体和第II区灭火剂喷射阀体，所述第I区灭火剂喷射阀体和所述第II区灭火剂喷射阀体用于完成不同剂量的灭火剂的喷射。
在一个实施例中，所述主控制器和所述逐级防控执行器之间通过网络通信连接。
本发明公开了一种电动车用动力电池组安全防控系统。所述电动车用动力电池组安全防控系统包括：信号采集装置、主控制器和逐级防控执行器。能够提供主动防控措施和被动防控措施。所述主控制器包括分别与所述逐级防控执行器电连接并向所述逐级防控执行器发送不同的控制指令的故障诊断器、单体热失控判定器和电池组热失控蔓延判定器。所述逐级防控执行器可以根据所述故障诊断器、所述单体热失控判定器和所述电池组热失控蔓延判定器发送的不同的控制指令执行不同等级的防控动作。所述电动车用动力电池组安全防控系统能够针对具体发生事故的实际情况，结合防控系统的防控能力，准确启动防控机制，最大化安全防护效果，保证电动汽车乘员安全。本发明的电动车用动力电池组安全防控系统还能够使主动防控措施和被动防控措施相辅相成，互相促进，共同解决电动汽车电池组安全防控的问题。
附图说明
图1为一个实施例中电动车用动力电池组安全防控系统的结构示意图；
图2为一个实施例中电动车用动力电池组安全防控系统的部分结构示意图；
图3为一个实施例中电动车用动力电池组安全防控系统的部分结构示意图；
图4为一个实施例中电池组分区示意图；
图5为一个实施例中电动车用动力电池组安全防控系统电池组的结构示意图；
图6为一个实施例中信号采集装置的结构示意图；
图7为一个实施例中主控制器的硬件结构示意图；
图8为一个实施例中电池单体热失控判定器的结构示意图；
图9为一个实施例中电池组热失控蔓延判定器的结构示意图；
图10为一个实施例中内短路检测器的结构示意图；
图11为一个实施例中主控制器与逐级防控执行器的通信结构图；
图12为一个实施例中逐级防控执行器的结构示意图；
图13为一个实施例中信号采集装置的与主控制器的信号连接示意图；
图14为一个实施例中电动车用动力电池组安全防控系统的故障种类判断及相应的故障措施；
图15为一个实施例中电动车用动力电池组安全防控系统的控制逻辑图。
附图标号说明：
电池组 100
电池单体 101
电池箱体 102
电池模块端板 103
电池模块侧板 104
I区 110
I区第一电池模块 111
I区第二电池模块 112
I区第N电池模块 11N
II区 120
II区第一电池模块 121
II区第二电池模块 122
II区第N电池模块 12N
Ⅲ区 130
Ⅳ区 140
Ⅴ区 150
Ⅵ区 160
Ⅶ区 170
Ⅷ区 180
Ⅸ区 190
Ⅺ区 1A0
Ⅻ区 1B0
N区 1N0
N区第一电池模块 1N1
N区第二电池模块 1N2
N区第N电池模块 1NN
信号采集装置 200
信号传感器 210
电压传感器 211
温度传感器 212
电流传感器 213
绝缘检测传感器 214
碰撞信号传感器 215
可燃气体传感器 216
火焰检测传感器 217
爆炸检测传感器 218
信号采集线路板 20
第一采集子板 221
第二采集子板 222
第三采集子板 223
第四采集子板 224
第五采集子板 225
第六采集子板 226
第七采集子板 227
第八采集子板 228
第九采集子板 229
信号传递线束 230
主控制器 300
处理器 301
选择器 302
电化学状态判断器 303
产热状态判断器 304
逻辑运算器 305
故障诊断器 310
内短路检测器 311
外短路检测器 312
充放电故障检测器 313
绝缘失效检测器 314
碰撞检测器 315
漏液及起火检测器 316
过热检测器 317
其他检测器 31X
电池单体热失控判定器 320
电池单体热失控预测器 321
电池单体热失控定位器 322
电池组热失控蔓延判定器 330
电池组热失控蔓延预测器 331
电池组热失控蔓延定位器 332
电池组热失控蔓延起火判定器 333
电池组热失控蔓延爆炸判定器 334
计时器 335
信号接收装置 340
控制信号发射装置 350
功能安全保障装置 360
逐级防控执行器 400
报警装置 410
热失控诱因抑制装置 420
切断装置 421
隔离装置 422
热失控分区抑制装置 430
热流被动引导装置 431
隔热层 432
定向导热板 433
相变储热层 434
热流主动引导装置 435
冷却管路 436
液体冷却泵 437
换热器 438
可燃气体抽排装置 439
灭火装置 440
灭火剂罐体 441
灭火剂输送管路 442
灭火剂喷射阀体 443
第I区灭火剂喷射阀体 444
第II区灭火剂喷射阀体 445
安全泄放装置 450
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的电动车用动力电池组安全防控系统进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
电动车用动力电池组安全防控系统的安全事故表现为多阶段的特性，第一阶段是电池系统出现故障，故障形成电池单体的热失控诱因；第二阶段是电池系统中的电池单体发生热失控，并可能引发局部火灾；第三阶段是电池系统中发生热失控蔓延，可能伴随有火灾的蔓延。
针对第一阶段，在故障发生时，应进行及时预警。尤其是在相关测试标准中无法完全规定的情况，必须有针对全生命周期安全性长效监控的实时预警机制，如对自引发内短路的故障诊断，电池单体漏液的实时诊断及预警机制等。
针对第二阶段，在发生热失控时除进行及时报警之外，防控系统还应启动热失控蔓延抑制措施，延缓乃至防止热失控蔓延的发生。如在单体热失控过程中发生起火，防控系统应对出现的火灾进行及时的扑灭，防止火焰灼烧造成电池组元件的进一步损害。
针对第三阶段，在热失控蔓延发生时，防控系统应具有事故二次防控能力，尽全部能力延缓及防止可能对人员造成极大伤害的爆炸事件发生。对于可能出现的二次起火情况，防控系统应具有扑灭二次起火的能力。
电动车安全事故中，电池组起火和爆炸是最令人担忧的现象。对电池组可能出现的起火和爆炸现象，需要有清晰的认识，并制定合理的防控功能。对于火灾发生的三要素，高温、可燃物、氧气，防控系统一般针对此三要素进行设计。对于高温条件而言，电池组发生安全事故时，主要由于热失控造成局部高温条件，因此，为防控电池组火灾，弱化热失控造成的高温条件是非常重要的。如果能在热失控发生前的故障阶段(第一阶段)进行及时预警，热失控就不会发生，即从根本上防止了火灾的发生。当然，在热失控发生后通过冷却系统加大制冷量的方式，以及在起火后通过灭火装置喷射灭火剂降温的方式，也是行之有效的。对于可燃物而言，目前认为，电池组发生安全事故时，最为易燃的可燃物是锂离子动力电池内部的有机电解液，有机电解液发生泄漏并在电池组内扩散，可能造成火灾蔓延甚至爆炸。如果发生有机电解液泄漏，及时抽排可燃气体，使电池系统内部各个区域都不会达到起火或爆炸极限，是一种可行的防控措施。对于氧气而言，可以通过灭火装置喷射灭火剂的方式稀释氧气浓度，也可以通过在电池组内填充惰性气体的方式去除氧气的影响。但是，锂离子动力电池热失控时，其内部本身可能产生一定量的活性氧，通过填充惰性气体以抑制电池组火灾的方式可能作用效果有限。
需要注意的是，尽管防火防爆控制是电池组安全防控的重要组成部分，但是，进行电池安全防控时只进行防火防爆控制并不能最大程度上保证电池组的安全。这是因为电池热失控才是电池组安全性的共性关键问题，而热失控并不是起火爆炸的充分条件。电池组安全防控应以热失控防控为核心，对故障诱因、单体热失控、热失控蔓延、以及起火爆炸等依次发生的事故现象进行逐级防控。另外，电池组热失控时释放的气体可能造成乘员的窒息危险，在进行安全性逐级防控过程中，也必须加以注意。
请参阅图1，提供一种电动车用动力电池组安全防控系统10，包括电池组100、信号采集装置200、主控制器300和逐级防控执行器400。图1中示出了，所述信号采集装置200的一端与所述电池组100电连接，另一端与所述主控制器300电连接。所述信号采集装置200用于获取所述电池组100的检测信息，并将监测信息传送至所述主控制器300。所述主控制器300与所述逐级防控执行器400电连接，用于完成向所述逐级防控执行器400传送控制信号。
本实施例中，所述电动车用动力电池组安全防控系统10所述主控制器300可以发送的不同的控制指令，控制所述逐级防控执行器400执行不同等级的防控动作。所述电动车用动力电池组安全防控系统10能够针对具体发生事故的实际情况，结合防控系统的防控能力，准确启动防控机制，最大化安全防护效果，保证电动汽车乘员安全。所述电动车用动力电池组安全防控系统10还能够使主动防控措施和被动防控措施相辅相成，互相促进，共同解决电动汽车电池组安全防控的问题。所述主动防控措施是指根据上述电动汽车电池安全事故的三个阶段对电池系统事故的特征进行实时监测，及时预警。被动防控措施是指根据电动汽车电池安全事故的三个阶段针对电池系统事故的特征，在设计过程中增加相应的元件和机制，以延缓或防止事故的发生或蔓延过程。所述电动车用动力电池组安全防控系统10能够结合所述主控制器300中的所述故障诊断器310、所述电池单体热失控判定器320和所述电池组热失控蔓延判定器330实现主动防控措施和被动防控措施相辅相成，互相促进，共同解决电动汽车电池组安全防控的问题。所述电动车用动力电池组安全防控系统10可针对电动车用电池组安全事故的多阶段特性，实现热失控诱因故障、单体热失控、电池组热失控蔓延、电池组起火爆炸、可燃有害气体释放等电池组安全问题的逐级防控。
请参阅图2-图5，提供所述电池组100的具体结构图，所述电池组100用于为电动车提供动力。所述电池组100的基本组成单位电池单体101。一个或者多个电池单体可以组成电池模块，不同的电池模块可以组成电池分区。所述电池组100可以包括多个不同的分区，比如可以将提供动力的电池组和提供信号的电池组区分开来。所述电池组100可以设置电池箱体102。在所述电池箱体102内可以包括I区110、II区120、Ⅲ区130、Ⅳ区140、Ⅴ区150、Ⅵ区160、Ⅶ区170、Ⅷ区180、Ⅸ区190、Ⅹ区1A0、Ⅺ区1B0。每个分区内又可以包括不同的电池模块。如：I区110中可以包括不同的电池模块。比如：I区第一电池模块111、I区第二电池模块112、I区第三电池模块113、I区第四电池模块114、I区第五电池模块115……I区第N电池模块11N。II区120还可以包括II区第一电池模块121、II区第二电池模块122……II区第N电池模块12N等。具体的所述电池组100的分区情况可以根据不同的需要进行设置和合理的分区。具体的各个分区模块的个数可以根据需要进行设定。对所述电池组100进行有效防护，根据电池单体101所在的位置，对所述电池组100进行分区，各个分区包括一个或多个子模块。
在一个实施例中，将电池组100分成了11个区域，如图4所示11个区域分别编号为110至1B0。A和B表示16进制当中的10和11。所述电池组100包括电池箱体102。所述电池单体101可以为圆柱型，方型或根据使用需要自行设置。每个区的每个电池模块的连接方式可以是串联、并联或者串并混联。分区设计可以解决由于车载空间有限，灭火剂的携带数量有限，热失控蔓延抑制系统的制冷能力有限的问题。在热失控或火灾发生时，可以分区定点进行热失控蔓延抑制，以及灭火执行动作。
请参阅图6，提供所述信号采集装置200。所述信号采集装置200主要用于检测电池单体信号，用于进行早期热失控诱因的故障诊断。在一个实施例中，所述信号采集装置200可以包括信号传感器210，信号采集线路板220，信号传递线束230等。所述信号传感器210设置在靠近所述电池组100的位置，可以更准确的获取当前所述电池组100的温度状态和使用状态信息等。所述信号采集线路板220是配合所述信号传感器210设置的。所述信号采集线路板210可以设置多个，具体的可以针对每个所述信号传感器210设置一个采集线路板。比如：所述信号采集线路板220包括第一采集子板221，第二采集子板222……第N采集子板等。可以理解所述信号采集线束230用于实现电连接及信号传递。所述信号采集线束230可以将所述信号传感器210采集的信号传送至所述控制器300。
所述信号传感器210可以为电压传感器211、温度传感器212、电流传感器213、绝缘检测传感器214、碰撞信号传感器215、可燃气体传感器216、火焰检测传感器217和爆炸检测传感器218中的一种或多种。所述信号传感器210可以根据需要设置于所述电池组100的不同位置。各个电池组分区具有独立的采集子板，所述电压传感器211、所述温度传感器212、所述绝缘检测传感器214、所述可燃气体传感器216或者所述火焰检测传感器217等传感器均先将信号传输至相应分区对应的信号采集子板上，然后由信号采集子板发送给所述主控制器300。对于整个电池组100只具有唯一的信号传感器，如所述电流传感器213、所述碰撞信号传感器215或者所述爆炸检测传感器218获取的信号等，则直接将信号发送给所述主控制器300。
所述信号采集装置200的具体形式并不限制，随着科技的发展还可以有其他的能够检测电池组信号的装置可以安装到电池组100的相应位置。可以理解，只要能够获取电池状态信息的装置都在本申请保护范围之内。本实施例中，安装多个检测传感器可以全方位的获取电池的状态信息，使得系统获取的电池的状态信息更加准确、可靠。
请参阅图7，提供所述主控制器300的结构示意图。所述主控制器300可以包括故障诊断器310、电池单体热失控判定器320和电池组热失控蔓延判定器330。所述故障诊断器310、所述电池单体热失控判定器320和所述电池组热失控蔓延判定器330分别与所述逐级防控执行器400电连接，用于向所述逐级防控执行器400发送不同的控制指令。
所述主控制器300主要用于根据信号采集装置200检测到的电池组100的实时信号，进行基于模型的电池安全状态监控。所述主控制器300可以设置能够实现相应功能的主控制芯片，所述主控制器300可以进一步包括：信号接收装置340，控制信号发射装置350，功能安全保障装置360等。主控制器芯片中会实时运转用于电池安全状态监控的控制程序。所述主控制器300中的所述故障诊断器310、所述电池单体热失控判定器320和所述电池组热失控蔓延判定器330分阶段、分功能的完成对所述电池组100的实时监控。
在一个实施例中，所述故障诊断器310包括分别与所述信号采集装置200电连接的内短路检测器311、外短路检测器312、充放电故障检测器313、绝缘失效检测器314、碰撞检测器315、漏液及起火检测器316、过热检测器317和其他检测器31X。上述不同类型的故障诊断器310可以分别用于对不同种类的故障进行并行故障诊断，并判定故障类型，从而针对不同的故障类型向所述逐级防控执行器400发送故障等级为1级的控制指令。
请参阅图8，在一个实施例中，所述电池单体热失控判定器320包括电池单体热失控预测器321和电池单体热失控定位器322。所述电池单体热失控预测器321和所述电池单体热失控定位器322分别与所述信号采集装置200电连接。所述电池单体热失控预测器321用于预测电池单体发生热失控的可能性。所述电池单体热失控定位器322用于判断电池单体发生热失控的区域。所述电池单体热失控定位器322可以针对电池单体发生热失控可能性的不同大小和电池单体发生热失控的不同区域向所述逐级防控执行器400发送故障等级为2级的控制指令。
请参阅图9，在一个实施例中，所述电池组热失控蔓延判定器330包括电池组热失控蔓延预测器331和电池组热失控蔓延定位器332。所述电池组热失控蔓延预测器331和所述电池组热失控蔓延定位器332分别与所述信号采集装置200电连接。所述电池组热失控蔓延预测器331用于判定电池组及相邻区域是否发生热失控蔓延。所述电池组热失控蔓延定位器332用于定位发生热失控蔓延的电池组所在区域。针对所述电池组100是否发生热失控蔓延、发生热失控蔓延的电池组所在区域、电池组是否发生热失控蔓延起火、电池单体是否发生起火的不同情况向所述逐级防控执行器400发送故障等级为3级的控制指令。
在一个实施例中，所述电池组热失控蔓延判定器330还包括：电池组热失控蔓延起火判定器333、电池组热失控蔓延爆炸判定器334和计时器335。所述电池组热失控蔓延起火判定器333、所述电池组热失控蔓延爆炸判定器334和所述计时器335分别与所述信号采集装置200电连接。所述电池组热失控蔓延起火判定器333用于判定电池组是否发生热失控蔓延起火。所述电池组热失控蔓延爆炸判定器334用于判定电池组是否发生热失控蔓延爆炸，如发生爆炸，则向所述逐级防控执行器400发送故障等级为4级的控制指令。所述计时器335与所述电池组热失控蔓延爆炸判定器334电连接，用于记录从电池单体热失控到电池组爆炸发生的时间间隔。
所述电池组热失控蔓延爆炸判定器334和所述计时器335的设置使得所述电池组热失控蔓延判定器330能够更精确的得出判断结果。记录从电池单体热失控到电池组爆炸发生的时间间隔DTR在进行电池系统被动安全设计时，应保证爆炸发生的时间间隔DTR大于人员所需的逃生时间。另外，对于判断电池组热失控蔓延爆炸等事故分析也具有重要意义。
请参阅图10，在一个实施例中，所述内短路检测器311包括：处理器301、选择器302、电化学状态判断器303、产热状态判断器304和逻辑运算器305。
所述电化学状态判断器303和所述产热状态判断器304的一端分别连接至电池组100。所述电化学状态判断器303和所述产热状态判断器304的另一端分别连接至处理器301。所述电化学状态判断器303用于获取具有极端电化学状态的电池信息，进行基于模型的电化学异常状态检测，并输出电池电化学状态的检测结果。所述产热状态判断器304用于获取具有极端产热状态的电池信息，进行基于模型的产热异常状态检测，并输出电池产热状态的检测结果。所述处理器301用于存储所述电池组100的位置及状态信息，所述处理器301还用于生成防控动作控制指令。所述选择器302用于基于“平均+差异”模型，对于极端电池进行筛选。所述逻辑运算器305用于根据所述电化学状态判断器303和所述产热状态判断器304获得的检测结果进行逻辑运算，并将运算结果输出至所述处理器301。
具体的，根据所述电化学状态判断器303和所述产热状态判断器304获取的极端电化学状态和极端产热状态，进行逻辑“且”运算，如果极端电化学状态和极端产热状态均为1，且极端状态对应的电池单体为同一节单体，则判定该电池单体发生内短路故障。对发生内短路故障的电池单体进行进一步估计，估计其内短路程度，并要求防控执行器进行相应的防控动作，如报警，切断电路，隔离内短路电池等。
请参阅图11，所述逐级防控执行器400包括：报警装置410、热失控诱因抑制装置420、热失控分区抑制装置430、灭火装置440和安全泄放装置450。所述报警装置410、所述热失控诱因抑制装置420、所述热失控分区抑制装置430、所述灭火装置440和所述安全泄放装置450分别与所述主控制器300电连接。
所述逐级防控执行器400用于根据所述故障诊断器310、所述电池单体热失控判定器320和所述电池组热失控蔓延判定器330发送的不同的控制指令执行不同等级的防控动作。逐级防控执行器400实时接收主控制器300发送的安全逐级防控控制信号，并进行相应的安全防控动作。
图11还可以看出，主控制器300和逐级防控执行器400之间通过通信网络进行连接。故障诊断器310的相应控制信号控制报警装置410，热失控诱因抑制装置420，灭火装置440，以及安全泄放装置450进行动作。单体热失控判定器320的相应控制信号控制所述报警装置410、所述热失控分区抑制装置430、所述灭火装置440以及所述安全泄放装置450进行动作。电池组热失控蔓延判定器330的相应控制信号控制报警装置410，热失控分区抑制装置430，灭火装置440，以及安全泄放装置450进行动作。
请参阅图12，所述热失控诱因抑制装置420包括：切断装置421和隔离装置422。所述切断装置421和所述隔离装置422分别设置于待执行相应的防控动作的装置。所述切断装置421用于切断故障单体、故障区域电路。所述隔离装置422用于隔离故障单体、隔离充放电电路，切断电池组总电路。热失控诱因抑制装置420可以实现切断故障单体、故障区域电路以及隔离故障单体的功能。热失控诱因抑制装置420也可以实现充放电保护功能，切断电池组总电路，对应区域增强散热，降低可燃气体浓度，非热失控火灾灭火等功能。
热失控蔓延抑制系统430中，包括热流被动引导装置431，热流主动引导装置435，换热器438和可燃气体抽排装置439。热失控蔓延抑制系统430中，通过热流主动引导装置435和热流被动引导装置431实现对热失控蔓延的抑制。热流主动引导装置435，换热器438和可燃气体抽排装置439相互协助实现对热流的主动引导排出。通过热流被动引导装置431、换热器438和可燃气体抽排装置439相互协助实现对热流的被动引导排出。所述热流被动引导装置431设置于所述电池组100的不同区域，用于当发生热失控时被动引导热量的流动。所述热流主动引导装置435设置于所述电池组100的不同区域，用于当发生热失控时主动引导热量的流动。所述换热器438设置于所述电池组100的不同区域，用于完成所述电池组100与外界的热量交换。所述可燃气体抽排装置439设置于所述电池组100的不同区域，用于完成可燃气体的向外排放。热流主动引导装置435可以包括冷却管路436，液体冷却泵437。热流被动引导装置431可以包括隔热层432，定向导热板433，相变储热层434。
在一个实施例中，所述灭火装置440包括：灭火剂罐体441，灭火剂输送管路442和灭火剂喷射阀体443。所述灭火剂罐体441和所述灭火剂喷射阀体443通过所述灭火剂输送管路442连接。所述灭火剂喷射阀体443包括第I区灭火剂喷射阀体444和第II区灭火剂喷射阀体445，所述第I区灭火剂喷射阀体444和所述第II区灭火剂喷射阀体445用于完成不同剂量的灭火剂的喷射。
请参阅图13，在一个实施例中，所述主控制器300和所述逐级防控执行器400之间通过网络通信连接。具体的，所述信号采集装置200和所述主控制器300可以通过通信网络进行连接。所述通信网络包括CAN网络，FlexRay网络，RS232网络，蓝牙或Wifi虚拟信号传输网络等。信号采集装置200和主控制器300通过通信网络进行连接。各个电池组分区具有独立的采集子板。所述电压传感器211、所述温度传感器212、所述绝缘检测传感器214、所述可燃气体传感器216和所述火焰检测传感器217均先将信号传输至相应分区对应得采集子板220上，然后由采集子板220发送给主控制器300。如果整个电池组100只具有唯一的信号传感器，如电流传感器213，碰撞信号传感器215，爆炸检测传感器218等，则直接将信号发送给主控制器300。
请参阅图14，在一个实施例中，可以通过所述故障诊断器310判断电池组是否发生故障。所述故障可以包括：内短路故障、外短路故障、充放电故障、绝缘失效故障、碰撞故障、漏液或起火故障、过热故障、虚接故障、通信故障等。所述故障诊断器310可以包括：内短路检测器311、外短路检测器312、充放电故障检测器313、绝缘失效检测器314、碰撞检测器315、漏液及起火检测器316、过热检测器317，其他检测器31X等。以上所述的传感器分别与所述信号采集装置200电连接。上述的检测器分别用于对不同种类的故障进行并行故障诊断，并判定故障类型，针对不同的故障类型向所述逐级防控执行器400发送故障等级为1级的控制指令。
请参阅图15，提供所述电动车用动力电池组安全防控系统10的控制逻辑。所述主控制器300包括故障诊断器310，单体热失控判定器320和电池组热失控蔓延判定器330，这三个主要的层次。每个层次对应不同的防控措施。
在故障诊断方面，具有并行故障诊断功能，能够对不同种类的故障进行诊断，并判定故障类型，但不会发生误报。针对不同的故障进行报警，报警的故障等级为1级。无法判定故障类型时为1O级，判定故障类型后的故障等级为1X级，X代表具体的故障种类。
在单体热失控判定方面，具有判定热失控发生的功能。热失控发生的判定器可以预测一段时间tᄀ0以内电池单体发生热失控的可能性，如果预测到可能发生热失控，则触发报警机制。如果热失控判定器判定热失控发生，则进行报警，报警等级为2A级。同时，判断单体热失控区域，并在对应区域开启热失控蔓延分区抑制机制。判定单体热失控发生后，继续监测单体是否发生热失控起火，如发生起火，报警等级为2B级，并在相应分区开启分区灭火机制。
在电池组热失控蔓延判定方面，具有电池组热失控蔓延判定功能。如判定电池组相邻区域发生热失控蔓延且单体未发生起火，报警等级为3A级；如判定电池组相邻区域发生热失控蔓延且单体发生起火，报警等级为3B级。报警等级3A/3B级均在发生热失控蔓延的区域开启热失控蔓延二次抑制机和制。同时，判定是否发生热失控蔓延起火，如判定发生热失控蔓延起火且单体未发生起火，则报警等级为3C级；如判定发生热失控蔓延起火且单体发生起火，则报警等级为3D级。报警等级3C/3D级均在发生热失控蔓延起火的区域开启分区二次灭火机制。控制器持续监测电池组是否发生热失控蔓延爆炸，如发生爆炸，则报警等级为4级，记录从单体热失控到电池组爆炸发生的时间间隔DTR。在进行电池系统被动安全设计时，应保证爆炸发生的时间间隔DTR大于人员所需的逃生时间。一般地，考虑人员受困需要等待消防队破拆救援的情况，DTR应大于30min。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电动车用动力电池组安全防控系统(10)，包括用于为电动车提供动力的电池组(100)，其特征在于，还包括信号采集装置(200)，主控制器(300)，逐级防控执行器(400)；
所述信号采集装置(200)的一端与所述电池组(100)电连接，所述信号采集装置(200)的另一端与所述主控制器(300)电连接，用于获取所述电池组(100)的检测信息，并将监测信息传送至所述主控制器(300)；
所述主控制器(300)包括故障诊断器(310)、单体热失控判定器(320)和电池组热失控蔓延判定器(330)，所述故障诊断器(310)、所述单体热失控判定器(320)和所述电池组热失控蔓延判定器(330)分别与所述逐级防控执行器(400)电连接，用于向所述逐级防控执行器(400)发送控制指令；
所述逐级防控执行器(400)用于根据所述故障诊断器(310)、所述单体热失控判定器(320)和所述电池组热失控蔓延判定器(330)发送的控制指令执行防控动作。
2.如权利要求1所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述故障诊断器(310)包括内短路检测器(311)、外短路检测器(312)、充放电故障检测器(313)、绝缘失效检测器(314)、碰撞检测器(315)、漏液及起火检测器(316)和过热检测器(317)；
所述内短路检测器(311)、所述外短路检测器(312)、所述充放电故障检测器(313)、所述绝缘失效检测器(314)、所述碰撞检测器(315)、所述漏液及起火检测器(316)和所述过热检测器(317)分别与所述信号采集装置(200)电连接；
所述内短路检测器(311)、所述外短路检测器(312)、所述充放电故障检测器(313)、所述绝缘失效检测器(314)、所述碰撞检测器(315)、所述漏液及起火检测器(316)和所述过热检测器(317)分别用于对不同种类的故障进行并行故障诊断、判定故障类型并针对不同的故障类型向所述逐级防控执行器(400)发送故障等级为1级的控制指令。
3.如权利要求1所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述单体热失控判定器(320)包括分别与所述信号采集装置(200)电连接的电池单体热失控预测器(321)和电池单体热失控定位器(322)；
所述电池单体热失控预测器(321)用于预测电池单体发生热失控的可能性，所述电池单体热失控定位器(322)用于判断电池单体发生热失控的区域；
所述电池单体热失控预测器(321)和所述电池单体热失控定位器(322)用于针对电池单体发生热失控可能性的不同大小和电池单体发生热失控的不同区域向所述逐级防控执行器(400)发送故障等级为2级的控制指令。
4.如权利要求1所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述电池组热失控蔓延判定器(330)包括分别与所述信号采集装置(200)电连接的电池组热失控蔓延预测器(331)和电池组热失控蔓延定位器(332)；
所述电池组热失控蔓延预测器(331)用于判定电池组及相邻区域是否发生热失控蔓延，所述电池组热失控蔓延定位器(332)用于定位发生热失控蔓延的电池组所在区域；
所述电池组热失控蔓延预测器(331)和所述电池组热失控蔓延定位器(332)用于针对所述电池组(100)是否发生热失控蔓延、发生热失控蔓延的电池组所在区域、所述电池组(100)是否发生热失控蔓延起火、电池单体是否发生起火的不同情况向所述逐级防控执行器(400)发送故障等级为3级的控制指令。
5.如权利要求1所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述电池组热失控蔓延判定器(330)还包括电池组热失控蔓延起火判定器(333)、电池组热失控蔓延爆炸判定器(334)和计时器(335)；
所述电池组热失控蔓延起火判定器(333)、所述电池组热失控蔓延爆炸判定器(334)和所述计时器(335)分别与所述信号采集装置(200)电连接；
所述电池组热失控蔓延起火判定器(333)用于判定所述电池组(100)是否发生热失控蔓延起火；
所述电池组热失控蔓延爆炸判定器(334)用于判定所述电池组(100)是否发生热失控蔓延爆炸，如发生爆炸，则向所述逐级防控执行器(400)发送故障等级为4级的控制指令；
所述计时器(335)与所述电池组热失控蔓延爆炸判定器(334)电连接，用于记录从电池单体热失控到所述电池组(100)爆炸发生的时间间隔。
6.如权利要求2所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述内短路检测器(311)包括处理器(301)、选择器(302)、电化学状态判断器(303)、产热状态判断器(304)和逻辑运算器(305)；
所述电化学状态判断器(303)的一端和所述产热状态判断器(304)的一端分别连接至所述电池组(100)；
所述电化学状态判断器(303)的另一端和所述产热状态判断器(304)的另一端分别连接至所述处理器(301)；
所述电化学状态判断器(303)用于获取具有极端电化学状态的电池信息，进行基于模型的电化学异常状态检测，并输出电池电化学状态的检测结果；
所述产热状态判断器(304)用于获取具有极端产热状态的电池信息，进行基于模型的产热异常状态检测，并输出电池产热状态的检测结果；
所述处理器(301)用于存储所述电池组(100)的位置及状态信息，所述处理器(301)还用于生成防控动作控制指令；
所述选择器(302)用于基于“平均+差异”模型，对于极端电池进行筛选；
所述逻辑运算器(305)用于根据所述电化学状态判断器(303)和所述产热状态判断器(304)获得的检测结果进行逻辑运算，并将运算结果输出至所述处理器(301)。
7.如权利要求1所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述逐级防控执行器(400)包括分别与所述主控制器(300)电连接的报警装置(410)、热失控诱因抑制装置(420)、热失控分区抑制装置(430)、灭火装置(440)和安全泄放装置(450)；
热失控诱因抑制装置(420)包括切断装置(421)和隔离装置(422)，所述切断装置(421)和所述隔离装置(422)分别设置于待执行相应的防控动作的装置，所述切断装置(421)用于切断故障单体、故障区域电路，所述隔离装置(422)用于隔离故障单体、隔离充放电电路，切断所述电池组(100)总电路。
8.如权利要求7所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述热失控蔓延抑制系统(430)包括热流被动引导装置(431)、热流主动引导装置(435)、换热器(438)和可燃气体抽排装置(439)；
所述热流被动引导装置(431)设置于所述电池组(100)的不同区域，用于当发生热失控时被动引导热量的流动；
所述热流主动引导装置(435)设置于所述电池组(100)的不同区域，用于当发生热失控时主动引导热量的流动；
所述换热器(438)设置于所述电池组(100)的不同区域，用于完成所述电池组(100)与外界的热量交换；
所述可燃气体抽排装置(439)设置于所述电池组(100)的不同区域，用于完成可燃气体的向外排放。
9.如权利要求8所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于，所述灭火装置(440)包括灭火剂罐体(441)、灭火剂输送管路(442)和灭火剂喷射阀体(443)；
所述灭火剂罐体(441)和所述灭火剂喷射阀体(443)通过所述灭火剂输送管路(442)连接；
所述灭火剂喷射阀体(443)包括第I区灭火剂喷射阀体(444)和第II区灭火剂喷射阀体(445)，所述第I区灭火剂喷射阀体(444)和所述第II区灭火剂喷射阀体(445)用于完成不同剂量的灭火剂的喷射。
10.如权利要求1所述的电动车用动力电池组安全防控系统(10)，其特征在于：所述主控制器(300)和所述逐级防控执行器(400)之间通过网络通信连接。
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