CN114441977B - 一种机器人电池安全监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人电池安全监测系统及监测方法。设置温度检测器、电流电压检测器、压力检测器对电池的电芯进行同步的检测，主控制器根据多个参数的检测结果进行控制，提高了控制的精度，提高的电池的安全性；设置了独创性的应变检测薄膜，检测更加精准，尤其适合电池外表面的应变应力的检测，电池设置外壳、多孔支撑层、两端保护模块和电芯层，对电芯进行保护，起到防震的效果，同时阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶可以在多孔支撑层内形成阻燃防爆层，从而进一步提高电池安全性。

Description

一种机器人电池安全监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种机器人电池安全监测系统及监测方法。

背景技术

当前，电池安全是影响机器人应用的重要因素，申请号CN201810649837.7公开了一种锂电池的防爆阻燃结构，包括壳体、盖板；壳体内设有用于容纳锂电池的多个容腔，容腔之间设有阻燃层，盖板与壳体能够活动的连接，盖板上设有防爆结构、电源连接部；所述防爆结构包括由上至下依次间隔设置的干燥层、针刺部、能够允许气体通过而水不通过的隔膜，所述隔膜是可变形结构。

申请号CN201822058997.2公开了包括电池外壳和置于所述电池外壳内部的电池芯，电池芯位于所述电池外壳的内部中间位置处，且所述电池外壳的顶部与底部分别安装有正极帽和负极垫片；通过在电池芯的外部设置阻燃剂层，其中阻燃剂层为硅胶制成，可以为电池芯提供降温环境，充当阻燃剂，防止火势变大，阻燃剂层的外部还包覆有牵拉层，并在电池芯的顶部设置了灭火器，当电池内部因为短路或者过热，导致的内部气体过量，则会穿透密封垫，从泄压阀导向泄压通道内将内部压力排出；

电池危险的重要来源是外部的撞击或者穿刺，现有的阻燃层在被穿刺时阻燃层自身也会被刺穿，还存在一定的安全隐患。

发明内容

针对上述内容，为解决上述问题，提供一种机器人电池安全监测系统，包括电池包、主控制器、温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶；

温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶都连接至主控制器；

温度检测器用于检测电池包内部电芯的温度，并将检测的温度数据发送至主控制器；

电流电压检测器用于检测电池包的对外输出电压和电流，并将检测的电压和电流数据发送给主控制器；

压力检测器包括压力检测薄膜，压力检测薄膜设置于电池包的电芯外层，用于检测电池表面的受力情况，并将受力数据发送至主控制器；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶用于在电池包电芯外部混合后形成阻燃层，从而防止电池燃烧和爆炸；

主控制器采集电芯的温度数据、电流电压数据和电池包的受力数据，并进行分析；根据分析结果控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门开闭，以及阀门开闭的开度大小。

温度传感器为均匀分布在电芯外侧的多个温度探头组成的阵列，用于同时检测电芯多个位置的温度，并将最高温度发送至主控制器。

电流电压检测器检测电池包的对外输出电压和电流，设置有过流保护和过压保护，当电池包对外输出电流大于阈值时，电流电压检测器控制保险断开，从而使得电池包中断对外输出。

压力检测器为贴附在电芯外壁上的一层应变检测薄膜，制备方法为：

步骤一、在玻璃基底上涂覆一层特氟龙，然后用磁控溅射法在玻璃基底上的特氟龙层上镀一层铜，铜膜的厚度为100μm，铜膜上生长石墨烯单层膜；

步骤二、将石墨烯单层膜表面喷涂一层P(VDF-TrFE)膜，P(VDF-TrFE)膜为P(VDF-TrFE)粉溶解于二甲基甲酰胺形成的；

步骤三、将步骤二得到的薄膜浸入CuCl₂中，浸泡后晾干，CuCl₂不会腐蚀铜膜；晾干后将玻璃基底与特氟龙分离，然后再薄膜具有P(VDF-TrFE)膜层的表面上再镀一层铜，厚度为100μm以上；

步骤四、将步骤三得到的薄膜进行退火，退火温度120-180℃，退火时间12-24小时，然后将两层铜膜分别连出线路至应变分析模块；

应变分析模块对两层铜膜加载电压，当薄膜受到外界压力时，两层铜膜之间产生的微小距离变化会挤压内部的薄膜，从而使得两层铜膜之间的电压变化，应变分析模块根据电压的变化输出薄膜受压的压强。

电池包包括外壳、多孔支撑层、两端保护模块和电芯层；

外壳内部设置多孔支撑层，多孔支撑层内部的孔互相贯通；电芯层设置在多孔支撑层的内部；

多孔支撑层在电芯和外壳之间形成了一个多孔的空间；

两端保护模块内设置有阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶；阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶的阀门对外连接至外壳内部；

充气瓶的阀门对外连接至阻燃发泡材料瓶和发泡剂瓶；当充气瓶的阀门打开后，充气瓶内的气体进入阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶，从而将阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶内部的阻燃发泡材料和发泡剂挤出；阻燃发泡材料和发泡剂在多孔支撑层内混合后形成阻燃层，防止电池燃烧和爆炸。

主控制器的工作方式为：

主控制器采集电芯的温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P，并将温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P与各自的阈值相比较；

当任何一个参数超过阈值时，主控制器开启预警，主控制器控制外部声光报警装置进行声光报警；

当温度T和电池包的受力压强P同时超过阈值时，主控制器开启防爆模式，控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门打开；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门的开度根据下式计算：

K＝k₁·ln(T-T₀)+k₂·ln(P-P₀)；

其中k₁和k₂为常数，K为0到1之间的数值，0表示阀门关闭，1表示阀门全开；T₀表示温度的阈值，根据经验设置；P₀表示压强的阈值，根据经验设置。

一种利用所述的机器人电池安全监测系统进行安全监测的方法，包括如下步骤：

步骤A、将电芯外部包裹多孔支撑层后安装在壳体内，壳体密封；并将两端保护模块与主控制器和壳体连接好；温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶都连接至主控制器；

步骤B、温度检测器检测电池包内部电芯的温度，并将检测的温度数据发送至主控制器；电流电压检测器检测电池包的对外输出电压和电流，并将检测的电压和电流数据发送给主控制器；压力检测器检测电池表面的受力情况，并将受压强数据发送至主控制器；

步骤C、主控制器采集电芯的温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P，并将温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P与各自的阈值相比较；

当任何一个参数超过阈值时，主控制器开启预警，主控制器控制外部声光报警装置进行声光报警；

当温度T和电池包的受力压强P同时超过阈值时，主控制器开启防爆模式，控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门打开；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门的开度根据下式计算：

K＝k₁·ln(T-T₀)+k₂·ln(P-P₀)；

其中k₁和k₂为常数，K为0到1之间的数值，0表示阀门关闭，1表示阀门全开；T₀表示温度的阈值，根据经验设置；P₀表示压强的阈值，根据经验设置。

本发明的有益效果为：

本发明设置温度检测器、电流电压检测器、压力检测器对电池的电芯进行同步的检测，主控制器根据多个参数的检测结果进行控制，提高了控制的精度，提高的电池的安全性；

设置了独创性的应变检测薄膜，检测更加精准，尤其适合电池外表面的应变应力的检测，电池设置外壳、多孔支撑层、两端保护模块和电芯层，对电芯进行保护，起到防震的效果，同时阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶可以在多孔支撑层内形成阻燃防爆层，从而进一步提高电池安全性。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为本发明整体架构示意图；

图2为本发明的电池包结构示意图。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：

一种机器人电池安全监测系统，包括电池包、主控制器、温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶；

温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶都连接至主控制器；

温度检测器用于检测电池包内部电芯的温度，并将检测的温度数据发送至主控制器；

电流电压检测器用于检测电池包的对外输出电压和电流，并将检测的电压和电流数据发送给主控制器；

压力检测器包括压力检测薄膜，压力检测薄膜设置于电池包的电芯外层，用于检测电池表面的受力情况，并将受力数据发送至主控制器；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶用于在电池包电芯外部混合后形成阻燃层，从而防止电池燃烧和爆炸；

主控制器采集电芯的温度数据、电流电压数据和电池包的受力数据，并进行分析；根据分析结果控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门开闭，以及阀门开闭的开度大小。

温度传感器为均匀分布在电芯外侧的多个温度探头组成的阵列，用于同时检测电芯多个位置的温度，并将最高温度发送至主控制器。

电流电压检测器检测电池包的对外输出电压和电流，设置有过流保护和过压保护，当电池包对外输出电流大于阈值时，电流电压检测器控制保险断开，从而使得电池包中断对外输出。

压力检测器为贴附在电芯外壁上的一层应变检测薄膜，制备方法为：

步骤一、在玻璃基底上涂覆一层特氟龙，然后用磁控溅射法在玻璃基底上的特氟龙层上镀一层铜，铜膜的厚度为100μm，铜膜上生长石墨烯单层膜；

步骤二、将石墨烯单层膜表面喷涂一层P(VDF-TrFE)膜，P(VDF-TrFE)膜为P(VDF-TrFE)粉溶解于二甲基甲酰胺形成的；

步骤三、将步骤二得到的薄膜浸入CuCl₂中，浸泡后晾干，CuCl₂不会腐蚀铜膜；晾干后将玻璃基底与特氟龙分离，然后再薄膜具有P(VDF-TrFE)膜层的表面上再镀一层铜，厚度为100μm以上；

步骤四、将步骤三得到的薄膜进行退火，退火温度120-180℃，退火时间12-24小时，然后将两层铜膜分别连出线路至应变分析模块；

应变分析模块对两层铜膜加载电压，当薄膜受到外界压力时，两层铜膜之间产生的微小距离变化会挤压内部的薄膜，从而使得两层铜膜之间的电压变化，应变分析模块根据电压的变化输出薄膜受压的压强。

电池包包括外壳、多孔支撑层、两端保护模块和电芯层；

外壳内部设置多孔支撑层，多孔支撑层内部的孔互相贯通；电芯层设置在多孔支撑层的内部；

多孔支撑层在电芯和外壳之间形成了一个多孔的空间；

两端保护模块内设置有阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶；阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶的阀门对外连接至外壳内部；

充气瓶的阀门对外连接至阻燃发泡材料瓶和发泡剂瓶；当充气瓶的阀门打开后，充气瓶内的气体进入阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶，从而将阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶内部的阻燃发泡材料和发泡剂挤出；阻燃发泡材料和发泡剂在多孔支撑层内混合后形成阻燃层，防止电池燃烧和爆炸。

主控制器的工作方式为：

主控制器采集电芯的温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P，并将温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P与各自的阈值相比较；

当任何一个参数超过阈值时，主控制器开启预警，主控制器控制外部声光报警装置进行声光报警；

当温度T和电池包的受力压强P同时超过阈值时，主控制器开启防爆模式，控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门打开；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门的开度根据下式计算：

K＝k₁·ln(T-T₀)+k₂·ln(P-P₀)；

其中k₁和k₂为常数，K为0到1之间的数值，0表示阀门关闭，1表示阀门全开；T₀表示温度的阈值，根据经验设置；P₀表示压强的阈值，根据经验设置。

实施例2：

一种利用所述的机器人电池安全监测系统进行安全监测的方法，包括如下步骤：

步骤A、将电芯外部包裹多孔支撑层后安装在壳体内，壳体密封；并将两端保护模块与主控制器和壳体连接好；温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶都连接至主控制器；

步骤B、温度检测器检测电池包内部电芯的温度，并将检测的温度数据发送至主控制器；电流电压检测器检测电池包的对外输出电压和电流，并将检测的电压和电流数据发送给主控制器；压力检测器检测电池表面的受力情况，并将受压强数据发送至主控制器；

步骤C、主控制器采集电芯的温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P，并将温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P与各自的阈值相比较；

当任何一个参数超过阈值时，主控制器开启预警，主控制器控制外部声光报警装置进行声光报警；

当温度T和电池包的受力压强P同时超过阈值时，主控制器开启防爆模式，控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门打开；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门的开度根据下式计算：

K＝k₁·ln(T-T₀)+k₂·ln(P-P₀)；

其中k₁和k₂为常数，K为0到1之间的数值，0表示阀门关闭，1表示阀门全开；T₀表示温度的阈值，根据经验设置；P₀表示压强的阈值，根据经验设置。

由于多孔支撑层内部为多孔，且多孔之间互相贯通，因此阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶喷出的材料在多孔支撑层内互相混合，快速形成多孔状的阻燃层，从而防止电芯发生燃烧和爆炸；

由于阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶混合时会放出一定的热量，如果发热过大会导致电芯温度进一步上升；由于多孔材料的自身特性，阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶喷出的材料自身也是多孔的，也就是说即使在主控制器开启防爆模式后，如果阀门开度较小，阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶喷出的材料只会形成较少的阻燃层，基本不会影响温度传感器的检测；如果电芯故障或者被刺穿，导致压强或温度进一步增大，阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门开度进一步加大，还会继续在多孔材料内部形成更加致密的阻燃层；阻燃层的厚度越大，其阻燃和防爆的效果也越好，还可以在刺穿的位置形成封堵防止空气进入；

由于外壳密封设置，因此阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶内部的材料设置为即使全部喷出也不会导致外壳密封性受到影响；充气瓶内部的气体为氮气或者稀有气体。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种机器人电池安全监测系统，包括电池包、主控制器、温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶；其特征在于：

温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶都连接至主控制器；

温度检测器用于检测电池包内部电芯的温度，并将检测的温度数据发送至主控制器；

电流电压检测器用于检测电池包的对外输出电压和电流，并将检测的电压和电流数据发送给主控制器；

压力检测器包括压力检测薄膜，压力检测薄膜设置于电池包的电芯外层，用于检测电池表面的受力情况，并将受力数据发送至主控制器；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶用于在电池包电芯外部混合后形成阻燃层，从而防止电池燃烧和爆炸；

主控制器采集电芯的温度数据、电流电压数据和电池包的受力数据，并进行分析；根据分析结果控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门开闭，以及阀门开闭的开度大小；

压力检测器为贴附在电芯外壁上的一层应变检测薄膜，制备方法为：

步骤一、在玻璃基底上涂覆一层特氟龙，然后用磁控溅射法在玻璃基底上的特氟龙层上镀一层铜，铜膜的厚度为100μm，铜膜上生长石墨烯单层膜；

步骤二、将石墨烯单层膜表面喷涂一层P(VDF-TrFE)膜，P(VDF-TrFE)膜为P(VDF-TrFE)粉溶解于二甲基甲酰胺形成的；

步骤三、将步骤二得到的薄膜浸入CuCl₂中，浸泡后晾干，CuCl₂不会腐蚀铜膜；晾干后将玻璃基底与特氟龙分离，然后在薄膜具有P(VDF-TrFE)膜层的表面上再镀一层铜，厚度为100μm以上；

步骤四、将步骤三得到的薄膜进行退火，退火温度120-180℃，退火时间12-24小时，然后将两层铜膜分别连出线路至应变分析模块；

应变分析模块对两层铜膜加载电压，当薄膜受到外界压力时，两层铜膜之间产生的微小距离变化会挤压内部的薄膜，从而使得两层铜膜之间的电压变化，应变分析模块根据电压的变化输出薄膜受压的压强；

电池包包括外壳、多孔支撑层、两端保护模块和电芯层；

外壳内部设置多孔支撑层，多孔支撑层内部的孔互相贯通；电芯层设置在多孔支撑层的内部；多孔支撑层在电芯和外壳之间形成了一个多孔的空间；

两端保护模块内设置有阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶；阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶的阀门对外连接至外壳内部；

充气瓶的阀门对外连接至阻燃发泡材料瓶和发泡剂瓶；当充气瓶的阀门打开后，充气瓶内的气体进入阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶，从而将阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶内部的阻燃发泡材料和发泡剂挤出；阻燃发泡材料和发泡剂在多孔支撑层内混合后形成阻燃层，防止电池燃烧和爆炸。

2.根据权利要求1所述的机器人电池安全监测系统，其特征在于：

温度传感器为均匀分布在电芯外侧的多个温度探头组成的阵列，用于同时检测电芯多个位置的温度，并将最高温度发送至主控制器。

3.根据权利要求1所述的机器人电池安全监测系统，其特征在于：

电流电压检测器检测电池包的对外输出电压和电流，设置有过流保护和过压保护，当电池包对外输出电流大于阈值时，电流电压检测器控制保险断开，从而使得电池包中断对外输出。

4.根据权利要求1所述的机器人电池安全监测系统，其特征在于：

主控制器的工作方式为：

主控制器采集电芯的温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P，并将温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P与各自的阈值相比较；

当任何一个参数超过阈值时，主控制器开启预警，主控制器控制外部声光报警装置进行声光报警；

当温度T和电池包的受力压强P同时超过阈值时，主控制器开启防爆模式，控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门打开；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门的开度根据下式计算：

K＝k₁·ln(T-T₀)+k₂·ln(P-P₀)；

其中k₁和k₂为常数，K为0到1之间的数值，0表示阀门关闭，1表示阀门全开；T₀表示温度的阈值，根据经验设置；P₀表示压强的阈值，根据经验设置。

5.一种利用权利要求4所述的机器人电池安全监测系统进行安全监测的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A、将电芯外部包裹多孔支撑层后安装在壳体内，壳体密封；并将两端保护模块与主控制器和壳体连接好；温度检测器、电流电压检测器、压力检测器、阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶都连接至主控制器；

步骤B、温度检测器检测电池包内部电芯的温度，并将检测的温度数据发送至主控制器；电流电压检测器检测电池包的对外输出电压和电流，并将检测的电压和电流数据发送给主控制器；压力检测器检测电池表面的受力情况，并将受压强数据发送至主控制器；

步骤C、主控制器采集电芯的温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P，并将温度T、电流I、电压U和电池包的受力压强P与各自的阈值相比较；

当任何一个参数超过阈值时，主控制器开启预警，主控制器控制外部声光报警装置进行声光报警；

当温度T和电池包的受力压强P同时超过阈值时，主控制器开启防爆模式，控制阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门打开；

阻燃发泡材料瓶、发泡剂瓶和充气瓶的阀门的开度根据下式计算：

K＝k₁·ln(T-T₀)+k₂·ln(P-P₀)；

其中k₁和k₂为常数，K为0到1之间的数值，0表示阀门关闭，1表示阀门全开；T₀表示温度的阈值，根据经验设置；P₀表示压强的阈值，根据经验设置。