CN111815924B

CN111815924B - 机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统和方法

Info

Publication number: CN111815924B
Application number: CN202010846352.4A
Authority: CN
Inventors: 贺元骅; 陈现涛; 王海斌; 贾井运; 孙强; 孟亚伟
Original assignee: Civil Aviation Flight University of China
Current assignee: Civil Aviation Flight University of China
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: CN111815924A

Abstract

本发明公开了一种机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统和方法，包括：动力锂电池、监测系统、报警系统、人机交互系统；监测系统用于检测动力锂电池的状态，并将监测的数据传输至数据采集系统、人机交互系统进行数据显示，若存险情通过报警系统通知车内人员。动力锂电池中设有电压传感器、温度传感器、应变压力传感器、可燃性气体探测器和烟感探测器；监测系统的动力锂电池，并传输数据至数据采集系统，若达到预设的条件，则报警系统进行报警，本发明的优点是：实时提供准确的单体锂电池和电池包内部的运行状态，保障车载动力锂电池的持续稳定安全运行。

Description

机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统和方法

技术领域

本发明涉及火灾预警技术领域，特别涉及一种机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统和方法。

背景技术

机场全电驱动消防动力锂电池系统容量615Ah，总电量为377.856Kwh。总共包括12个电池包，每个电池包含48块单体。机场消防车辆特殊使用环境及不同区域机场的不同温度、压力环境，车载动力锂电池系统模块同时需要经受宽温度、宽压力的使用环境。因此，宽温度场宽压力场条件下车载动力锂电池系统热灾害预警模块的研发尤为重要。消防车高速启停瞬间大电流过放电，或由于机械碰撞导致内部结构损坏，喷水灭火时电池包内进水，以及处于长时间高温火场导致电池受热升温等原因均会引起电池热失控。当电池组内部单个电池的电芯温度异常升高时，电池内部电解质膜就会分解；正极与电解质迅速反应放热，促使隔膜融化；随后负极材料、电解质分解等在高温作用下加快反应速率。当陶瓷涂层崩溃后，电池内部即出现内部短路，热量快速积聚，触发热失控。之后开始向周围电池进行热传播，可能引起连锁的锂电池组热失控。

此外，由于热失控损坏的单个电池会由内部释放出大量气体，导致电池内部压力迅速增加，从而导致电池膨胀，使得电池表面张力快速增大，包括向电池组中的相邻电池传递压力，并可能导致电池封装破裂。一旦破裂，电池内的可燃有毒的气体和电解质液体就开始排出，并喷出炽热和发光的粒子组成的混沌混合物。这些粒子通常是从电池的阳极和阴极的活性物质中剥离出来的。喷射出的气体主要为H₂和CO、碳氢类气体C_xH_y(包括CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈)的比例很高，有可燃性和爆炸危险。随着第一个电池进入热失控，在没有任何控制热传播措施的电池之间的热耦合情况下，单个热失控的锂电池会产生热传播对相邻的其他电池和电池部件加热，从而使得整个电池组的热失控，向电池系统添加更多的热量并产生额外的排气。这种传播过程可以加快，并且几后分钟，电池外壳可能会因为热能的数量而失去完整性。从而发生不可控的燃烧爆炸危害。

现有的大型电动车辆锂电池热灾害预警系统的采集与监控参数较少，多是以监测和采集电池的电压、电流和温度3种数据参数为主。根据查询相关专利资料及调研相关产品工厂，乘用车动力锂电池监测预警系统主要以采集电压、电流和温度为主，电动客车主要以采集温度和烟雾浓度为主；且目前所有的电动车辆锂电池预警系统无法定位单体故障电池。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统和方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统，包括机场全电驱动消防车内的动力锂电池、监测系统、报警系统、人机交互系统；

监测系统用于检测动力锂电池的电压、温度、应变压力、可燃性气体和烟雾，并将监测的数据通过以太网传输至数据采集系统、数据采集系统将数据分析处理后通过人机交互系统进行数据显示，若存险情通过报警系统通知车内人员。

动力锂电池由多个电池包组成、电池包由多个单体电池组成。

监测系统包括：电压传感器、温度传感器、应变压力传感器、可燃性气体探测器和烟感探测器；

电压传感器安装在单体电池的正负极两端，温度传感器安装在单体电池的电池电芯内，应变压力传感器安装在单体电池的电池壳体表面，可燃性气体探测器安装在电池包内顶部和烟感探测器装在电池包内壁；

报警系统安装在消防车内，包括：报警灯、蜂鸣器、冷却液泵、电池状态屏显系统；其中冷却液泵用于对动力锂电池进行水冷。

进一步地，为了更好地探测电池包内电池状态，节省空间及减轻重量，将温度传感器、可燃性气体探测器和烟感探测器集成在一个尺寸为70*40*10mm的集成传感器中；集成传感器包括4个温度传感器分布在四个角，可燃性气体探测器和烟感探测器设计在集成传感器中间部位。并在集成传感器表面设计电源、温度、可燃气体、感烟四个指示灯，集成传感器设置于电池包内的两端和中部。

本发明还公开了一种机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警方法，

监测系统监测动力锂电池，并传输数据至数据采集系统，若达到以下条件：电压约等于0V，温度大于等于50℃，应变压力大于0N，监测到可燃气体，烟雾的PRT比值大于12％，则报警系统进行报警，

根据每个电池包复合探测器(烟雾、气体、温度)和单体探测器电压、温度及应变应力传感器信息进行数据分析与整合，通过设计锂电池系统故障模糊诊断方法，建立电压极差隶属度函数、温度极差隶属度函数、应变应力隶属度函数，建立模糊评判矩阵和模糊诊断模型，对机场全电驱动消防车动力锂电池576块单体进行精确故障定位，为实现精确抑灭锂电池火灾及排除故障提供基础。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过电压、温度、应变压力、可燃气体成分、烟雾等多个传感器的精确测试，实时提供准确的单体锂电池和电池包内部的运行状态，保障车载动力锂电池的持续稳定安全运行。利用以太数据，将机场消防车动力锂电池实时状态通过地面网络无线传输至主控室，以便于指挥整体调度。

附图说明

图1是本发明实施例热灾害预警系统结构图；

图2是本发明实施例热灾害预警系统工作流程图；

图3是本发明实施例传感器差模法测电压原理图；

图4是本发明实施例集成探测器的结构图；

图5是本发明实施例系统硬件架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

本发明关于机场全电驱动消防动力锂电池系统的技术方案主要包括综合传感技术、集成探测技术、高速以太数据处理技术和故障定位技术，分别是电池状态监测系统、电池状态综合集成监测系统和人机交互系统。

本发明工作原理及工作流程如图1和图2所示。

综合传感器技术

本发明选用了多种新型传感器实时监测动力锂电池系统内每个单体锂电池模块的电压、温度和电池内部应变压力的动态变化。另外，采用光学烟雾颗粒探测模块监测动力电池包内是否存在由锂电池热失控产生的烟颗粒；可燃性气体探测器的作用是测量电池包内可燃性气体(如CO、H₂、C_xH_y烯烃类气体)的浓度变化。由此来判断锂电池是否发生热失控，从而实现对锂离子电池失效的早期探测功能。表1汇总了技术方案中的选用的传感器和探测器。

表1传感器和探测器组件信息汇总

S1电压传感器

电压参数是锂电池工作运行时重要的性能参数之一，当锂电池在受到滥用时，电压将会变得不稳定；而在锂电池发生热失效后，由于锂电池内部的隔膜破损融化，电池内部正负极将导通，此时电压为0V。电压传感器是本发明技术方案采用的用于监测单体动力锂电池工况状态的重要传感器组件，因为大多数常规的电池监测管理系统设计都把它考虑在内。

该传感器的工作原理是利用差模法检测同一串的单体电池电压，检测精度比较高，差模法检测示意图如图3所示。主要通过对继电器的控制来选择检测的单体电池，然后对选中的单体电池直接检测，具体思路如图所示，如要检测B2电池，可以闭合K1和K2继电器，实现对B2电池电压的直接测量。

S2温度传感器

本实施例选用的温度传感器的工作原理是利用温度的变化会引起光学光栅纤维折射率的变化，从而使中心的光纤折射光的波长发生改变，通过测量折射光波长改变，判断电池内部的温度变化。该传感器采用的是布拉格光栅纤维(FBG)，该光学光栅纤维材料主要由两部分组成：光学纤维FO和光栅纤维FBG。

光学光栅纤维可以通过结构的调整使得其对应力更为敏感，或者对温度更为敏感，从而提高测量的准确性。光学光栅纤维主要受光栅材料的线性弹性变形的范围限制，一般来说FBG的最大线性弹性变形为2.5％～4％，在实验中负极的最大的变形量为1.4％左右，处在FBG的测试范围之内，因此FBG可以用来测量在100％SOC状态下负极最大形变量。该纤维的使用温度范围：-200℃～800℃，完全能够覆盖锂离子电池的操作范围，该纤维甚至能够用于检测在锂离子电池在热失控中的温度变化。

如果FBG纤维暴露在一个宽波段的光源中，则在反射光中会出现一个尖锐的峰，这个峰所对应的波长被称为布拉格波长，布拉格波长可以通过下式计算得到。如果FBG纤维的外部环境，例如压力、温度等发生改变就会引起布拉格波长的改变，从而实现对这些变量的测量。

S3压力和应变传感器

本实施例选用的压力与应变传感器是基于Fabry-Perot干涉光纤(FP)设计的一种新型压力传感器。压力测量范围：20kPa≤psens≤304kPa。用于测量单个电池产生气体所引起的电池内部压力的升高。这种传感器只能用于封闭电池外壳的测试，否则压力不会上升。采用FP纤维制成的传感器能够通过反射光与透射光之间的相位差实现对应变的检测，从下式能够看到如果我们在FP纤维长度方向上施加一定的压力，会引起纤维长度L的变化，从而引起相位差的变化，进而实现对压力应变的测量。

S4可燃性气体探测器

可燃性气体探测器S4是由纳米级的二氧化锡(SnO2)半导体材料制成的气体传感器，如图5所示。SnO₂纳米传感器由于小尺寸效应及表面效应，具有特殊的气敏性能。该气体传感器对甲烷(CH₄)、丙烷(C₃H₈)、氢气(H₂)或一氧化碳(CO)等气体敏感，上述可燃性气体是在热失控中从锂离子电池中释放喷射出来的气体组成的一部分,当传感器检测到以上可燃性气体时其在空气中的导电性将有明显降低，通过其导电性降低的程度来反映从电池中释放出来气体的浓度高低。

例如对于一氧化碳气体的检测，利用纳米SnO₂气体传感器检测一氧化碳气体时，主要是一氧化碳与氧物种(O^-和O^2-)之间的反应，而且这种反应通常发生在纳米SnO₂表面，具体的反应机理如下所示：

CO+O^-＝CO₂+e^-

或CO+O^2-＝CO₂+2e^-

S5感烟探测器

S5感烟探测器采用的是ADPD188BI光电探测器，是一种采用光学双波长技术的完备的光电式烟雾检测装置，采用超小模块体积的完整光学解决方案，全集成发光二极管、光电二极管、AFE、ADC、发光二极管驱动器和时序内核。该模块集成高效率的光电式测量前端、蓝光和红外(IR)发光二极管(LEDs)以及光电二极管(PD)，这些器件采用定制化封装，来防止光线未通过烟雾检测室而从LED直接射入光电二极管。

它基于常规光电感烟探测器的原理，由红外(IR)LED和对红外辐射敏感的元件组成。以前的测试显示，黑烟浓度很高，排放的气体会喷出污垢。在晴朗的空气中，红外辐射不会影响传感器精度。因为随着空气中烟雾粒子的增加，从发光二极管产生红外光的反射，传感器将增加其检测信号。

集成探测技术

如图4所示，为了更好地探测电池包内电池状态，节省空间及减轻重量，将温度、可燃气体及感烟探测集成，最终集成传感器尺寸为70*40*10mm。为准确探测温度场分布，集成传感器设计了4个温度传感器分布在四个角，温度芯片采用DS18B20U。可燃气体传感采用FIGARO-TGS，设计在集成传感器中间部位。烟雾传感器采用Optek，也位于集成传感器中间部位。外观设计为红色，并设计电源、I(温度)、Ⅱ(可燃气体)、火焰(感烟)四个指示灯。

高速以太数据处理技术

本发明的动力锂电池管理系统的通信协议TCP/IP以太网，通信网络系统结构包括网络接口、网络层、传输层和应用层四个层次。硬件部分以ADSP-TS201SYBPZ050为核心芯片的DSP数据采集系统，通信以太网通过BCM5482SA1IFBG芯片实现数据控制。系统硬件架构如图5所示。ADSP-TS201SYBPZ050有32路ADC输入通道接口(输入范围0V～5.0V)，采集信号经由ADC模块转换成数字信号，送入数字信号处理器中处理，在以太网控制器中对数据进行封装(各层协议对其添加相应报头)，最终形成以太网帧的格式在以太网驱动程序的作用下，在物理媒介中传输，同时，作为上位机的PC机通过底层驱动程序接受数据，完成数据的发送和接收的过程。

消防车通过以太数据通信实现与主控机的无线网络连接，可将车载动力电池系统状态实时传输至联动主机，主控机可位于机场控制室内，值班人员通过监控主机即可完成对机场各消防车实时状态进行监控，为运输流量较大机场联合调度消防车提供了技术支持。

精确故障定位功能

实施方式和验证测试

为了验证本发明技术方案可行性，以及预警系统的灵敏性、监测准确性和可靠性，进行了十次热失控试验。选择6X6驱动，电池容量≥200kwh(磷酸铁锂)的新型全电驱动机场消防车载动力锂离子电池来进行试验，通过加热和针刺2种触发方式使之热失效，利用本发明的机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统进行预警及故障定位，最后对数据进行分析得出实验结论。图1和2显示了传感器不同的测试设置及其单元结构，传感器放置在最上面：S1、S2和S3。外部测量电池的电压传感器S1，电池包外壳只有部分显示，以更好地能见度的内部部分。S2温度传感器、S3应变压力传感器都布置与电池表面或电池电芯位置。S2温度传感器、S4可燃性气体探测器、S5感烟探测器集成于1个传感器，每个电池模组配置3个集成式传感器，分别布置于电池上方和电池两侧。

若以热触发的方式使锂电池热失控，锂电池放置在作为热失控触发器的圆形加热器板上。以半开方式显示的填充块放置在单元的顶部以减少空隙体积。另外可以通过针刺刺穿锂电池使其热失控。电池布置在模块中，并通过模块框架连接在一起。当1号单体电池被针刺穿透或受高温加热，发生热失控。S2温度传感器首先监测到温度急剧升高，由于之后电池内部短路，随后电压传感器S1测得电压快速下降。S3压力传感器也检测到电池表面压力由于内部气压升高膨胀而产生的压力。

由于单体电池之间的热传播，几分钟后电池包中的其他电池也会由于受热高温而开始发生热失控。此时，电池包中的复合传感器可燃性气体探测器将会检测到大量的CO、H₂和C_xH_y充斥在电池包内，发出报警。随着电池热失控的进行从电池内喷射出大量的烟雾颗粒，基于光电波长原理的烟感探测器S5也监测到烟颗粒浓度大幅上升。

以上由探测器或传感器测得的由不同位置动力电池包传递过来的信号通过电池状态综合集成监测系统中单片机的数据处理，将获取的电池状态参数数据和故障位置信息显示在人机交互系统的显示器屏幕上，让驾驶人员及时准确的获取动力电池系统的热安全状况，并对已发生热灾害的电池包进行及时的紧急险情处理。

表2实验结果

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警系统，其特征在于：包括机场全电驱动消防车内的动力锂电池、监测系统、报警系统和人机交互系统；

监测系统用于检测动力锂电池的电压、温度、应变压力、可燃性气体和烟雾，并将监测的数据通过以太网传输至数据采集系统、数据采集系统将数据分析处理后通过人机交互系统进行数据显示，若存险情通过报警系统通知车内人员；

动力锂电池由多个电池包组成、电池包由多个单体电池组成；

报警系统安装在消防车内，包括：报警灯、蜂鸣器、冷却液泵、电池状态屏显系统；其中冷却液泵用于对动力锂电池进行水冷；

为了更好地探测电池包内电池状态，节省空间及减轻重量，将温度传感器、可燃性气体探测器和烟感探测器集成在一个尺寸为70*40*10mm的集成传感器中；集成传感器包括4个温度传感器分布在四个角，可燃性气体探测器和烟感探测器设计在集成传感器中间部位；

并在集成传感器表面设计电源、温度、可燃气体、感烟四个指示灯，集成传感器设置于电池包内的两端和中部；

监测系统的动力锂电池，并传输数据至数据采集系统，若达到以下条件：电压约等于0V，温度大于等于50℃，应变压力大于0N，监测到可燃气体，烟雾的PRT比值大于12%，则报警系统进行报警;

根据监测系统的信息进行数据分析与整合，通过设计锂电池系统故障模糊诊断方法，建立电压极差隶属度函数、温度极差隶属度函数、应变应力隶属度函数，建立模糊评判矩阵和模糊诊断模型，对机场全电驱动消防车动力锂电池576块单体进行精确故障定位；

一种机场全电驱动消防车动力锂电池热灾害预警方法，

监测系统监测动力锂电池，并传输数据至数据采集系统，若达到以下条件：电压约等于0V，温度大于等于50℃，应变压力大于0N，监测到可燃气体，烟雾的PRT比值大于12%，则报警系统进行报警，

根据每个电池包复合探测器，烟雾、气体、温度，和单体探测器电压、温度及应变应力传感器信息进行数据分析与整合，通过设计锂电池系统故障模糊诊断方法，建立电压极差隶属度函数、温度极差隶属度函数、应变应力隶属度函数，建立模糊评判矩阵和模糊诊断模型，对机场全电驱动消防车动力锂电池576块单体进行精确故障定位，为实现精确抑灭锂电池火灾及排除故障提供基础。