CN114080711A - 采用力感测电阻器（fsr）压力传感器的汽车牵引电池的热失控检测 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况的检测装置(32)，所述可再充电汽车牵引电池包括用于容纳至少多个可再充电电化学能量电池芯并设有安全泄压阀(22)的封闭式牵引电池外壳(10)。所述检测装置(32)包括力感测电阻器(34)。所述力感测电阻器(34)包括：柔性基板(38)，由间隔体构件(40)隔开并限定力敏感区域(36)；以及连接排气出口(44)和所述两个基板(38)之间的空间的通风管(42)。所述力感测电阻器(34)的至少所述力敏感区域(36)能够放置在所述牵引电池外壳(10)内部，并且所述排气出口(44)能够流体连接到所述牵引电池外壳(10)的内部空间(18)的检测区(24)，所述检测区(24)位于所述安全泄压阀(22)附近。

Description

采用力感测电阻器(FSR)压力传感器的汽车牵引电池的热失 控检测
技术领域
本发明涉及一种用于检测可再充电汽车牵引电池(battery)中的热失控状况的检测装置和包括这种检测装置的封闭式汽车牵引电池外壳。
背景技术
在机动车辆技术领域中，已知机动车辆包括驱动器，该驱动器包括具有电动机的电传动系，该电动机可以通过由电能源产生的电流来操作。电能源可以设计为电化学能量存储装置，例如设计为至少一个可再充电电池，通常有些不准确地称为牵引电池。
这种汽车车辆可以设计为专门采用电动机进行推进的电池电动车辆(BEV)、包括内燃机和电推进系统的混合动力电动车辆(HEV)、或包括内燃机和可通过将插头连接到电网进行再充电的牵引电池的插电式混合动力车辆(PHEV)。这些汽车车辆的共同特征是具有允许车辆的可接受范围的(安培小时)容量的可再充电牵引电池。
由于可再充电电池中可以存储的能量的量，存在增加的安全要求以防止存储的能量的量突然释放。因此，在任何烟雾或火到达车厢内部之前，能够检测到电池组内部是否开始热失控是至关重要的。
已知热失控是可再充电牵引电池的最严重的故障模式之一。例如，细节在Koch、Sascha等人的“Fast Thermal Runaway Detection for Lithium-Ion Cells in LargeScale Traction Batteries.”(Batteries 2018,4(2),16；DOI:10.3390/batteries4020016)中进行了描述。大尺度锂离子电池内的单电池芯(cell)热失控是众所周知的风险，如果在当今用于电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和混合动力电动车辆(HEV)的锂离子牵引电池中不采取应对措施，该风险可能会导致危急情况。联合国已发布了关于电动车辆安全(GTR EVS)的全球技术法规草案，该草案描述了在热失控情况下警告乘客的安全特征。因此，快速且可靠地检测锂离子电池内发生热失控的故障电池芯是实现全面乘客安全的电池设计的关键因素。
基于所确定的电池芯热失控影响选择了一组各种可能的传感器。这些传感器已经在不同尺寸的电池装置中进行了测试，并就他们的快速且可靠的热失控检测能力以及它们用于牵引电池的可行性进行了比较。选择的传感器是：电压传感器、气体传感器、烟雾探测器、蠕变距离传感器(其对布置在其表面上的焊盘的污染敏感)、温度传感器、压力传感器(放置在电池的电池芯上，并测量2kPa≤psens≤304kPa的范围内的绝对压力以确定由于单电池芯产生气体引起的电池内部压力的升高)；以及具有0N≤Fsens≤445N的范围的单点薄膜压阻力传感器，其用于测量因电池芯膨胀引起的热失控电池芯与相邻部件/电池芯之间的力。
发明内容
本发明的目的
因此，本发明的目的是提供一种低复杂度的检测装置，其能够优选地在尽可能早的阶段，例如在车辆内部有明显的火或烟雾爆发之前，可靠地检测汽车车辆的可再充电牵引电池中的热失控状况。
本发明的总体描述
在本发明的一个方面，该目的通过一种用于检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况的检测装置来实现。该汽车牵引电池包括用于容纳至少多个可再充电电化学能量电池芯的封闭式牵引电池外壳。该检测装置包括力感测电阻器，该力感测电阻器包括：被间隔体构件隔开并限定力敏感区域的至少两个柔性基板；以及连接力感测电阻器的排气出口和两个基板之间的空间的排气管。力感测电阻器的至少力敏感区域能够放置在牵引电池外壳的内部。排气出口能够流体连接到牵引电池外壳的内部空间的检测区，检测区位于安全泄压阀附近。
本专利申请中使用的术语“汽车”应特别理解为适用于包括客车、卡车、半挂卡车和公共汽车的车辆。本专利申请中使用的术语“封闭式牵引电池外壳”应特别理解为如下外壳：其向外壳的外部空间的流体泄漏足够低，以对于在热失控状况下预期的气体产生率，允许外壳的内部空间中的压力增大。
在典型的FSR中，如本申请中所预期的，糊状感测膜可以夹在被聚合物膜覆盖的两个导电电极之间。当对感测膜施加预定力时，电极之间的电阻会急剧下降。可以由可操作地耦合到FSR传感器的控制电路或电阻检测电路来检测和/或测量电阻的这种变化或下降。
在电化学能量电池芯正常操作期间，安全泄压阀处于关闭状态，并且牵引电池外壳的内部空间中存在平衡压力，该压力也施加于FSR的力敏感区域，以及FSR的两个柔性基板之间的通风管。
即使在至少一个电化学能量电池芯的热失控状况下，牵引电池外壳内部的压力增大到低于安全泄压阀的预定压力极限的值时，平衡压力的情况仍然持续。当牵引电池外壳的内部空间中的压力超过预定压力极限时，安全泄压阀转为开启状态，并且产生通过检测区且在安全泄压阀处离开牵引电池外壳的气流。
本发明的见解是，当产生的气流通过检测区时，静态压力根据伯努利原理(文丘里效应(Venturi effect))减小，并且通过将排气出口和通风管流体连接到在检测区，静态压力的减小传递到通风管。结果，施加到FSR的力敏感区域的外表面的压力占主导地位，并且对力敏感区域引起机械力，该力敏感区域在预定的压力差下会导致FSR的电阻急剧下降。
从而可以提供一种用于在早期阶段检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况的低复杂度的检测装置。此外，可以使用相对简单的电子设备来评估来自FSR的信号，这可以将硬件工作量保持在较低水平。
在检测装置的优选实施例中，力感测电阻器的柔性基板之一被配置为能够布置成与牵引电池外壳的内壁的部分接触。本申请中使用的短语“被配置为”，应特别理解为被特定布局、设置或布置。以此方式，牵引电池外壳的内壁可用作支撑FSR的支座，并在出现热失控情况时，在牵引电池外壳内部对FSR产生增大压力的限定和定向的效果，该增大压力超过FSR通风管中的压力。此外，FSR可以以最节省空间的方式放置在牵引电池外壳内部。可操作地耦合到FSR传感器的控制电路或电阻检测电路可以优选地布置在电池外壳的外部并且通过适当的连接线耦合到FSR传感器。
在优选实施例中，检测装置还包括具有两个端部的流体连接构件。端部中的一个端部流体连接到排气出口，并且端部中的另一端部被配置为将排气出口流体连接到检测区。通过使用流体连接构件，FSR可以根据特定应用定位并在各种位置适当地实现其预期功能，并且从而能够实现大的设计自由度。
优选地，通风管由间隔体构件限定。通过使用具有双重功能的间隔体构件，FSR的设计可以保持简单。
在本发明的另一方面，提供了一种封闭式汽车牵引电池外壳，其限定内部空间，该内部空间被配置为容纳至少多个可再充电的电化学能量电池芯。牵引电池外壳设有安全泄压阀并包括于此公开的检测装置的实施例。力感测电阻器的至少力敏感区域放置于牵引电池外壳内部。FSR的排气出口流体连接到牵引电池外壳的内部空间的检测区，检测区位于安全泄压阀附近。
结合根据本发明的检测装置描述的益处完全适用于所提出的汽车牵引电池外壳。
在优选实施例中，汽车牵引电池外壳还包括具有两个端部的管座。端部中的一个端部流体连接到牵引电池外壳的内部空间，并且安全泄压阀布置在管座的另一端部。以此方式，在至少一个电化学能量电池芯的热失控状况的情况下，可以增强检测区中静态压力根据伯努利原理的减小。管座可具有椭圆形的、特别是圆形的截面区域，但也可具有由带或不带圆形边缘的多边形界定的截面区域。
优选地，安全泄压阀的开口和管座的至少一个横向尺寸彼此适配，使得安全泄压阀的开口的截面区域与管座的截面区域重叠以覆盖任一截面区域的主要部分。本申请中使用的术语“主要部分”应特别理解为等于或大于截面区域的50％，更优选大于60％，并且最优选大于70％，并应包含100％覆盖率的部分。以此方式，在至少一个电化学能量电池芯的热失控状况的情况下，检测区中的静态压力根据伯努利原理的减小可以被优化，而不影响安全泄压阀的安全功能。
在具有包括如前所述的流体连接构件的检测装置的汽车牵引电池外壳的优选实施例中，流体连接构件的另一个端部附接至管座的侧壁。以此方式，可实现流体连接构件的特别可靠且持久的定位，由此可确保可靠且良好限定的热失控状况检测。
优选地，流体连接构件的另一个端部包括开口，开口的法线在基本上位于与管座的中心线垂直布置的平面内的方向上对准。以此方式，可以至少在大的程度上避免在热失控状况下流经检测区的生成气体的动态压力对检测装置的功能的不利影响。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并被阐明。
应当指出，在前面的描述中单独详述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合并且示出本发明的进一步的实施例。说明书特别结合附图来特征化和详细说明本发明。
附图说明
本发明的进一步细节和优点将从参考附图的非限制性实施例的以下详细描述变得明显，其中：
图1示意性地示出了封闭式汽车牵引电池外壳，该外壳具有根据本发明的检测装置的实施例，该检测装置在截面侧视图中处于安装状态；以及
图2示出了根据图1的检测装置的力感测电阻器(FSR)的示意性详细正视图和截面侧视图。
在不同的图中，相同的部分总是分别提供有相同的参考符号或数字。因此，它们通常只被描述一次。
具体实施方式
图1示意性地示出了封闭式汽车牵引电池外壳10，该外壳具有根据本发明的检测装置的可能的实施例，该检测装置在截面侧视图中处于安装状态。
牵引电池外壳10限定内部空间18，该内部空间18被配置用于容纳未在图1中示出的多个可再充电电化学能量电池芯。电化学能量电池芯可以形成锂离子电池(蓄电池(accumulator))。牵引电池外壳10在如下意义上是封闭式的：在至少一个电化学能量电池芯的热失控状况下预期的气体产生速率下，牵引电池外壳10到外部空间20的流体泄漏足够低，以容许牵引电池外壳10的内部空间18中的压力增大。
牵引电池外壳10可以至少主要部分由金属片制成(例如注射铝的侧壁)、由纤维增强塑料(例如玻璃纤维增强塑料)制成、或者由那些材料的组合制成。牵引电池外壳10包括侧壁12、盖板14和底板16。
牵引电池外壳10设置有安全泄压阀22作为故障保护装置(fail-safe)。当牵引电池外壳10的内部空间18中的压力超过预定压力极限时，安全泄压阀22为牵引电池外壳10的内部空间18内部的气体提供流体连接以排出到牵引电池外壳10的外部空间20。安全泄压阀22可以设计为弹簧加载阀。在牵引电池外壳的其他实施例中，安全泄压阀22可以设计为防爆盘。一般而言，可以采用对本领域技术人员来说合适的任何其他类型的安全泄压阀。牵引电池外壳10包括检测区24，该检测区形成内部空间18的部分，并位于安全安全泄压阀22附近。
牵引电池外壳10还可以包括具有两个端部的管座(pipe socket)26和虚拟连接两个端部的中心线30。端部中的一个端部流体连接到牵引电池外壳10的内部空间18。安全泄压阀22布置在管座26的另一端。管座26的垂直于中心线30布置的截面区域具有圆形形状，圆形形状的面积大小沿中心线30变化。安全泄压阀22的开口与管座26的横向尺寸彼此适配，使得安全泄压阀22的开口的截面区域和靠近安全泄压阀22的管座26的截面区域重叠以覆盖两个截面区域的主要部分。
牵引电池外壳10设有用于检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况的检测装置32。检测装置32包括位于牵引电池外壳10内部的力感测电阻器(FSR)34。FSR 34可以包括两个柔性基板38，两个柔性基板38由间隔体构件40隔开并限定力敏感区域36(图2)。该组件可以封装导电墨层。FSR 34可以包括两组导电线，该两组导电线彼此电绝缘并且附接至两个柔性基板38中的至少一个。当足够大的力施加到FSR 34的外部或足够大的力是根据伯努利原理(文丘里效应)由负压引起的到力感测区域内部的时，导电墨层在两组导电线之间建立导电路径，导致电阻减小。
FSR 34还包括由间隔体构件40限定的通风管42。通风管42连接FSR34的排气出口44和两个柔性基板38之间的空间。
柔性基板38可以由选自塑料材料的组的塑料材料制成，该塑料材料的组包括但不限于以下材料：聚酯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)、以及这些塑料材料中至少两种的组合。
合适的FSR商业上可以以多种变化形式获得，覆盖大范围的应用。
再次参考图1，FSR34放置在牵引电池外壳10内部，使得FSR 34的柔性基板38之一布置成与牵引电池外壳10的内壁的部分接触。FSR 34可以通过使用粘合剂附接至内壁。
检测装置32还包括流体连接构件46。流体连接构件46包括具有两个端部的管道。流体连接构件46的端部中的一个端部流体连接到FSR 34的排气出口44。端部中的另一端部布置在检测区24中并因此将排气出口44流体连接到检测区24。面向FSR 34的端部附接至部分地限定检测区24的牵引电池外壳10的内壁的部分和管座26的侧壁28。背离FSR 34的端部附接至管座26的侧壁28。该端部包括具有虚拟法线的椭圆形状的开口48。法线在基本上位于与管座26的中心线30垂直布置的平面(即对应于截面平面的平面)内的方向上对准。
在电化学能量电池芯的正常操作期间，安全泄压阀22处于关闭状态，并且牵引电池外壳10的内部空间18中的压力(其也被施加到FSR 34的力敏感区域36)和FSR 34的两个柔性基板38之间的通风管42中和排气出口44处的压力是平衡的。
即使在至少一个电化学能量电池芯的热失控状态下，牵引电池外壳10内部的压力增大到低于安全泄压阀22的预定压力极限的值时，平衡压力的情况持续。当牵引电池外壳10的内部空间18中的压力超过预定压力极限时，安全泄压阀22被转换成开启状态并且产生通过检测区24且在安全泄压阀22处离开牵引电池外壳10的气流。因此，在检测区24中产生静态压力的减小并且该减小被传递到FSR 34的通风管42。牵引电池外壳10的内部空间18中和FSR 34的两个柔性基板38之间的通风管42中的压力不再平衡，内部空间18中的压力超过通风管42中的压力。当超过气流的预定阈值时，FSR 34的电阻的急剧下降可以容易地被可操作地耦合到FSR传感器的控制电路或电阻检测电路检测到。
应当理解，检测装置还可以包括可选的液体检测传感器，其被实施为检测电池组内部的任何液体泄漏。该液体检测传感器可以有利地放置在电池组内部并且优选地靠近FSR传感器，使得FSR传感器和液体检测传感器都可以通过相应的连接线连接到相应的控制电路或公共控制电路。
在此指出，本申请中的附图不能视为按比例绘制的图。特别是，纵向与横向尺寸的比率是出于说明的原因而选择的，不必与实际情况相对应。
虽然已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是这样的说明和描述被视为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现将要公开的实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数，复数意在表达至少两个的数量。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施这一事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
参考符号列表
10 牵引电池外壳
12 侧壁
14 盖板
16 底板
18 内部空间
20 外部空间
22 安全泄压阀
24 检测区
26 管座
28 侧壁
30 中心线
32 检测装置
34 力感测电阻器
36 力敏感区域
38 柔性基板
40 间隔体构件
42 通风管
44 排气出口
46 流体连接构件
48 开口
50 流体检测传感器

Claims (9)

1.一种用于检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况的检测装置(32)，所述可再充电汽车牵引电池包括用于容纳至少多个可再充电电化学能量电池芯并设有安全泄压阀(22)的封闭式牵引电池外壳(10)，所述检测装置(32)包括力感测电阻器(34)，所述力感测电阻器(34)包括：
-至少两个柔性基板(38)，由间隔体构件(40)隔开并限定力敏感区域(36)；以及
-连接所述力感测电阻器(34)的排气出口(44)和所述两个基板(38)之间的空间的通风管(42)，
其中，所述力感测电阻器(34)的至少所述力敏感区域(36)能够放置在所述牵引电池外壳(10)内部，并且所述排气出口(44)能够流体连接到所述牵引电池外壳(10)的内部空间(18)的检测区(24)，所述检测区(24)位于所述安全泄压阀(22)附近。
2.如权利要求1所述的检测装置(32)，其中，所述力感测电阻器(34)的所述柔性基板(38)之一被配置为能够布置成与所述牵引电池外壳(10)的内壁的部分接触。
3.如权利要求1或2所述的检测装置(32)，还包括具有两个端部的流体连接构件(46)，其中，所述端部中的一个端部流体连接到所述排气出口(44)，并且所述端部中的另一个端部被配置为将所述排气出口(44)流体连接到所述检测区(24)。
4.如前述权利要求中任一项所述的检测装置(32)，其中，所述通风管(42)由所述间隔体构件(40)限定。
5.一种封闭式汽车牵引电池外壳(10)，其限定内部空间(18)，所述内部空间(18)被配置为容纳至少多个可再充电电化学能量电池芯并且所述内部空间(18)设有安全泄压阀(22)，所述牵引电池外壳(10)包括如前述权利要求中任一项所述的检测装置(32)，其中，所述力感测电阻器(34)的至少所述力敏感区域(36)放置在所述牵引电池外壳(10)内部，并且所述排气出口(44)流体连接到所述牵引电池外壳(10)的内部空间(18)的检测区(24)，所述检测区(24)位于所述安全泄压阀(22)附近。
6.如权利要求5所述的封闭式牵引电池外壳(10)，还包括具有两个端部的管座(26)，其中，所述端部中的一个端部流体连接到所述牵引电池外壳(10)的所述内部空间(18)，并且其中，所述安全泄压阀(22)布置在所述管座(26)的另一个端部。
7.如权利要求6所述的封闭式牵引电池外壳(10)，其中，所述安全泄压阀(22)的开口和所述管座(26)的至少一个横向尺寸彼此适配，使得所述安全泄压阀(22)的所述开口的截面区域和所述管座(26)的截面区域重叠以覆盖所述截面区域中的任一截面区域的主要部分。
8.如权利要求6或7所述的封闭式牵引电池外壳(10)，包括如权利要求3或4中任一项所述的检测装置(32)，其中，所述流体连接构件(46)的所述端部中的另一端部附接至所述管座(26)的侧壁(28)。
9.如权利要求8所述的封闭式牵引电池外壳(10)，其中，所述流体连接构件(46)的所述端部中的另一端部包括开口(48)，所述开口(48)的法线在基本上位于垂直于所述管座(26)的中心线(30)布置的平面内的方向上对准。
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