CN111795951A - 一种新能源电池热失控检测用一体化传感器及预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种新能源电池热失控检测用一体化传感器,从上到下依次包括上外壳、光学组件、PCB组件、下外壳;其中上外壳为上端封闭下端开口的腔体结构,一侧面设置有一通风孔,内部安装有光学组件和PCB组件,腔体结构的底部与下外壳配合地可拆卸地安装为一整体结构;PCB组件内部集成多组传感器来收集信号数据;光学组件用于辅助测量及输出电池包内颗粒物浓度的信号数据。同时还提供了上述传感器的使用方法是根据新能源电池发生热失控的特征,利用光散射法测量电池包颗粒物、气压以及温度数据,通过测试项目的至少一项来判断热失控的发生,并发出信号给新能源电动电池管理系统,实现热失控发生早期预警以保证驾驶员和安全。
Description
技术领域
本发明属于新能源电池与环保产业领域,提供了一种新能源电池热失控检测用一体化传感器及预警方法。
背景技术
随汽车的购买量逐年增加,引发的关于能源的消耗、资源短缺及日益增长的环境污染问题已经受到国家和社会广泛关注,新能源汽车在这样的背景下产生,且得到了迅速的发展。新能源电池作为新能源汽车的核心部件之一,直接影响着新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动车、燃料电池汽车等的安全、节能。
新能源电池报废时常出现的时热失控现象,触发热失控的原因有很多,可以归结为内因和外因两种,内因是电池电芯自身的问题,常见的包括老化造成的各种性能的衰退,如内阻增大,长期轻度不当使用造成的锂金属沉积等等,随着时间的积累,这种内因造成的热失控风险会逐渐增加。外因,就是除了电芯自然使用产生的影响因素之外的其他因素。一些意外事故,比如交通事故、异物冲击等造成的电池包机械损伤,进而导致短路,起火;另外一类外因就是人为的滥用。比如浸水、热冲击、振动、冲击、火焰灼烧等恶劣外部环境因素,过充过放、过压欠压、外短路等电气上的不当使用,这些都可能成为引发热失控的原因,因此,如何判断出,已经产生了热失控问题,及时发出警报,是有效根断电池发生燃烧爆炸的重要手段。
发明内容
技术问题:为了解决现有技术的上述问题,本发明由产生电池热失控的表征参数,产生的颗粒物浓度、释放气体的气压、升高的温度出发,采用精确的测量装置,获得上述测量参数值,进行比对,判断发出是否需要进行警报提醒。
技术方案:本发明提供新能源电池热失控检测用一体化传感器,从上到下依次包括上外壳、光学组件、PCB组件、下外壳;其中所述上外壳为上端封闭下端开口的腔体结构,一侧面设置有一通风孔,内部安装有光学组件和PCB组件,腔体结构的底部与下外壳(配合地可拆卸地安装为一整体结构;所述PCB组件内部集成多组传感器,利用传感器收集信号数据;所述光学组件,用于辅助测量及输出电池包内颗粒物浓度的信号数据。
作为改进,所述光学组件包括光源、光电探测器、消光结构部件;所述光电探测器的一侧与通风孔连通,外界空气和颗粒物从通风孔进入,颗粒物通过光源散射后形成散射光,散射光穿过光电探测器,在光电探测器另一端输出电流信号数据;所述消光结构部件独立地设置在光电探测器的一侧,用于消音。
作为改进,还包括光阑、光学迷宫结构部件、光束整形结构部件,其中光阑一端固定安装在光束整形结构部件的前端,另一端固定安装在消光结构部件相对的一侧;所述光学迷宫结构部件设置有多组,固定安装在消光结构部件与光束整形结构部件之间的两侧。
作为改进,所述光学迷宫结构部件设置为两通道,一通道由中心线在一条直线上间隔排列、截面为直角、同方向排列的迷宫块组成的通道;另一通道为两组间隔排列、截面为直角、同方向排列的迷宫块,T型迷宫块组成,其中;两组迷宫块呈90°交叉分布,且中间设置为T型迷宫块。
作为改进,还包括温度传感器、气压传感器、微处理器;所述温度传感器、气压传感器集成固定在PCB组件上,用于温度和气压值数据信号;所述温度和气压值数据信号输送至微处理器内部,用于与设定值比对。
作为改进,还包括报警装置,采用声音报警、语音报警方式,用于输出与设定值比对后,异常情况的信号输出。
同时,还提供了一种上述传感器的方法,通过气压传感器测量气压数据值和气压上升速度数值,
通过将电池内气体进入光学组件,利用光电探测器测量气体中颗粒物发生散射的光,获得不同颗粒物浓度对应的数值信号;
通过温度传感器测量电池内温度,获得温度数据信号;
对气压数值信号、不同颗粒物浓度对应的数值信号、温度数值信号经过电路处理后,获得电信号,传送到微处理器中,进行信号数据和算法处理;
进行获得的温度数据信号与预判阈值做比较、不同颗粒物浓度对应的数值信号与预判阈值做比较、气压数值和/或气压上升速度数值与预判阈值做比较;
当发生以上至少一项高于预判阈值时,会判定为电池热失控,发出报警处理。
作为改进,设定电池包初始气压值和泄压阀的阈值,及中间值,当测定电池包内气压值和泄压阀超过中间值则触发警报;
当测定电池包内颗粒物浓度超过设定的正常环境值的2倍则触发警报。
有益效果:本发明提供的新能源电池热失控检测用一体化传感器,是根据新能源电池发生热失控的特征,具体为产生颗粒物、释放气体、温度升高,来利用光散射法测量电池包颗粒物、气压以及温度的传感器,通过测试项目的一项或者多项来判断热失控的发生,并发出信号给新能源电动电池管理系统,实现热失控发生早期预警以保证驾驶员和乘客的安全。另外,所有光学结构集中在同一个零件上,减少装配误差,提高尺寸精度。
附图说明
图1为本发明一体式传感器的拆解细节示意图。
图2为本发明光学组件的俯视角度下结构示意图。
图3为本发明方法的原理逻辑示意图。
图4为本发明光阑截面处的结构示意图。
附图中:1、上外壳;2、光学组件;3、PCB组件;4、下外壳;5、通风孔;6、光阑;7、消光结构部件;8、光学迷宫结构部件;9、光束整形结构部件;10、透镜组;11、光源。
具体实施方式
下面对本发明作出进一步说明。
其中本发明中选用的型号具体为气压传感器:压阻式绝对气压芯片SM5420;温度传感器:负温度系数的热敏电阻NCP18XW472E0SRB;微处理器:STM8AF5286,但不限其他能够实现本发明的型号,只要能够实现本发明的其他现有型号均可属于本发明的保护范围。
一种新能源电池热失控检测用一体化传感器,从上到下依次包括上外壳1、光学组件2、PCB组件3、下外壳4;其中所述上外壳1为上端封闭下端开口的腔体结构,一侧面设置有一通风孔5,内部安装有光学组件2和PCB组件3,腔体结构的底部与下外壳4配合地可拆卸地安装为一整体结构;所述PCB组件3内部集成多组传感器,利用传感器收集信号数据;所述光学组件2,用于辅助测量及输出电池包内颗粒物浓度的信号数据。
上外壳1能够保护内部结构,还可以通过通风孔5,保证内外空气流动;下外壳2,与上外壳1一体化整体可拆卸地安装,能够将内部结构保护完整,主要用于产品安装和固定。
所述光学组件2包括光源、光电探测器、消光结构部件7;所述光电探测器的一侧与通风孔5连通,外界空气和颗粒物从通风孔5进入,颗粒物通过光源散射后形成散射光,散射光穿过光电探测器,在光电探测器另一端输出电流信号数据;所述消光结构部件7独立地设置在光电探测器的一侧,用于消音。
优选地,让气体通过光探测器,光源可以是半导体激光器或者发光二极管,光束也可以通过透镜整型,并经过光电探测器的光敏面上方,气体中的颗粒物通过光束的部分被照到后,气体中的粒子散射光被光探测器接收到。在光束方向适当的距离使用特定尺寸的光阑板,在光电探测器周围使用消光结构,以消除光束和检测区发射的杂散光,从而提高检测信号的信噪比。
在光束经过光电探测器之后,设定特定的光陷阱结构,消除光束的反射光,有效消除反射光对光探测器的干扰,提高粒子散射光的检测分辨率。
还包括光阑6、光学迷宫结构部件8、光束整形结构部件9,其中光阑一端固定安装在光束整形结构部件9的前端,另一端固定安装在消光结构部件7相对的一侧;所述光学迷宫结构部件8设置有多组,固定安装在消光结构部件7与光束整形结构部件9之间的两侧。进一步地,将光阑6的前端依次安装有透镜组10、光源11。
光学迷宫结构部件8设置为两通道,一通道由中心线在一条直线上间隔排列、截面为直角、同方向排列的迷宫块组成的通道;另一通道为两组间隔排列、截面为直角、同方向排列的迷宫块,T型迷宫块组成,其中;两组迷宫块呈90°交叉分布,且中间设置为T型迷宫块。光学迷宫结构部件8的作用在于外界光在迷宫结构中经过多次反射或者被遮挡从而不干扰内部光学检测,同时迷宫结构不影响空气流动,保证检测区域空气与外部空气连通。
散射光检测区和外部的隔离使用光学迷宫结构,保证外界光源不会干扰产品内部,同时能够保证检测区内外的空气流通。
还包括温度传感器、气压传感器、微处理器;所述温度传感器、气压传感器集成固定在PCB组件3上,用于温度和气压值数据信号;所述温度和气压值数据信号输送至微处理器内部,用于与设定值比对。气压传感器的检测孔布置在光散射区域内,实现与外界最佳的连通效果。还包括报警装置,采用声音报警、语音报警方式,用于输出与设定值比对后,异常情况的信号输出。
温度传感器除了在热失控导致温度上升引发报警之外,也可以通过算法判断产品工作环境的温度,在产品超过正常工作温度范围之前,传感器可以发出警告信号,以避免传感器因工作温度异常失去报警功能。
采用上述传感器进行判断热失控的方法,具体为:通过气压传感器测量气压数据值和气压上升速度数值;
通过将电池内气体进入光学组件,利用光电探测器测量气体中颗粒物发生散射的光,获得不同颗粒物浓度对应的数值信号;
通过温度传感器测量电池内温度,获得温度数据信号;
对气压数值信号、不同颗粒物浓度对应的数值信号、温度数值信号经过电路处理后,获得电信号,传送到微处理器中,进行信号数据和算法处理;
进行获得的温度数据信号与预判阈值做比较、不同颗粒物浓度对应的数值信号与预判阈值做比较、气压数值和/或气压上升速度数值与预判阈值做比较;
当发生以上至少一项高于预判阈值时,会判定为电池热失控,发出报警处理。
设定电池包初始气压值和泄压阀的阈值,及中间值,当测定电池包内气压值和泄压阀超过中间值则触发警报;
当测定电池包内颗粒物浓度超过设定的正常环境值的2倍则触发警报。
正常状态下气压相对稳定,如果发生数据上升,可以根据上升速度判断是否发生热失控。颗粒物和温度会随着电池包环境有变化,所以颗粒物和温度分别设置阈值,如果数据超过了阈值,传感器将会在高速模式工作,通过判断颗粒物或者温度的变化速度判断是否发生热失控。
本发明的工作原理:空气从传感器侧面的通风孔流入,光学迷宫的设计保证了气流的通常,同时兼具消除杂散光和独挡外界干扰光的作用,颗粒物在光电探测器上方被光源照射,产生散射光,散射光经过光电探测器转化为电流信号,经过电路处理用来识别颗粒物浓度。
气压信号和温度信号经过气压传感器和温度传感器转化为电信号,经过电路识别处理,最终微处理器根据信号数据和算法处理判断热失控发生。其中电路识别处理,采用常规的现有技术,以能实现本发明的微处理器正常处理为前提,均属于本发明的保护范围。
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 (8)
1.一种新能源电池热失控检测用一体化传感器,其特征在于:从上到下依次包括上外壳(1)、光学组件(2)、PCB组件(3)、下外壳(4);其中所述上外壳(1)为上端封闭下端开口的腔体结构,一侧面设置有一通风孔(5),内部安装有光学组件(2)和PCB组件(3),腔体结构的底部与下外壳(4)配合地可拆卸地安装为一整体结构;所述PCB组件(3)内部集成多组传感器,利用传感器收集信号数据;所述光学组件(2),用于辅助测量及输出电池包内颗粒物浓度的信号数据。
2.根据权利要求1所述新能源电池热失控检测用一体化传感器,其特征在于:所述光学组件(2)包括光源、光电探测器、消光结构部件(7);所述光电探测器的一侧与通风孔(5)连通,外界空气和颗粒物从通风孔(5)进入,颗粒物通过光源散射后形成散射光,散射光穿过光电探测器,在光电探测器另一端输出电流信号数据;所述消光结构部件(7)独立地设置在光电探测器的一侧,用于消音。
3.根据权利要求2所述新能源电池热失控检测用一体化传感器,其特征在于:还包括光阑(6)、光学迷宫结构部件(8)、光束整形结构部件(9),其中光阑一端固定安装在光束整形结构部件(9)的前端,另一端固定安装在消光结构部件(7)相对的一侧;所述光学迷宫结构部件(8)设置有多组,固定安装在消光结构部件(7)与光束整形结构部件(9)之间的两侧;所述光学迷宫结构部件(8)分布在光束整形结构部件(9)的两侧。
4.根据权利要求3所述新能源电池热失控检测用一体化传感器,其特征在于:所述光学迷宫结构部件(8)设置为两通道,一通道由中心线在一条直线上间隔排列、截面为直角、同方向排列的迷宫块组成的通道;另一通道为两组间隔排列、截面为直角、同方向排列的迷宫块,T型迷宫块组成,其中;两组迷宫块呈90°交叉分布,且中间设置为T型迷宫块。
5.根据权利要求1所述新能源电池热失控检测用一体化传感器,其特征在于:还包括温度传感器、气压传感器、微处理器;所述温度传感器、气压传感器集成固定在PCB组件(3)上,用于温度和气压值数据信号;所述温度和气压值数据信号输送至微处理器内部,用于与设定值比对。
6.根据权利要求1所述新能源电池热失控检测用一体化传感器,其特征在于:还包括报警装置,用于输出与设定值比对后,异常情况的信号输出,该装置采用声音报警、不同颜色可见光显示报警方式。
7.一种根据权利要求1-6任一所述新能源电池热失控检测用一体化传感器的预警方法,其特征在于:
通过气压传感器测量气压数据值和气压上升速度数值,
通过将电池内气体进入光学组件(2),利用光电探测器测量气体中颗粒物发生散射的光,获得不同颗粒物浓度对应的数值信号;
通过温度传感器测量电池内温度,获得温度数据信号;
对气压数值信号、不同颗粒物浓度对应的数值信号、温度数值信号经过电路处理后,获得电信号,传送到微处理器中,进行信号数据和算法处理;
进行获得的温度数据信号与预判阈值做比较、不同颗粒物浓度对应的数值信号与预判阈值做比较、气压数值和/或气压上升速度数值与预判阈值做比较;
当发生以上至少一项高于预判阈值时,会判定为电池热失控,发出报警处理。
8.权利要求7所述新能源电池热失控检测用一体化传感器的预警方法,其特征在于:
设定电池包初始气压值和泄压阀的阈值,及中间值,当测定电池包内气压值和泄压阀超过中间值则触发警报;
当测定电池包内颗粒物浓度超过设定的正常环境值的2倍则触发警报。
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