CN110667435A - 一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统及方法，其包括采集模块、控制模块和报警模块，所述采集模块包括温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器，从而通过所述温度传感器等对动力电池的电池箱内部的温度、压力、水位、烟雾以及火焰等进行采集，并然后所述控制模块根据所述温度传感器等采集的数据判定所述动力电池发生火灾的风险等级，并在火灾的风险等级高时控制预警模块发送预警提醒，从而实现了动力电池的实时监测及预警，大大提高了动力电池火灾监测的准确性和及时性。

Description

一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车动力电池监测技术领域，尤其涉及一种新能源汽车东林电池的火灾监测预警系统及方法。

背景技术

新能源汽车是未来汽车的重要发展方向，但是，近年来，新能源汽车的动力电池引发的火灾事件频发，给人们的生命财产安全造成了重大损失，因此，对新能源汽车的动力电池进行监测预警是很有必要的。

现有技术中，新能源汽车的动力电池安全由BMS (BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，电池管理系统)系统控制，其是通过检测动力电池箱内部温度传感器的单点温度，当温度超过设定阈值做切断输出处理；或者，在动力电池的箱体增加自动灭火装置，当装置检测到有高温或火苗后自动喷射灭火剂并报警，其可以在动力电池发生火灾的初期扑灭着火源，但是，存在电池箱结构复杂、不能有效定位着火点、使用成本高、不易维护、容易误判等诸多问题。

另外，现有的新能源汽车的电池管理系统只在车辆行驶及充电时工作，而且夜晚停班下电或短期停放时不能对动力电池的状态进行监测，而且，现有的电池管理系统一般只采集模组电压及部分点的温度，信息覆盖面窄，不能反映动力电池箱内部环境详细信息，而且在车辆淹水及未被采集到的点发生热失控时无法做到有效检测预警。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是提供一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统及方法，其不仅可以对动力电池进行实时监测，而且监测范围广、监测准确性高。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案内容具体如下：

一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：包括采集模块、控制模块、存储模块和报警模块，其中：

所述采集模块包括用于采集动力电池的电池箱内部温度的温度传感器、用于采集所述电池箱内部烟雾浓度的烟雾传感器、用于采集所述电池箱内部压力的压力传感器、用于采集所述电池箱内部水位的湿度传感器以及用于采集所述电池箱内部是火焰信息的火焰传感器，并且所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器均与所述控制模块电连接；

所述控制模块用于根据所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器采集的信息获取所述动力电池发生火灾的风险等级、并用于根据火灾的风险等级的高低判断是否向所述报警模块发出报警指令；

所述存储模块用于存储所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器采集的信息；

所述报警模块用于根据接收的报警指令发出报警提醒。

作为上述方案的优选，所述控制模块包括从控单元和主控单元，并且从控单元通过CAN总线通信连接所述主控单元，并且所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器均与所述从控单元电连接。

作为上述方案的优选，所述从控单元包括本体，所述本体的内部设置有供电单元、数据处理单元、风险等级判定单元以及第一CAN收发器，所述供电单元用于向所述从控单元供电，所述数据处理单元用于接收所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器采集的数据、并对接收的数据进行处理，所述风险等级判定单元用于根据所述数据处理单元的处理结果判断火灾风险等级，所述数据处理单元和所述风险等级判定单元通过所述第一CAN收发器通信连接所述主控单元。

作为上述方案的优选，所述主控单元包括单片机和第二CAN收发器，所述单片机通过所述第二CAN收发器连接所述数据处理单元和所述风险等级判定单元。

作为上述方案的优选，所述报警模块包括定位单元、显示单元、语音单元以及GSM单元，所述定位模块用于根据所述单片机接收的数据获取火灾报警点的位置，所述显示单元用于显示所述单片机接收的数据及火灾风险等级，所述语音报警单元进行语音提示报警，所述GSM单元用于发送预警信息。

作为上述方案的优选，所述定位单元为GPS/北斗定位单元；所述GSM单元为GSM/GPRS通信单元。

作为上述方案的优选，所述温度传感器为DS18B20型数字温度传感器；和 /或所述压力传感器为BMP180型压力传感器；和/或所述火焰传感器为YS-17型火焰传感器；和/或所述烟雾传感器为MQ-K1型气体传感器；和/或所述湿度传感器为HR202型湿敏电阻传感器。

作为上述方案的优选，所述火焰传感器和所述烟雾传感器的数量均为两个，并且两个所述火焰传感器和两个所述烟雾传感器分别呈对角线设置在所述电池箱的内部底部。

本发明还提供了一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警方法，包括以下步骤：

步骤一：通过采集模块中的温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器，采集新能源汽车动力电池所在环境的温度、烟雾、压力、湿度以及火焰；

步骤二：对采集模块中的温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器中的同类传感器的数据进行分组融合；

步骤三：对温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器这5类传感器的数据进行自适应加权融合，计算总的均方误差，并构造辨识框架；

步骤四：通过构造辨识框架，输出风险等级判定依据，并将判定结果通过从控单元的风险等级判定单元传输给主控单元，主控单元根据判定结果决定发布预警。

进一步地，步骤三中对温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器这5类传感器的数据进行自适应加权融合得到构造辨识框架的方法为：

A)通过多传感器测量数据进行自适应加权融合

n个传感器对同一个目标进行状态估计，则融合后的状态估计值

为：

各传感器的权重分别为w₁，w₂，w₃…w_n，各传感器的测量值分别为x₁，x₂，x₃…x_n，均是x的无偏估计，并且测量值彼此相互独立，其对应的方差为

总均方误差为：

条件测量值彼此相互独立，所以有：

E|(x-x_i)(x-x_j)|＝0(i,j＝1,2,3...n,i≠j)

计算总的均方误差：

总均方误差是关于加权因子的多元二次函数，所以δ²存在最小值。根据多元函数求极值理论，求出加权因子时，所对应的最小均方误差。

B)取均方误差最小情况下的数据再进行一次加权融合

传感器的方差为

其中，

传感器p在k时刻的均值为：

再一次进行加权融合对应的总均方误差为：

此刻的估计值为

C)D-S证据理论全局融合

基本概率分配m为：

其中，2^Θ→[0,1]，Θ表示论域中所有可能命题的集合，即各传感器采集的温度、烟雾、压力、湿度以及火焰目标的总集。

对命题A的支持程度和可能性分别定义为信任测度Bel(A)和似然测度Pl(A)，表达式为：

基本概率分配m(A)表示对集合A的精确程度；Pl(A)反映可能性，表示置信区间上限函数；Bel(A)反映必然性，表示置信区间下线函数。

最后根据D-S证据理论的合成规则得到能够融合多个证据元的合成公式：

其中，

其大小反映数据的冲突程度，系数为归一化因子。

D)构造辨识框架

新能源汽车动力电池箱的各传感器参数之间会相互作用影响，环境变化会引起多个传感器参数异常，为了对整个新能源汽车动力电池的真实环境做出精确判断，在进行传感器数据融合时，合理构造辨识框架是必须具备的先决条件。通过步骤C中的分析，构造辨识框架：

Θ＝{A,B,C,D}

A＝{有火焰及烟雾} 对应火灾风险等级为三级；

B＝{无火焰、无烟雾、压力较高且有水} 对应火灾风险等级为二级；

C＝{无火焰、无水、且有烟雾} 对应火灾风险等级为一级；

D＝{无火焰、无水且温度较高} 对应火灾风险等级为初级。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明公开了一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统及方法，其通过温度传感器等对动力电池的电池箱内部的温度、压力、水位、烟雾以及火焰等进行采集，并然后控制模块根据温度传感器等采集的数据判定动力电池发生火灾的风险等级，并在火灾的风险等级高时控制预警模块发送预警提醒，从而实现了动力电池的实时监测及预警，大大提高了动力电池火灾监测的准确性和及时性。

附图说明

图1为本发明所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统的结构示意图；

图2为采集模块在电池箱内的分布示意图；

其中，图1和图2中的附图标记为：

1、电池箱；2、温度传感器；3、烟雾传感器；4、压力传感器；5、湿度传感器；6、火焰传感器；7、从控单元；8、主控单元；9、供电单元；10、STM2 单片机；11、风险等级判定单元；12、第一CAN收发器；13、单片机；14、第二CAN收发器；15、GPS/北斗定位单元；16、SD卡模块；17、显示单元；18、 GSM/GPRS通信单元；19、语音单元。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

如图1所示，本发明公开了一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：包括采集模块、控制模块、存储模块和报警模块，其中：

所述采集模块包括用于采集动力电池的电池箱1内部温度的温度传感器2、用于采集所述电池箱1内部烟雾浓度的烟雾传感器3、用于采集所述电池箱1内部压力的压力传感器4、用于采集所述电池箱1内部水位的湿度传感器5以及用于采集所述电池箱1内部是火焰信息的火焰传感器6，并且所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述烟雾传感器3以及所述火焰传感器 6均与所述控制模块电连接；所述控制模块用于根据所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述烟雾传感器3以及所述火焰传感器6采集的信息获取所述动力电池发生火灾的风险等级、并用于根据火灾的风险等级的高低判断是否向所述报警模块发出报警指令；所述存储模块用于存储所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述烟雾传感器3以及所述火焰传感器6采集的信息；所述报警模块用于根据接收的报警指令发出报警提醒。

由于所述新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统首先通过所述温度传感器2、烟雾传感器3、压力传感器4、湿度传感器5以及火焰传感器6等获取电池箱1内部的温度、压力、水位、烟雾以及火焰等信息，然后所述控制模块根据接收的数据判定所述动力电池发生火灾的风险等级，并在火灾的风险等级高时控制预警模块发送预警提醒，从而实现了动力电池的实时监测及预警，大大提高了动力电池火灾监测的准确性和及时性。

在本发明中，所述控制模块包括从控单元7和主控单元，并且从控单元7 通过CAN总线通信连接所述主控单元，并且所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述烟雾传感器3以及所述火焰传感器6均与所述从控单元7电连接。

需要说明的是，由于新能源汽车动力电池是由多个电池串联连接而成，因此，在本发明中，所述采集模块和所述从控单元7的数量为多个、且所述采集模块和所述从控单元7的数量与电池的数量相同，主控单元的数量为一个，工作时，每个采集模块采集的数据传输给其对应的从控单元7后，每个从控单元7 对接收的数据进行处理、并将处理结果及接收的数据通过CAN总线通信单元传输给主控单元。

所述从控单元7包括本体，所述本体的内部设置有供电单元、数据处理单元、风险等级判定单元11以及第一CAN收发器12，所述供电单元用于向所述从控单元7供电，所述数据处理单元用于接收所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述烟雾传感器3以及所述火焰传感器6采集的数据、并对接收的数据进行处理，所述风险等级判定单元11用于根据所述数据处理单元的处理结果判断火灾风险等级，所述数据处理单元和所述风险等级判定单元 11通过所述第一CAN收发器12通信连接所述主控单元。

为了便于所述从控单元7与所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述湿度传感器5以及所述火焰传感器6等连接，所述本体上设置有用于连接所述温度传感器2的第一传感器接口、用于连接所述烟雾传感器3 的第二传感器接口、用于连接所述压力传感器4的第三传感器接口、用于连接所述湿度传感器5的第四传感器接口以及用于连接所述火焰传感器6的第五传感器接口。

由于所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述湿度传感器5以及所述火焰传感器6向所述从控单元7输出数据的类型不同，所述数据处理单元对不同类型的传感器数据采用不同的数据处理方式，具体为：当所述温度传感器2等向所述从控单元7输出的数据为模拟性数据时，所述数据处理单元则根据输出电压考虑是否需要放大电路或外围电路来使输出在可采集范围内；当所述温度传感器2等向所述从控单元7输出的数据为数字型时，所述数据处理单元则可使用比较器电路或者直接连接到MCU的输入输出端口来判断处理。

在本发明中，所述数据处理单元的工作流程为：首先进行初始化处理，然后对其进行自检，当所述数据处理单元自检通过后，所述数据处理单元依次读取所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述湿度传感器5以及所述火焰传感器6向所述数据处理单元传输的数据，当所述数据处理单元读取到所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述湿度传感器5以及所述火焰传感器6等的数据在正常范围内且未发生变化时，所述数据处理单元将不会将数据传输至所述报警风险等级判定单元11和所述单片机13，此时不进入CAN中断发送函数；否则，将进入CAN中断发送函数，即当所述数据处理单元读取到所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述湿度传感器5以及所述火焰传感器6等的数据异常时，所述数据处理单元将接收到的数据处理后传输至所述报警风险等级判定单元11和所述单片机13。

而且，在本发明中，所述数据处理单元优选为STM32单片机10。

在本发明中，所述风险等级判定单元11根据火灾发生的阶段将火灾风险等级判定为初级、一级、二级以及三级，其中：初级为火灾处于潜在阶段；一级为火灾处于发烟阶段；二级为火灾发生在高温阶段；三级为火灾发生在明火阶段。

具体地，当所述数据处理单元接收到所述电池箱1内部有火焰及烟雾时，所述风险等级判定单元11判定火灾风险等级为三级；当所述数据处理单元接收到所述电池箱1内部无火焰、无烟雾、压力较高且有水时，所述风险等级判定单元11判定火灾风险等级为二级；当所述数据处理单元接收到所述电池箱1内部无火焰、无水、且有烟雾时，所述风险等级判定单元11判定火灾风险等级为一级；当所述数据处理单元接收到所述电池箱1内部无火焰、无水且温度较高时，所述风险等级判定单元11判定火灾风险等级为初级。

在本发明中，第一CAN收发器12的CAN协议控制芯片可以为MCP2510 型或SJA1000型，其中：(1)SJA1000型是一个独立的CAN控制器，其在汽车和普通的工业应用上有先进的特征，而且由于它和PCA82C200在硬件和软件都兼容，因此它将会替代PCA82C200SJA1000有一系列先进的功能，使其适合于多种应用，特别在系统优化诊断和维护方面具有明显的优势；(2)MCP2510型 CAN控制器配备了SPI总线接口，支持国际通用的CAN总线协议规范CAN2.0A 及B，而且MCP2510型CAN控制器支持发送与接收11位的标准帧及29位的扩展帧，其优势在于具有多路发送器及缓冲器，减少了MCU的管理负担。

在本发明中，发明人结合现有的资源分别对MCP2510型和SJA1000型的 CAN协议控制芯片搭建了硬件电路测试实验，结果表明：SJA1000型的CAN协议控制芯片的硬件电路更为简单可靠、且程序对单片机资源要求较少，因此，在本发明中，第一CAN收发器12的CAN协议控制芯片优选为SJA1000型。

所述主控单元包括单片机13和第二CAN收发器14，所述单片机13通过所述第二CAN收发器14连接所述数据处理单元和所述风险等级判定单元11，在本发明中，所述第二CAN收发器14的CAN协议控制芯片优选为SJA1000型。

在本发明中，由于所述单片机13需要接受多个所述从控单元7传输的数据、并将接收的数据进行处理后转发至新能源汽车的整车CAN网络中，因此，所述单片机13需要具备2路CAN通信功能；而且，当有报警信息时，所述单片机 13还需要按照一定的控制策略驱动多路的外设工作，因此，所述单片机13还需要有多路IO口及多路中断，所以，所述单片机13的主控芯片为STM32F103VET6 型，其优势在于：(1)STM32F103VET6型主控芯片的工作电压范围在2.0V-3.6V 之间，工作温度范围为-40℃-+105℃，从而可以开启省电模式以适应一些低功耗应用的耗电要求，如STM32F103VET6型主控芯片可以应用于扫描仪、打印机、变频器、警报系统、可编程控制器等工业方面、手持设备、医疗设施、控制应用于电机驱动、GPS平台、PC外设、空调暖气的通风系统以及视频对讲等方面；(2)STM32F103VET6型主控芯片的工作频率为72兆赫兹，内核采用的是性能较好的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，还配备有与2条APB总线相连的外设以及增强过的I/O端口，20Kbp的SRAM以及128Kbp的闪存和内置高速存储器；另外，各种型号的元件都含有许多先进的以及标准的通信接口： 1个CAN、1个USB、3个USART以及2个I2C和SPI,不仅如此每一个元件还含有1个PWM定时器、2个12位的ADC以及3个通用16位定时器。

在本发明中，所述存储模块为SD卡模块16，从而通过所述SD卡模块16 可以将所述单片机13接收的数据进行存储。

所述报警模块包括定位单元、显示单元17、语音单元19以及GSM单元，所述定位模块用于根据所述单片机13接收的数据获取火灾报警点的位置，所述显示单元17用于显示所述单片机13接收的数据及火灾风险等级，所述语音报警单元进行语音提示报警，所述GSM单元用于发送预警信息。

具体工作时，当所述报警模块接收到报警指令时，所述定位单元将会根据所述单片机13接收的数据获取火灾风险点的位置信息、并将获取的位置信息发送给显示单元17和GSM单元；所述显示单元17将会显示所述单片机13接收的信息、火灾风险点的位置信息以及车辆信息等，具体包括所述温度传感器2、所述烟雾传感器3、所述压力传感器4、所述烟雾传感器3以及所述火焰传感器 6采集的数据、所述风险等级判定单元11判定的风险等级、火灾风险点的位置信息以及车辆信息等；所述语音单元19将会发出报警声音以提醒工作人员；所述GSM单元将会向责任人发送预警信息，且预警信息包括向指定的短信接收号码发送含有火灾风险点的位置信息以及车辆信息等内容的预警短信以及进行给指定责任人打电话报警等。

所述定位单元为GPS/北斗定位单元15，为了能够使得所述定位单元满足定位快速准确、启动时间短、功耗低等，在本发明中，所述GPS/北斗定位单元15 的型号为ATK-S1216F8-BD，这是因为型号为ATK-S1216F8-BD的GPS/北斗定位单元15具有如下优势：ATK-S1216F8-BD的GPS/北斗定位单元15是一种新型的GPS/北斗定位模块，其模块中含有167个通道，工作时能够达到20Hz输出频率，有着达到-165dBm的追踪灵敏性，其核心是S1216F8-BD模组由SkyTraq 公司制造，而且该模块特点包括：模块采用S1216F8-BD模组，体积小巧，性能优异、模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部FLASH，使用方便、模块自带IPX接口，可以连接各种有源天线，建议连接GPS/北斗双模有源天线、模块兼容3.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统、模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。

所述GSM单元为GSM/GPRS通信单元18，为了能够使得所述报警信息输出单元在发生火灾的过程中能够快速启动、且可以不间断预警，所述GSM/GPRS 通信单元18的型号为SIM900A，当所述GSM单元发送预警信息时，SIM900A 型号GSM/GPRS通信单元18首先进行初始化设置，然后依次设置预警短信模式、使用GSM字符、预警短信接收号码以及串口输出配置，最后打电话给指定责任人并通过短信形式将车辆详细身份信息及经纬度位置信息等发送给指定的短信接收号码。

在本发明中，所述显示单元17为串口液晶显示屏，且串口液晶显示屏的为YL-HMI070T8048TNN-04串口屏。

另外，发明人通过对动力电池箱1内部温度的曲线图可以确定：所述温度传感器2的温度采集范围为-20℃到80℃，采集精度为0.1℃，满足上述条件的温度传感器2的型号为DS18B20、PT100以及NTC110，其中：(1)DS18B20 数字温度传感器2提供0.0625℃的测量精度，温度检测范围为-55℃至+125℃； DS18B20采用的1-Wire通信即仅采用一个数据线(以及地)与微控制器进行通信，且其可以直接由数据线供电而不需要外部电源供电；(2)PT100型温度传感器2是一种热电阻型温度传感器2，工作温度在-40℃到85℃，温度采集精度在0.1℃，其优势在于输出的阻值与温度变量是线性函数关系，可通过构建恒压恒流法及欧姆定律计算出其阻值，进而得出其温度，方法简单且使用成本低；但是，其需要使用附加电路或AD采样，增加了程序及电路的复杂度；(3)NTC110 型温度传感器2通常是具有负温度系数类型的热敏电阻，工作温度为-20℃到 100℃，温度采集精度接近0.1℃，其在室温下阻值变化范围在0.1K-1M欧姆，温度系数低，单位温度变化时阻值变化较大，可有效保证精度；但是，其需要使用附加电路或AD采样，增加了程序及电路的复杂度。因此，在本发明中，所述温度传感器2为DS18B20型数字温度传感器2，其可以根据输出值设置三级报警阈值，一级报警最重、二级报警中等、三级报警最轻，一级报警阈值为T ＞60℃、二级报警阈值为T＞55摄氏度、三级报警阈值为T＞50℃。

目前，常使用的压力传感器4的型号为MD-PS002和BMP180，其中：(1) MD-PS002型压力传感器4具有体积小、量程大等优点，其工作温度为-40℃ -120℃，量程为0.05Mpa到2Mpa，MD-PS002压力传感器4芯体是在MD-PS001 压力传感器4芯片的基础上进行的二次封装，在保证传感器性能的前提下使之更为方便的用在压缩机、汽车电子等对于传感器性价比要求较高的领域；(2) BMP180型压力传感器4具有精度高、能耗低、体积小等特点，工作温度为-40℃到80℃，气压采集范围为0.01Mpa到3Mpa，BMP180型使用LCC陶瓷芯片封装，微处理器可使用I2C的总线与其直连，综合考虑上述两种压力传感器4的优缺点，在本发明中，所述压力传感器4为BMP180型压力传感器4，且根据输出值设置二级报警阈值，其中一级报警最重、二级报警最轻，一级报警阈值为P ＞0.3Mpa、二级报警阈值为P＞0.2Mp。

在本发明中，所述火焰传感器6为YS-17型火焰传感器6，这是因为YS-17 型火焰传感器6探测角度是60°，其可以检测700到1000纳米波长的红外光，而且，火焰传感器6的灵敏度在红外光波长接近880nm处是最高的。

在本发明中，所述烟雾传感器3为MQ-K1型气体传感器，这是因为MQ-K1 型气体传感器对CO的灵敏度高、且对其他含氢气体的监测也很理想。

在本发明中，所述湿度传感器5为HR202型湿敏电阻传感器，这是因为 HR202型湿敏电阻传感器是一种能够检测湿度变化的新型元件，其使用了有机高分子材料而对湿度的感应范围很广且长期使用时性能较为稳定。

本发明还提供了一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警方法，包括以下步骤：

步骤一：通过采集模块中的温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器，采集新能源汽车动力电池所在环境的温度、烟雾、压力、湿度以及火焰；

步骤二：对采集模块中的温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器中的同类传感器的数据进行分组融合；

步骤三：对温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器这5类传感器的数据进行自适应加权融合，计算总的均方误差，并构造辨识框架；

步骤四：通过构造辨识框架，输出风险等级判定依据，并将判定结果通过从控单元的风险等级判定单元传输给主控单元，主控单元根据判定结果决定发布预警。

进一步地，步骤二中对温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器这5类传感器的数据进行自适应加权融合得到构造辨识框架的方法为：

A)通过多传感器测量数据进行自适应加权融合

n个传感器对同一个目标进行状态估计，则融合后的状态估计值为：

各传感器的权重分别为w₁，w₂，w₃…w_n，各传感器的测量值分别为x₁，x₂， x₃…x_n，均是x的无偏估计，并且测量值彼此相互独立，其对应的方差为

总均方误差为：

条件测量值彼此相互独立，所以有：

E|(x-x_i)(x-x_j)|＝0(i,j＝1,2,3...n,i≠j)

计算总的均方误差：

总均方误差是关于加权因子的多元二次函数，所以δ²存在最小值。根据多元函数求极值理论，求出加权因子时，所对应的最小均方误差。

B)取均方误差最小情况下的数据再进行一次加权融合

传感器的方差为

其中，

传感器p在k时刻的均值为：

再一次进行加权融合对应的总均方误差为：

此刻的估计值为

C)D-S证据理论全局融合

基本概率分配m为：

其中，2^Θ→[0,1]，Θ表示论域中所有可能命题的集合，即各传感器采集的温度、烟雾、压力、湿度以及火焰目标的总集。

对命题A的支持程度和可能性分别定义为信任测度Bel(A)和似然测度Pl(A)，表达式为：

基本概率分配m(A)表示对集合A的精确程度；Pl(A)反映可能性，表示置信区间上限函数；Bel(A)反映必然性，表示置信区间下线函数。

最后根据D-S证据理论的合成规则得到能够融合多个证据元的合成公式：

其中，其大小反映数据的冲突程度，系数

为归一化因子。

D)构造辨识框架

新能源汽车动力电池箱的各传感器参数之间会相互作用影响，环境变化会引起多个传感器参数异常，为了对整个新能源汽车动力电池的真实环境做出精确判断，在进行传感器数据融合时，合理构造辨识框架是必须具备的先决条件。通过步骤C中的分析，构造辨识框架：

Θ＝{A,B,C,D}

A＝{有火焰及烟雾} 对应火灾风险等级为三级；

B＝{无火焰、无烟雾、压力较高且有水} 对应火灾风险等级为二级；

C＝{无火焰、无水、且有烟雾} 对应火灾风险等级为一级；

D＝{无火焰、无水且温度较高} 对应火灾风险等级为初级。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：包括采集模块、控制模块、存储模块和报警模块，其中：

所述采集模块包括用于采集动力电池的电池箱内部温度的温度传感器、用于采集所述电池箱内部烟雾浓度的烟雾传感器、用于采集所述电池箱内部压力的压力传感器、用于采集所述电池箱内部水位的湿度传感器以及用于采集所述电池箱内部是火焰信息的火焰传感器，并且所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器均与所述控制模块电连接；

所述控制模块用于根据所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器采集的信息获取所述动力电池发生火灾的风险等级、并用于根据火灾的风险等级的高低判断是否向所述报警模块发出报警指令；

所述存储模块用于存储所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器采集的信息；

所述报警模块用于根据接收的报警指令发出报警提醒。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：所述控制模块包括从控单元和主控单元，并且从控单元通过CAN总线通信连接所述主控单元，并且所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器均与所述从控单元电连接。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：所述从控单元包括本体，所述本体的内部设置有供电单元、数据处理单元、风险等级判定单元以及第一CAN收发器，所述供电单元用于向所述从控单元供电，所述数据处理单元用于接收所述温度传感器、所述烟雾传感器、所述压力传感器、所述烟雾传感器以及所述火焰传感器采集的数据、并对接收的数据进行处理，所述风险等级判定单元用于根据所述数据处理单元的处理结果判断火灾风险等级，所述数据处理单元和所述风险等级判定单元通过所述第一CAN收发器通信连接所述主控单元。

4.根据权利要求3所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：所述主控单元包括单片机和第二CAN收发器，所述单片机通过所述第二CAN收发器连接所述数据处理单元和所述风险等级判定单元。

5.根据权利要求4所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：所述报警模块包括定位单元、显示单元、语音单元以及GSM单元，所述定位模块用于根据所述单片机接收的数据获取火灾报警点的位置，所述显示单元用于显示所述单片机接收的数据及火灾风险等级，所述语音报警单元进行语音提示报警，所述GSM单元用于发送预警信息。

6.根据权利要求5所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：所述定位单元为GPS/北斗定位单元；所述GSM单元为GSM/GPRS通信单元。

7.根据权利要求1所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：所述温度传感器为DS18B20型数字温度传感器；和/或所述压力传感器为BMP180型压力传感器；和/或所述火焰传感器为YS-17型火焰传感器；和/或所述烟雾传感器为MQ-K1型气体传感器；和/或所述湿度传感器为HR202型湿敏电阻传感器。

8.根据权利要求1-7任何一项所述的新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统，其特征在于：所述火焰传感器和所述烟雾传感器的数量均为两个，并且两个所述火焰传感器和两个所述烟雾传感器分别呈对角线设置在所述电池箱的内部底部。

9.一种权利要求1所述新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统的预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：通过采集模块中的温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器，采集新能源汽车动力电池所在环境的温度、烟雾、压力、湿度以及火焰；

步骤二：对采集模块中的温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器中的同类传感器的数据进行分组融合；

步骤三：对温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器这的数据进行自适应加权融合，计算总的均方误差，并构造辨识框架；

步骤四：通过构造辨识框架，输出风险等级判定依据，并将判定结果通过从控单元的风险等级判定单元传输给主控单元，主控单元根据判定结果决定发布预警。

10.根据权利要求9所述新能源汽车动力电池的火灾监测预警系统的预警方法，其特征在于：步骤三中对温度传感器、烟雾传感器、压力传感器、湿度传感器以及火焰传感器的数据进行自适应加权融合得到构造辨识框架的方法为：

A)通过多传感器测量数据进行自适应加权融合

n个传感器对同一个目标进行状态估计，则融合后的状态估计值

为：

各传感器的权重分别为w₁，w₂，w₃…w_n，各传感器的测量值分别为x₁，x₂，x₃…x_n，均是x的无偏估计，并且测量值彼此相互独立，其对应的方差为

总均方误差为：

条件测量值彼此相互独立，所以有：

E|(x-x_i)(x-x_j)|＝0(i,j＝1,2,3...n,i≠j)

计算总的均方误差：

总均方误差是关于加权因子的多元二次函数，所以δ²存在最小值；根据多元函数求极值理论，求出加权因子

时，所对应的最小均方误差；

B)取均方误差最小情况下的数据再进行一次加权融合

传感器的方差为

其中，

传感器p在k时刻的均值为：

再一次进行加权融合对应的总均方误差为：

此刻的估计值为

C)D-S证据理论全局融合

基本概率分配m为：

其中，2^Θ→[0,1]，Θ表示论域中所有可能命题的集合，即各传感器采集的温度、烟雾、压力、湿度以及火焰目标的总集；

对命题A的支持程度和可能性分别定义为信任测度Bel(A)和似然测度Pl(A)，表达式为：

基本概率分配m(A)表示对集合A的精确程度；Pl(A)反映可能性，表示置信区间上限函数；Bel(A)反映必然性，表示置信区间下线函数；

最后根据D-S证据理论的合成规则得到能够融合多个证据元的合成公式：

其中，

其大小反映数据的冲突程度，系数

为归一化因子；

D)构造辨识框架

通过步骤C中的分析，构造辨识框架：

Θ＝{A,B,C,D}

A＝{有火焰及烟雾} 对应火灾风险等级为三级；

B＝{无火焰、无烟雾、压力较高且有水} 对应火灾风险等级为二级；

C＝{无火焰、无水、且有烟雾} 对应火灾风险等级为一级；

D＝{无火焰、无水且温度较高} 对应火灾风险等级为初级。

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