CN114965655A - 一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统 - Google Patents

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陈来
崔豪
吴丹
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沈杏
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王萌
王联
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Abstract

本发明涉及一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，属于锂电池技术领域。所述系统包括CO2气体传感器、H2气体传感器、C2H4气体传感器、CO气体传感器、AD转换模块、数据处理模块、控制单元和报警模块；利用CO2、CO、H2和C2H4传感器阵列实现了热失控过程中4种主要气体浓度的有效检测，然后通过数据归一化处理过程，有效排除了其他三种主要气体对CO2气体传感器的影响，进而降低了气体间的交叉干扰。

Description

一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统
技术领域
本发明涉及一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，属于锂电池技术领域。
背景技术
由于锂离子电池具有比能量高、比功率大、使用寿命长、自放电率低、更环保、无记忆效应等优点，已被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。
随着电池技术的不断进步，尽管电池制作工艺和封装水平在不断提升，但由于使用环境恶劣、滥用行为和自身老化等因素，锂离子电池仍然存在巨大的安全隐患，除了导致电池寿命下降，严重时还将发生热失控。从而产生大量有毒有害气体，在高温下还可能引起火灾或爆炸。因此，对锂离子电池进行故障诊断十分必要，锂离子电池热失控故障过程中析出的主要气体种类为CO2、CO、H2、C2H4和VOC气体，且CO2气体占比最多，因此利用CO2浓度能够有效反馈锂离子电池内部的热失控故障特征。相对于目前常用的以电压和温度信号为故障特征判断热失控的方法，以气体信号为故障特征的判断方法具有更好的时效性，可以在故障初期实现故障的判断。并且，相比处理电压信号的诊断方法，气体信号不再需要复杂处理即可直接用于诊断，原理简单且实现方便。
目前在研的用于锂离子电池热失控气体检测的方法多是将一个或多个气体感测模块安装在电池箱内部，然后通过检测电池故障时电池箱内特征气体的浓度来判断电池故障及其严重程度。普遍而言，这种检测方法只能针对电池产生的单一气体或可燃气体总量进行检测，因此存在明显的缺陷，主要体现为如下两点：首先，在气体检测过程中，气体传感器容易受到电池箱内其他成分在温度升高时的挥发气体影响，导致气体浓度检测误差；另外，锂离子电池在发生故障时产生的气体释放量与电池荷电状态(SOC)、温升因素等密切相关，从而导致不同情况下气体成分及含量差别较大。因此，目前常用的单一气体或可燃气体总量检测方法不足以精准、有效的得到电池内部气体的组分情况，使得电池故障反馈不及时、不准确，引发故障误报。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，包括CO2气体传感器、H2气体传感器、C2H4气体传感器、CO气体传感器、模数(AD)转换模块、数据处理模块、控制单元和报警模块；
CO2气体传感器、H2气体传感器、C2H4气体传感器和CO气体传感器分别用于测量电池箱内CO2、H2、C2H4和CO的气体浓度模拟信号；
AD转换模块用于接收气体浓度模拟信号并转换为数字信号传输至数据处理模块；
数据处理模块用于对数字信号进行处理得到排除H2、C2H4和CO干扰的CO2浓度值并输出至控制单元；
控制单元用于判断接收的CO2浓度值是否高于设定的CO2浓度阈值，当高于CO2浓度阈值时，控制器用于控制报警模块发出报警信号。
进一步的，所述系统还包括显示模块，用于显示控制单元处理后得到的CO2浓度值。
进一步的，所述数据处理模块对数字信号进行归一化处理得到排除H2、C2H4和CO干扰的CO2浓度值。
进一步的，所述CO2气体传感器采用MG811型CO2气体传感器；所述H2气体传感器采用MQ-8气体传感器；所述C2H4气体传感器采用ME3-C2H4型电化学气敏传感器；所述CO气体传感器采用MQ-7气体传感器。
进一步的，所述报警模块包括报警灯和/或蜂鸣器。
有益效果
本发明以锂离子电池热失控过程中产生的4种主要气体CO2、CO、H2和C2H4为研究对象，基于不同故障程度下电池析出的气体种类和浓度具有显著差异性的基本原理，利用CO2气体浓度来反馈电池内部热失控故障的严重程度，提供了一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统及方法，利用CO2、CO、H2和C2H4传感器阵列实现了热失控过程中4种主要气体浓度的有效检测，然后通过数据归一化处理过程，有效排除了其他三种主要气体对CO2气体传感器的影响，进而降低了气体间的交叉干扰。相比单一CO2气体传感器检测方法，本发明采用的气体传感器阵列能够更为精准的检测到CO2气体的真实浓度，使得CO2气体浓度的检测数据更为可靠，再通过设置相应的CO2浓度阈值，保证了检测设备对电池热失控故障的精准诊断。
本发明通过对电池热失控故障下析出气体的高灵敏、高精度检测，基于故障气体检测结果及数据分析，实现锂电池热失控故障及严重程度的准确判断及科学评估。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构示意图。
图2为本发明实施例1中所述AD转换模块的原理图。
图3为本发明实施例1中所述系统的连线结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，包括CO2气体传感器、H2气体传感器、C2H4气体传感器、CO气体传感器、模数(AD)转换模块、数据处理模块、控制单元和报警模块；
CO2气体传感器、H2气体传感器、C2H4气体传感器和CO气体传感器分别用于测量电池箱内CO2、H2、C2H4和CO的气体浓度模拟信号；
AD转换模块用于接收气体浓度模拟信号并转换为数字信号传输至数据处理模块；
数据处理模块用于对数字信号进行处理得到排除H2、C2H4和CO干扰的CO2浓度值并输出至控制单元；
控制单元用于判断接收的CO2浓度值是否高于设定的CO2浓度阈值，当高于CO2浓度阈值时，控制器用于控制报警模块发出报警信号。
所述系统还包括显示模块，用于显示控制单元处理后得到的CO2浓度值。
所述数据处理模块对数字信号进行归一化处理得到排除H2、C2H4和CO干扰的CO2浓度值。
实施例1
本实施例中系统主芯片采用嘉楠科技有限公司出品K210。
AD转换模块采用PCF8591AD/DA芯片，其原理图如图2所示。
所述CO2气体传感器采用MG811型CO2气体传感器。
H2气体传感器采用MQ-8气体传感器。当传感器所处环境中存在氢气时，传感器的电导率随空气中氢气气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
CO气体传感器采用MQ-7气体传感器。采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温(5.0V加热)清选低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
C2H4气体传感器采用ME3-C2H4型电化学气敏传感器，根据电化学传感元件，利用待测气体在电解池中工作电极上发生电化学反应，待测气体在电化学反应时产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，实现C2H4气体浓度的检测。
显示模块采用LED显示屏接收K210传递的数据并进行展示。
底板有SDA、SCL、VCC和GND四个引脚，设置有4个GND电源负极和4个VCC电源正极，如图3所示。
AD转换模块有SDA、SCL、VCC、GND、AOVT、AIN0、AIN1、AIN2、AIN3九个引脚。CO2气体传感器有AO、DO、GND、VCC四个引脚。CO气体传感器有AO、DO、GND、VCC四个引脚。H2气体传感器有AO、DO、GND、VCC四个引脚。C2H4气体传感器有AO、DO、GND、VCC四个引脚。
AD转换模块接底板P11区，其AIN0连接H2传感器的A3，AD的AIN1和C2H4传感器的A2连接，AD的AIN2和CO2传感器的A1连接，AD的AIN3和CO传感器的A0连接。四个传感器的电源部分接底板左下角，GND和VCC分别连接底板上嵌入的电源正负极。
封装外壳采用ABS材质的电气密封箱，其引用抗震防摔设计，且拥有防水防尘、水电隔离仓和CE认证等优点，采用凸台式设计来固定安装K210板、AD模块以及四个气体传感器。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，其特征在于：包括CO2气体传感器、H2气体传感器、C2H4气体传感器、CO气体传感器、模数(AD)转换模块、数据处理模块、控制单元和报警模块；
CO2气体传感器、H2气体传感器、C2H4气体传感器和CO气体传感器分别用于测量电池箱内CO2、H2、C2H4和CO的气体浓度模拟信号；
AD转换模块用于接收气体浓度模拟信号并转换为数字信号传输至数据处理模块；
数据处理模块用于对数字信号进行处理得到排除H2、C2H4和CO干扰的CO2浓度值并输出至控制单元；
控制单元用于判断接收的CO2浓度值是否高于设定的CO2浓度阈值，当高于CO2浓度阈值时，控制器用于控制报警模块发出报警信号。
2.如权利要求1所述的一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，其特征在于：所述系统还包括显示模块，用于显示控制单元处理后得到的CO2浓度值。
3.如权利要求1所述的一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，其特征在于：所述数据处理模块对数字信号进行归一化处理得到排除H2、C2H4和CO干扰的CO2浓度值。
4.如权利要求1所述的一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，其特征在于：所述CO2气体传感器采用MG811型CO2气体传感器；所述H2气体传感器采用MQ-8气体传感器；所述C2H4气体传感器采用ME3-C2H4型电化学气敏传感器；所述CO气体传感器采用MQ-7气体传感器。
5.如权利要求1所述的一种基于气体信号的锂离子电池热失控故障诊断系统，其特征在于：所述报警模块包括报警灯和/或蜂鸣器。
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