CN110261781A - 一种电池热失控的预警方法 - Google Patents

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张越超
李天龙
张显智
王海秋
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Abstract

本发明提供了一种电池热失控的预警方法，包括组装模组，在模组内电芯的表面、模组内表面和模组外壳贴上压力传感器；将模组按照在电池包内放置的方式固定，并将压力传感器信号连接至数据采集仪器；对实验模组的电芯加热，记录压力传感器粘贴位置数据，直到电池逐渐鼓胀起火；根据压力传感器采集的不同位置的预警参数，确定压力传感器适合粘贴位置，并确定实验模组在加热状态下的最终预警参数；步骤七：重新组装新的实验模组，重复上述步骤，测试实验模组在过充、短路和针刺状态下的预警参数；整合后编入预警系统。本发明所述的电池热失控的预警方法，采用压力监控的独立系统，可以保证在BMS停止或故障时系统仍具有预警功能。

Description

一种电池热失控的预警方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种电池热失控的预警方法。
背景技术
电池是一种稳定性较差的化学电源，当电池发生短路、受到碰撞破损、过充电时，都可能会起火或爆炸，甚至在没有受到外部滥用的情况下，也可能因为自身缺陷发生热失控。虽然热失控的概率不高，但其会造成严重的人身、财产损失。在热失控不能完全避免的情况下，如何在热失控前实现预警，让用户及时逃离危险、采取阻燃措施，显得尤为重要。以电动车为例，电池在工作时会有电压、电流、时间、温度的监控，停车时没有监控。该种方式存在几个问题：(1)当电动车充电时，若电压、时间监控失灵、发生过充，则无法通过电压报警，而温度监控点一般在模组极耳上，不在电芯内部，温度传递较慢，在电池热失控前，极耳温度仍在正常范围，无法预警；(2)当电池由于内部缺陷快速升温时，电压在热失控前不会下降，极耳温度在正常范围内，无法预警；(3)当电动车发生碰撞、电池受到破损，内部不断升温时，整体电压、极耳温度仍正常，无法预警，同时碰撞可能造成MS系统失灵，失去监控能力。(4)电动车在静置状态或MS死机状态下无法监控异常。
专利201820483834.6介绍了在电池箱内装上压力传感器和加速度传感器，用于监测电池箱内压力信号、加速度信号。这种压力监测方式的敏感性较低，可能还没有监测到压力变化就起火了：(1)当箱体与电池距离较远时，或模组的外壳较硬不容易变形，箱体内的压力传感器还没受到挤压，电池就已经起火；(2)电池从发生异常到热失控，电池最大的平面上受到的内应力大，小平面上受到的内应力小，如果传感器正对电池小平面，则传感器还没有受到挤压，电池就已经起火。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种电池热失控的预警方法，以提供一种传输速度快、精度高、在BMS停止或故障时系统仍具有预警功能的电池热失控的预警方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种电池热失控的预警方法，包括具体步骤如下：
步骤一：组装一个实验模组，在模组内部电芯的表面贴上压力传感器；
步骤二：将实验模组的压力传感器通过信号线连接至数据采集仪器；
步骤三：对实验模组内的电芯启动加热，并同时开启数据采集仪，记录压力传感器粘贴位置的压力、电压和温度，直到电池逐渐鼓胀，最后起火；
步骤四：重新组装新的实验模组，在实验模组的内表面贴上压力传感器，然后重复步骤二至步骤三；
步骤五：重新组装新的实验模组，在实验模组的外壳贴上压力传感器，再组装一个常规模组，将实验模组和常规模组按照在电池包内放置的方式固定，然后重复步骤二至步骤三；
步骤六：根据压力传感器采集的不同位置的预警参数，确定压力传感器更适合贴在电芯表面，还是模组内表面，还是模组壳外表面，并确定实验模组在加热状态下的最终预警参数；
步骤七：重新组装新的实验模组，重复步骤一至步骤五，分别测试实验模组在过充、过放、短路和针刺状态下的预警参数；
步骤八：整合步骤六和步骤七中的预警参数，编入预警系统。
进一步的，数据采集仪器为多路仪。
进一步的，当压力传感器粘贴在电芯表面时，压力传感器的厚度≤两个电芯之间的间距，若相邻的两个电芯紧贴，则压力传感器的厚度范围为0.001mm～1mm；当压力传感器粘贴在实验模组内表面时，压力传感器的厚度≤实验模组最外侧电芯与模组外壳之间的间距，若最外侧电芯与模组外壳紧贴，则压力传感器的厚度范围为0.001mm～1mm；当压力传感器粘贴在实验模组外壳外表面时，压力传感器的厚度≤实验模组和常规模组的间距，若实验模组和常规模组紧贴，则压力传感器的厚度范围为0.001mm～1mm。
进一步的，步骤六中压力传感器最合适粘贴位置的确定原则为：(1)传感器放置容易程度：模组外壳＞模组内表面＞电芯表面；(2)成本：模组外壳≈模组内表面＜电芯表面；(3)检测敏感性：模组外壳＜模组内表面＜电芯表面。
进一步的，步骤六中的预警参数为压力、压力变化率、电阻和电阻变化率中的至少一个参数。
进一步的，设置一个独立于BMS的监测系统，监测系统信号连接至压力传感器，用来全时段监测或定期监测压力传感器的变化，该独立系统的能源为汽车内的电池或外部的独立电池。
进一步的，独立电池为低能量密度锂离子电池或太阳能电池或镍氢电池。
进一步的，设置一个无线数传集成模块，无线数传集成模块分别信号连接至压力传感器和上位机，将通过压力传感器收集到的电阻变化或压力变化数据，无线传输到监控上位机。
进一步的，上位机为计算机。
相对于现有技术，本发明所述的电池热失控的预警方法具有以下优势：
(1)本发明所述的电池热失控的预警方法，根据电池过热时内部产气、压力增大的特点，进行压力式预警，使用压力传感器，压力传递速度快，当锂离子电池的内部温度＞60℃时即开始胀气，内压开始升高，压力迅速传递到压力传感器上。
(2)本发明所述的电池热失控的预警方法，采用压力监控的独立系统，可以保证在BMS停止或故障时系统仍具有预警功能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的压力传感器粘在电芯表面的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的压力传感器粘在电芯表面正常状态的结构示意图；
图3为本发明实施例所述的压力传感器粘在电芯表面报警状态的结构示意图；
图4为本发明实施例所述的压力传感器粘在模组内部的结构示意图；
图5为本发明实施例所述的压力传感器粘在模组内部正常状态的结构示意图；
图6为本发明实施例所述的压力传感器粘在模组内部报警状态的结构示意图；
图7为本发明实施例所述的压力传感器粘在模组外壳的结构示意图；
图8为本发明实施例所述的压力传感器粘在模组外壳正常状态的结构示意图；
图9为本发明实施例所述的压力传感器粘在模组外壳报警状态的结构示意图。
附图标记说明：
1-实验模组；11-模组外壳；12-电芯；13-鼓胀电芯；2-常规模组；3-压力传感器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
名词解释：
BMS：全称为(BTTERY MNGEMENT SYSTEM)电池管理系统。
一种电池热失控的预警方法，如图1至图9所示，包括具体步骤如下：步骤一：组装一个实验模组1，在实验模组1内部电芯12的表面贴上压力传感器3；
步骤二：将实验模组1的压力传感器3通过信号线连接至数据采集仪器；
步骤三：对实验模组1内的电芯12启动加热，并同时开启数据采集仪，记录压力传感器3粘贴位置的压力、电压和温度，直到电池逐渐鼓胀，最后起火；
步骤四：重新组装新的实验模组1，在实验模组1的内表面贴上压力传感器3，然后重复步骤二至步骤三；
步骤五：重新组装新的实验模组1，在实验模组1的模组外壳11贴上压力传感器3，再组装一个常规模组2，将实验模组1和常规模组2按照在电池包内放置的方式固定，然后重复步骤二至步骤三；
步骤六：根据压力传感器3采集的不同位置的预警参数，确定压力传感器3更适合贴在电芯12表面，还是模组内表面，还是模组外壳11的表面，并确定实验模组1在加热状态下的最终预警参数；
步骤七：重新组装新的实验模组1，重复步骤一至步骤五，分别测试实验模组1在过充、过放、短路和针刺状态下的预警参数；
步骤八：整合步骤六和步骤七中的预警参数，编入预警系统。压力预警系统可以是BMS外的独立系统，有效保证在BMS停止或故障时系统仍具有预警功能。
步骤六中压力传感器3最合适粘贴位置的确定原则：(1)传感器放置容易程度：模组外壳11＞模组内表面＞电芯12表面；(2)成本：模组外壳11≈模组内表面＜电芯12表面；(3)检测敏感性：模组外壳11＜模组内表面＜电芯12表面。综合传感器放置容易程度、成本、敏感性，选择最适合的放置位置。
数据采集仪器为多路仪。
组装电池系统时，将压力传感器3放置于确定的位置，并在BMS系统中设置相应的预警参数，预警的参数可以是压力或压力变化率或电阻或电阻变化率。
当压力传感器3粘贴在电芯12表面时，压力传感器3的厚度≤两个电芯12之间的间距，若相邻的两个电芯12紧贴，则压力传感器3的厚度范围为0.001mm～1mm；当压力传感器3粘贴在实验模组1内表面时，压力传感器3的厚度≤实验模组1最外侧电芯12与模组外壳11之间的间距，若最外侧电芯12与模组外壳11紧贴，则压力传感器3的厚度范围为0.001mm～1mm；当压力传感器3粘贴在实验模组1的模组外壳11外表面时，压力传感器3的厚度≤实验模组1和常规模组2的间距，若实验模组1和常规模组2紧贴，则压力传感器3的厚度范围为0.001mm～1mm；若实验模组1和常规模组2的间距较大，压力传感器3的厚度大于1mm，或在厚度小于1mm的压力传感器3一侧安装用于增加其厚度的厚垫，以便实验模组1鼓胀时就能挤压到常规模组2。
为了保证在BMS停止或故障时系统仍具有预警功能，可以再设置一个独立于BMS的监测系统，只用来全时段监测或定期监测压力变化，该独立系统的能源可以是汽车内用于提供动力的电池，也可以是另外一块独立的电池。
独立的电池为低能量密度锂离子电池或太阳能电池或镍氢电池。
通过一个无线数传集成模块，将通过压力传感器3收集到的电阻变化、或压力变化数据，无线传输到监控上位机，从而实现远程监控和报警。使用无线传输，可以避免电池包内线路过多造成的线路起火风险、也避免了线路过多造成的电池包维护、检修困难。
压力传感器3规格：
参数 数值 单位
厚度 0.001～500 mm
响应时间 ＜10 ms
工作温度 -50～100 ℃
工作湿度 0～95％ ms
可靠性 ≥10 年
以电动汽车电池为例，根据电池包设计，选择合适尺寸的压力传感器3。
实施例一：
如图1至图3所示，其中图2和图3，为将模组的一侧壳体去掉后，其内部显示的结构示意图。将压力传感器3安装在电芯12表面，当电芯12受热鼓胀时(鼓胀后的电芯12成为鼓胀电芯13)，使得鼓胀电芯12、压力传感器3和其他电芯12都受到挤压，压力传感器3受到挤压输出信号，将采集到的数据传递给数据采集仪器。
实施例二：
如图4至图6所示，其中图5和图6，为将模组的一侧壳体去掉后，其内部显示的结构示意图。将压力传感器3安装在实验模组1内部，当电芯12受热鼓胀时成为鼓胀电芯13，鼓胀电芯13挤压其相邻的电芯12，最终使得压力传感器3受到挤压，压力传感器3受到挤压输出信号，将采集到的数据传递给数据采集仪器。
实施例三：
如图7至图9所示，其中图8和图9，为将模组的一侧壳体去掉后，其内部显示的结构示意图。将压力传感器3安装在实验模组1外壳，且位于实验模组1和常规模组2之间，当实验模组1内的电芯12受热鼓胀时成为鼓胀电芯13，鼓胀电芯13使得实验模组1鼓胀，最终使得压力传感器3受到挤压，压力传感器3受到挤压输出信号，将采集到的数据传递给数据采集仪器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。

Claims (9)

1.一种电池热失控的预警方法，其特征在于：包括具体步骤如下：
步骤一：组装一个实验模组，在实验模组内部电芯的表面贴上压力传感器；
步骤二：将实验模组的压力传感器通过信号线连接至数据采集仪器；
步骤三：对实验模组内的电芯启动加热，并同时开启数据采集仪，记录压力传感器粘贴位置的压力、电压和温度，直到电池逐渐鼓胀，最后起火；
步骤四：重新组装新的实验模组，在实验模组的内表面贴上压力传感器，然后重复步骤二至步骤三；
步骤五：重新组装新的实验模组，在实验模组的模组外壳贴上压力传感器，再组装一个常规模组，将实验模组和常规模组按照在电池包内放置的方式固定，然后重复步骤二至步骤三；
步骤六：根据压力传感器采集的不同位置的预警参数，确定压力传感器更适合贴在电芯表面，还是模组内表面，还是模组壳外表面，并确定实验模组在加热状态下的最终预警参数；
步骤七：重新组装新的实验模组，重复步骤一至步骤五，分别测试实验模组在过充、过放、短路和针刺状态下的预警参数；
步骤八：整合步骤六和步骤七中的预警参数，编入预警系统。
2.根据权利要求1所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：上位机为计算机。
3.根据权利要求1所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：数据采集仪器为多路仪。
4.根据权利要求1所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：当压力传感器粘贴在电芯表面时，压力传感器的厚度≤两个电芯之间的间距，若相邻的两个电芯紧贴，则压力传感器的厚度范围为0.001mm～1mm；当压力传感器粘贴在实验模组内表面时，压力传感器的厚度≤实验模组最外侧电芯与模组外壳之间的间距，若最外侧电芯与模组外壳紧贴，则压力传感器的厚度范围为0.001mm～1mm；当压力传感器粘贴在实验模组外壳外表面时，压力传感器的厚度≤实验模组和常规模组的间距，若实验模组和常规模组紧贴，则压力传感器的厚度范围为0.001mm～1mm。
5.根据权利要求1所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：步骤六中压力传感器最合适粘贴位置的确定原则为：(1)传感器放置容易程度：模组外壳＞模组内表面＞电芯表面；(2)成本：模组外壳≈模组内表面＜电芯表面；(3)检测敏感性：模组外壳＜模组内表面＜电芯表面。
6.根据权利要求1所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：步骤六中的预警参数为压力、压力变化率、电阻和电阻变化率中的至少一个参数。
7.根据权利要求1所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：设置一个独立于BMS的监测系统，监测系统信号连接至压力传感器，用来全时段监测或定期监测压力传感器的变化，该独立系统的能源为汽车内的电池或外部的独立电池。
8.根据权利要求7所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：独立电池为锂离子电池或太阳能电池或镍氢电池。
9.根据权利要求1所述的一种电池热失控的预警方法，其特征在于：设置一个无线数传集成模块，无线数传集成模块分别信号连接至压力传感器和上位机，将通过压力传感器收集到的电阻变化或压力变化数据，无线传输到监控上位机。
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