CN111231676A - 一种动力电池主动热安全监控装置及监控方法 - Google Patents

一种动力电池主动热安全监控装置及监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力电池主动热安全监控装置及监控方法，包括电源模块、使能唤醒模块、传感器模块、MCU控制模块、响应输出模块和通信模块，电源模块与传感器模块、MCU控制模块、响应输出模块、通信模块连接，使能唤醒模块与MCU控制模块连接，能将反映整车运行模式的使能信号发送给MCU控制模块，传感器模块与MCU控制模块连接，将检测到的反映热失控的信号发送给MCU控制模块，MCU控制模块与响应输出模块连接，能通过响应输出模块输出热安全执行模块唤醒信号和反映MCU控制模块处于正常工作模式的信号，MCU控制模块与通信模块连接，能通过通信模块发送反映热失控的信号。采用本发明能对动力电池是否发生热失控进行监控，提高动力电池的安全性。

Description

一种动力电池主动热安全监控装置及监控方法
技术领域
本发明属于电池安全领域，具体涉及一种动力电池主动热安全监控装置及监控方法。
背景技术
新能源汽车作为战略性新兴产业在国家政策的大力扶持下快速发展，产销量逐年提高，与此同时，新能源汽车火灾事故频发，消防安全风险与日俱增，这些火灾事故主要是动力电池在某些诱导因素下引发热失控产生的后果。因而避免动力电池热失控，延迟热失控蔓延时间，对新能源整车用户用车安全和消防安全具有重大积极作用。当动力电池发生热失控时，会快速释放出大量可燃气体和热量，从而发生燃烧和爆炸。鉴于此，有必要设计一种动力电池主动热安全监控装置及监控方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种动力电池主动热安全监控装置及监控方法，以对动力电池是否发生热失控进行监控，提高动力电池的安全性。
本发明所述的动力电池主动热安全监控装置，包括电源模块、使能唤醒模块、传感器模块、MCU控制模块、响应输出模块和通信模块，电源模块与传感器模块、MCU控制模块、响应输出模块、通信模块连接，给传感器模块、MCU控制模块、响应输出模块、通信模块提供工作电源，使能唤醒模块与MCU控制模块连接，能将反映整车运行模式的使能信号发送给MCU控制模块以唤醒MCU控制模块，传感器模块与MCU控制模块连接，将检测到的反映热失控的信号发送给MCU控制模块，MCU控制模块与响应输出模块连接，能通过响应输出模块输出热安全执行模块唤醒信号和反映MCU控制模块处于正常工作模式的信号，MCU控制模块与通信模块连接，能通过通信模块发送反映热失控的信号。
优选的，所述传感器模块包括烟雾传感器Q31和压力传感器Q32；烟雾传感器Q31的电源端接电源模块的输出端，烟雾传感器Q31的信号输出端接MCU控制模块的烟雾信号输入端，烟雾传感器Q31的公地端接地；压力传感器Q32的电源端接电源模块的输出端，压力传感器Q32的信号输出端接MCU控制模块的压力信号输入端，压力传感器Q32的公地端接地。
优选的，所述电源模块包括TVS二极管D11、整流二极管D12和稳压器U11，整流二极管D12的正极作为电源模块的输入端，能输入低压蓄电池信号S1，TVS二极管D11的一端与整流二极管D12的正极连接，TVS二极管D11的另一端接地，整流二极管D12的负极接稳压器U11的输入端，稳压器U11的接地端接地，稳压器U11的输出端作为电源模块的输出端，与传感器模块的电源端、MCU控制模块的电源端、响应输出模块的电源端、通信模块的电源端连接。其中，稳压器U11可以是LDO线性稳压器，也可以是DCDC转换器。
优选的，所述使能唤醒模块包括电容C21、电阻R21和稳压二极管D21，电阻R21的一端与电容C21的一端连接，且连接处作为使能唤醒模块的输入端，能输入反映整车运行模式的使能信号S2，电容C21的另一端接地，电阻R21的另一端作为使能唤醒模块的输出端，与稳压二极管D21的阴极、MCU控制模块的使能端连接，稳压二极管D21的阳极接地，电阻R21和稳压二极管D21组成稳压电路。
优选的，所述响应输出模块包括电阻R51和PNP三极管Q51，电阻R51的一端与电源模块的输出端连接，电阻R51的另一端接PNP三极管Q51的发射极，PNP三极管Q51的基极接MCU控制模块4的响应输出端，PNP三极管Q51的集电极作为响应输出模块的输出端，能输出热安全执行模块唤醒信号S31和反映MCU控制模块处于正常工作模式的信号S32。
优选的，所述通信模块包括LIN通信模块和PWM通信模块；LIN通信模块的电源端接电源模块的输出端，LIN通信模块的接地端接地，LIN通信模块的通信端与MCU控制模块的LIN通信端口连接，MCU控制模块能通过LIN通信模块发送反映热失控的信号；PWM通信模块包括NPN三极管Q71、电阻R71和电容C71，NPN三极管Q71的基极接MCU控制模块的PWM通信端口，NPN三极管Q71的发射极接电阻R71的一端，电阻R71的另一端接地，NPN三极管Q71的集电极与电容C71的一端连接，电容C71的另一端接地，NPN三极管Q71的集电极作为PWM通信模块的输出端，能输出反映热失控的信号。
优选的，所述通信模块为LIN通信模块，LIN通信模块的电源端接电源模块的输出端，LIN通信模块的接地端接地，LIN通信模块的通信端与MCU控制模块的LIN通信端口连接，MCU控制模块能通过LIN通信模块发送反映热失控的信号。
本发明所述的动力电池主动热安全监控方法，采用上述监控装置，该方法包括正常工作模式、低功耗模式和深度睡眠模式。
进入正常工作模式时，MCU控制模块通过响应输出模块输出反映MCU控制模块处于正常工作模式的信号S32，然后MCU控制模块以T1为采集周期获取传感器模块检测到的反映热失控的信号，并通过通信模块将该反映热失控的信号发送出去。
在正常工作模式下，若动力电池处于静置状态，且第一预设时间阈值内获取的反映热失控的信号表示动力电池不存在热失控风险，则进入低功耗模式。
在低功耗模式下，MCU控制模块以T2为采集周期获取传感器模块检测到的反映热失控的信号：若获取的反映热失控的信号表示动力电池存在热失控风险，则MCU控制模块通过响应输出模块输出热安全执行模块唤醒信号S31，然后判断是否接收到反映整车运行模式的使能信号S2，如果是，则MCU控制模块被唤醒，进入正常工作模式；若第二预设时间阈值内获取的反映热失控的信号表示动力电池不存在热失控风险，则进入深度睡眠模式。
在深度睡眠模式下，MCU控制模块停止获取反映热失控的信号，MCU控制模块判断是否接收到反映整车运行模式的使能信号S2，如果是，则MCU控制模块被唤醒，进入正常工作模式。
采用本发明能监控动力电池是否存在热失控风险，能将反映热失控的信号发送到外接的热安全执行模块进行处理，提高了动力电池的安全性；并且本发明有正常工作模式、低功耗模式和深度睡眠模式三种模式，在进行监控的同时，也降低了电能消耗，避免了蓄电池馈电。
附图说明
图1为本发明中动力电池主动热安全监控装置的电路示意图。
图2为本发明中动力电池主动热安全监控方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示的动力电池主动热安全监控装置，包括电源模块1、使能唤醒模块2、传感器模块3、MCU控制模块4、响应输出模块5和通信模块。
电源模块1包括TVS二极管D11、整流二极管D12和稳压器U11，整流二极管D12的正极作为电源模块1的输入端，能输入低压蓄电池信号S1，低压蓄电池的电压范围为6～16V，TVS二极管D11起供电输入端口防浪涌作用，整流二极管D12起反向电压保护作用，稳压器U11为LDO线性稳压器（也可以是DCDC转换器），能将输入的6～16V电压转换为5V电压，且本身静态工作电流小，TVS二极管D11的一端与整流二极管D12的正极连接，TVS二极管D11的另一端接地，整流二极管D12的负极接稳压器U11的输入端，稳压器U11的接地端接地，稳压器U11的输出端作为电源模块1的输出端。
使能唤醒模块2包括电容C21、电阻R21和稳压二极管D21，电阻R21的一端与电容C21的一端连接，且连接处作为使能唤醒模块2的输入端，能输入反映整车运行模式的使能信号S2，该使能信号S2可以是车钥匙点火IGN信号和/或整车控制器输出的信号和/或电池管理系统输出的信号，车钥匙点火IGN信号、整车控制器输出的信号、电池管理系统输出的信号都能反映整车运行模式，其电压范围为5～16V，电容C21的另一端接地，电阻R21的另一端与稳压二极管D21的阴极、MCU控制模块4的使能端连接，稳压二极管D21的阳极接地。电容C21起输入端防浪涌作用，电阻R21和稳压二极管D21组成稳压电路，稳压二极管D21为稳压值为5V的稳压二极管。
传感器模块3包括烟雾传感器Q31和压力传感器Q32；烟雾传感器Q31的电源端接稳压器U11的输出端，烟雾传感器Q31的信号输出端接MCU控制模块4的烟雾信号输入端，烟雾传感器Q31的公地端接地，烟雾传感器Q31采集到的烟雾浓度与输出电压成线性关系，满足-10～65℃的温度范围内正常工作，且寿命大于等于10年；压力传感器Q32的电源端接稳压器U11的输出端，压力传感器Q32的信号输出端接MCU控制模块4的压力信号输入端，压力传感器Q32的公地端接地，压力传感器Q32采集到的压力大小与输出电压成线性关系，采集压力范围为40～300kPa，为车规级器件。烟雾信号（即与烟雾浓度对应的输出电压VM1）和压力信号（即与压力大小对应的输出电压VP1）组成本实施例中描述的反映热失控的信号。
MCU控制模块4为单片机最小系统，包含复位电路、晶振电路和程序烧录接口电路，所选单片机具有静态功耗低的特点，并具有模拟采集、LIN通信、定时器功能，MCU控制模块4的电源端接稳压器U11的输出端，MCU控制模块4的接地端接地。
响应输出模块5包括电阻R51和PNP三极管Q51，电阻R51的一端与稳压器U11的输出端连接，电阻R51的另一端接PNP三极管Q51的发射极，PNP三极管Q51的基极接MCU控制模块4的响应输出端，PNP三极管Q51的集电极作为响应输出模块5的输出端，能输出热安全执行模块唤醒信号S31和反映MCU控制模块4处于正常工作模式的信号S32。
通信模块包括LIN通信模块6和PWM通信模块7。LIN通信模块6由LIN收发器及必要的外围电路组成（为现有技术），LIN通信模块6的电源端接稳压器U11的输出端，LIN通信模块6的接地端接地，LIN通信模块6的通信端与MCU控制模块4的LIN通信端口连接，MCU控制模块4能通过LIN通信模块6发送烟雾信号和压力信号。PWM通信模块7包括NPN三极管Q71、电阻R71和电容C71，NPN三极管Q71的基极接MCU控制模块4的PWM通信端口，NPN三极管Q71的发射极接电阻R71的一端，电阻R71的另一端接地，NPN三极管Q71的集电极与电容C71的一端连接，电容C71的另一端接地，NPN三极管Q71的集电极作为PWM通信模块7的输出端，能输出烟雾信号和压力信号。LIN通信模块6与PWM通信模块7并非必须一并存在，当通信模块只有LIN通信模块6时，MCU控制模块4只通过LIN通信模块进行通信。
如图2所示的动力电池主动热安全监控方法，采用上述监控装置，该方法包括正常工作模式、低功耗模式和深度睡眠模式。
进入正常工作模式时，MCU控制模块4通过响应输出模块5输出反映MCU控制模块处于正常工作模式的信号S32，然后MCU控制模块4以T1为采集周期获取传感器模块3检测到的烟雾信号、压力信号，并通过LIN通信模块6将和PWM通信模块7将该烟雾信号、压力信号发送出去。
在正常工作模式下，若动力电池处于静置状态，且第一预设时间阈值内获取的烟雾信号、压力信号表示动力电池不存在热失控风险（即第一预设时间阈值内VM1＜烟雾报警阈值VM0且VP1＜压力报警阈值VP0），则进入低功耗模式。
在低功耗模式下，MCU控制模块4以T2（T2大于T1）为采集周期获取传感器模块3检测到的烟雾信号、压力信号：若VM1≥烟雾报警阈值VM0或者VP1≥压力报警阈值VP0，表示动力电池存在热失控风险，则MCU控制模块4通过响应输出模块5输出热安全执行模块唤醒信号S31，然后判断是否接收到反映整车运行模式的使能信号S2，如果是，则MCU控制模块4被唤醒，进入正常工作模式；若第二预设时间阈值内获取的烟雾信号、压力信号表示动力电池不存在热失控风险（即第二预设时间阈值内VM1＜烟雾报警阈值VM0且VP1＜压力报警阈值VP0），则进入深度睡眠模式。
在深度睡眠模式下，MCU控制模块4停止获取烟雾信号、压力信号，MCU控制模块4判断是否接收到反映整车运行模式的使能信号S2，如果是，则MCU控制模块4被唤醒，进入正常工作模式。
下面描述上述监控装置的其中一种具体应用场景。
在使用时，电源模块1的输入端连接低压蓄电池，使能唤醒模块2的输入端连接整车控制器，响应输出模块5的输出端连接整车控制器和电池管理系统，LIN通信模块6连接整车控制器，PWM通信模块7的输出端连接电池管理系统；整车控制器和电池管理系统组成热安全执行模块。
进入正常工作模式时，MCU控制模块4通过响应输出模块5输出反映MCU控制模块处于正常工作模式的信号S32给整车控制器和电池管理系统，然后MCU控制模块4以T1为采集周期获取传感器模块3检测到的烟雾信号、压力信号，并通过LIN通信模块6将该烟雾信号、压力信号发送给整车控制器，通过PWM通信模块7将该烟雾信号、压力信号发送给电池管理系统，电池管理系统和整车控制器分别判断采集到的烟雾信号、压力信号，并互相进行校验，以决策是否进行热失控预警、电池冷却、限功率、制动、断高压等安全措施。
在正常工作模式下，若动力电池处于静置状态，且第一预设时间阈值内获取的烟雾信号、压力信号表示动力电池不存在热失控风险（即第一预设时间阈值内VM1＜烟雾报警阈值VM0且VP1＜压力报警阈值VP0），则进入低功耗模式。
在低功耗模式下，MCU控制模块4以T2（T2大于T1）为采集周期获取传感器模块3检测到的烟雾信号、压力信号：若VM1≥烟雾报警阈值VM0或者VP1≥压力报警阈值VP0，表示动力电池存在热失控风险，则MCU控制模块4通过响应输出模块5输出热安全执行模块唤醒信号S31以唤醒整车控制器和电池管理系统，整车控制器被唤醒后会发送反映整车运行模式的使能信号S2给MCU控制模块4，MCU控制模块4在接收到反映整车运行模式的使能信号S2后被唤醒，进入正常工作模式；若第二预设时间阈值内获取的烟雾信号、压力信号表示动力电池不存在热失控风险（即第二预设时间阈值内VM1＜烟雾报警阈值VM0且VP1＜压力报警阈值VP0），则进入深度睡眠模式。
在深度睡眠模式下，MCU控制模块4停止获取烟雾信号、压力信号，如果车钥匙点火，整车控制器会被唤醒，整车控制器被唤醒后会发送反映整车运行模式的使能信号S2给MCU控制模块4，MCU控制模块4在接收到反映整车运行模式的使能信号S2后被唤醒，进入正常工作模式。

Claims (9)

1.一种动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：包括电源模块（1）、使能唤醒模块（2）、传感器模块（3）、MCU控制模块（4）、响应输出模块（5）和通信模块，电源模块（1）与传感器模块（3）、MCU控制模块（4）、响应输出模块（5）、通信模块连接，给传感器模块（3）、MCU控制模块（4）、响应输出模块（5）、通信模块提供工作电源，使能唤醒模块（2）与MCU控制模块（4）连接，能将反映整车运行模式的使能信号发送给MCU控制模块（4）以唤醒MCU控制模块，传感器模块（3）与MCU控制模块（4）连接，将检测到的反映热失控的信号发送给MCU控制模块（4），MCU控制模块（4）与响应输出模块（5）连接，能通过响应输出模块（5）输出热安全执行模块唤醒信号和反映MCU控制模块（4）处于正常工作模式的信号，MCU控制模块（4）与通信模块连接，能通过通信模块发送反映热失控的信号。
2.根据权利要求1所述的动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：所述传感器模块（3）包括烟雾传感器Q31和压力传感器Q32；烟雾传感器Q31的电源端接电源模块（1）的输出端，烟雾传感器Q31的信号输出端接MCU控制模块（4）的烟雾信号输入端，烟雾传感器Q31的公地端接地；压力传感器Q32的电源端接电源模块（1）的输出端，压力传感器Q32的信号输出端接MCU控制模块（4）的压力信号输入端，压力传感器Q32的公地端接地。
3.根据权利要求1所述的动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：所述电源模块（1）包括TVS二极管D11、整流二极管D12和稳压器U11，整流二极管D12的正极作为电源模块（1）的输入端，能输入低压蓄电池信号S1，TVS二极管D11的一端与整流二极管D12的正极连接，TVS二极管D11的另一端接地，整流二极管D12的负极接稳压器U11的输入端，稳压器U11的接地端接地，稳压器U11的输出端作为电源模块（1）的输出端，与传感器模块（3）的电源端、MCU控制模块（4）的电源端、响应输出模块（5）的电源端、通信模块的电源端连接。
4.根据权利要求3所述的动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：所述稳压器U11为LDO线性稳压器或者DCDC转换器。
5.根据权利要求1至4任一项所述的动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：所述使能唤醒模块（2）包括电容C21、电阻R21和稳压二极管D21，电阻R21的一端与电容C21的一端连接，且连接处作为使能唤醒模块（2）的输入端，能输入反映整车运行模式的使能信号S2，电容C21的另一端接地，电阻R21的另一端与稳压二极管D21的阴极、MCU控制模块（4）的使能端连接，稳压二极管D21的阳极接地，电阻R21和稳压二极管D21组成稳压电路。
6.根据权利要求1至5任一项所述的动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：所述响应输出模块（5）包括电阻R51和PNP三极管Q51，电阻R51的一端与电源模块（1）的输出端连接，电阻R51的另一端接PNP三极管Q51的发射极，PNP三极管Q51的基极接MCU控制模块4的响应输出端，PNP三极管Q51的集电极作为响应输出模块（5）的输出端，能输出热安全执行模块唤醒信号S31和反映MCU控制模块（4）处于正常工作模式的信号S32。
7.根据权利要求6所述的动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：所述通信模块包括LIN通信模块（6）和PWM通信模块（7）；LIN通信模块（6）的电源端接电源模块（1）的输出端，LIN通信模块（6）的接地端接地，LIN通信模块（6）的通信端与MCU控制模块（4）的LIN通信端口连接，MCU控制模块（4）能通过LIN通信模块（6）发送反映热失控的信号；PWM通信模块（7）包括NPN三极管Q71、电阻R71和电容C71，NPN三极管Q71的基极接MCU控制模块（4）的PWM通信端口，NPN三极管Q71的发射极接电阻R71的一端，电阻R71的另一端接地，NPN三极管Q71的集电极与电容C71的一端连接，电容C71的另一端接地，NPN三极管Q71的集电极作为PWM通信模块（7）的输出端，能输出反映热失控的信号。
8.根据权利要求6所述的动力电池主动热安全监控装置，其特征在于：所述通信模块为LIN通信模块，LIN通信模块的电源端接电源模块（1）的输出端，LIN通信模块的接地端接地，LIN通信模块的通信端与MCU控制模块（4）的LIN通信端口连接，MCU控制模块（4）能通过LIN通信模块发送反映热失控的信号。
9.一种动力电池主动热安全监控方法，采用如权利要求1至8任一项所述的监控装置，其特征在于：该方法包括正常工作模式、低功耗模式和深度睡眠模式；
进入正常工作模式时，MCU控制模块（4）通过响应输出模块（5）输出反映MCU控制模块处于正常工作模式的信号S32，然后MCU控制模块（4）以T1为采集周期获取传感器模块（3）检测到的反映热失控的信号，并通过通信模块将该反映热失控的信号发送出去；
在正常工作模式下，若动力电池处于静置状态，且第一预设时间阈值内获取的反映热失控的信号表示动力电池不存在热失控风险，则进入低功耗模式；
在低功耗模式下，MCU控制模块（4）以T2为采集周期获取传感器模块（3）检测到的反映热失控的信号：若获取的反映热失控的信号表示动力电池存在热失控风险，则MCU控制模块（4）通过响应输出模块（5）输出热安全执行模块唤醒信号S31，然后判断是否接收到反映整车运行模式的使能信号S2，如果是，则MCU控制模块（4）被唤醒，进入正常工作模式；若第二预设时间阈值内获取的反映热失控的信号表示动力电池不存在热失控风险，则进入深度睡眠模式；
在深度睡眠模式下，MCU控制模块（4）停止获取反映热失控的信号，MCU控制模块（4）判断是否接收到反映整车运行模式的使能信号S2，如果是，则MCU控制模块（4）被唤醒，进入正常工作模式。
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