CN115112036A - 电池模块的监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池模块的监测系统，所述电池模块包括电池壳体和位于所述电池壳体内的多个单体电池，包括解调控制模块以及设于所述电池壳体内的若干个监测组件；其中，每个所述监测组件均包括气囊以及设于所述气囊内的MEMS光纤传感器模块，所述气囊用于膨胀以抵接所述单体电池的表面，所述MEMS光纤传感器模块用于测量所述气囊内的温度和气压以形成测量信号；所述解调控制模块用于接收和解调所述测量信号，并根据解调后的所述测量信号判断所述电池模块中的所述单体电池的是否存在变形；本发明实现了电池模块的变形监测。

Description

电池模块的监测系统
技术领域
本发明涉及电池安全技术领域，尤其涉及一种电池模块的监测系统。
背景技术
随着能源消费量越来越高，为了应对传统化石能源带来的污染问题，可再生能源的开发利用广受重视，在汽车领域，越来越多的汽车厂商投入资金进行电动汽车的研发；光伏发电、风力发电等可再生能源的装机容量也在不断扩大，光伏、风电、水电等可再生能源往往具有时间、空间上的不均匀性，因此具备丰电期蓄电，枯电期供电的储能技术需求越来越大。锂电池具有能量密度高、充电效率高、重量轻等优势，在汽车动力电池、储能电池领域都有着越来越广泛的应用，锂是一种化学性质活泼的轻金属元素，在各种锂电池的应用场合，电池安全都是必须要考虑的因素，传统的电池保护技术分为电压保护、过电流保护，这些保护技术主要用在电池的输入、输出端，然而电池使用过程中，电解质变质、隔离膜效果降低等化学变化因素很难做到有效监测，这种变化往往导致电池变形、胀气鼓包等外形上的变化，而外形变化在电池性能上也会有一定的反映，但是外形变化是很难从电池性能方面进行区分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池模块的监测系统，以实现电池模块的变形监测。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电池模块的监测系统，所述电池模块包括电池壳体和位于所述电池壳体内的多个单体电池，包括解调控制模块以及设于所述电池壳体内的若干个监测组件；其中，每个所述监测组件均包括气囊以及设于所述气囊内的MEMS光纤传感器模块，所述气囊用于膨胀以抵接所述单体电池的表面，所述MEMS光纤传感器模块用于测量所述气囊内的温度和气压以形成测量信号；所述解调控制模块用于接收和解调所述测量信号，并根据解调后的所述测量信号判断所述电池模块中的所述单体电池的是否存在变形。
可选的，所述MEMS光纤传感器模块包括MEMS光纤温度传感器和MEMS光纤压力传感器，其中所述MEMS光纤温度传感器用于测量所述气囊内的温度，所述MEMS光纤压力传感器用于测量所述气囊内的气压，所述解调控制模块被配置为根据所述MEMS光纤温度传感器的测量值得到所述气囊的第一气压变化值，进而根据所述第一气压变化值和所述MEMS光纤压力传感器的测量值得到所述气囊的第二气压变化值，再根据所述第二气压变化量判断所述单体电池的变形程度。
可选的，所述气囊上设有充气口、排气口和安装口，通过所述充气口给所述气囊充气，通过所述排气口将所述气囊内的气体排出，通过所述安装口将所述MEMS光纤传感器模块设置于所述气囊内。
可选的，若干个所述监测组件中的所述气囊通过相应的所述排气口连通以构成一个气囊模组，所述气囊模组以匹配不同尺寸的所述电池模块。
可选的，多个所述单体电池排列于所述电池壳体内，且所述单体电池与所述电池壳体之间具有间隙。
可选的，所述气囊设置于所述电池壳体的内顶面和/或内侧面，且所述气囊位于所述电池壳体和所述单体电池之间，所述气囊膨胀填充所述单体电池与所述电池壳体之间的间隙以抵接所述单体电池的表面。
可选的，所述气囊的材质为弹性材质。
可选的，所述解调控制模块包括依次连接的光纤连接单元、解调单元和控制单元，所述MEMS光纤传感器模块通过光纤与所述光纤连接单元连接。
在本发明提供的电池模块的监测系统中，电池模块包括电池壳体和位于电池壳体内的多个单体电池，包括解调控制模块以及设于电池壳体内的若干个监测组件；其中，每个监测组件均包括气囊以及设于气囊内的MEMS光纤传感器模块，气囊用于膨胀以抵接单体电池的表面，MEMS光纤传感器模块用于测量气囊内的温度和气压以形成测量信号；解调控制模块用于接收和解调测量信号，并根据解调后的测量信号判断电池模块中的单体电池的是否处在变形。本发明通过高灵敏度的MEMS光纤传感器模块监测气囊内的气压的微小变化，辅助温度监测，温度监测能够消除因气囊内的温度变化引起气囊内的压力变化，从而实现对电池模块中单体电池的变形监测，提升了对电池模块的安全监测能力，提高电池模块的安全系数，为电池模块的检修、保养、更换提供更加科学的数据支持，安全合理的提升电池模块的放电能力。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的电池模块的监测系统的框图；
图2A～图2C为本发明一实施例提供的电池模块的监测系统中气囊设置于电池壳体的内顶面的示意图；
图3A及图3B为本发明一实施例提供的电池模块的监测系统中气囊设置于电池壳体的内侧面的示意图；
图4A及图4B为本发明一实施例提供的电池模块的监测系统中气囊设置于电池壳体的内侧面和内顶面的示意图；
图5为本发明一实施例提供的电池模块的监测系统中气囊的示意图。
其中，附图标记为：
10-电池模块；20-解调控制模块；21-光纤连接单元；22-解调单元；23-控制单元；110-电池壳体；111-内顶面；112-内侧面；120-单体电池；130-电极端；200-气囊；210-充气口；220-排气口；230-安装口；300-MEMS光纤传感器模块。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1为本实施例提供的电池模块的监测系统的框图，图2A～图2B为本实施例提供的电池模块的监测系统中气囊设置于电池壳体的内顶面的示意图，图5为本实施例提供的电池模块的监测系统中气囊的示意图，其中图2B为图2A的侧视图。请参考图1、图2A和图2B，本实施例提供了一种电池模块的监测系统，电池模块10包括电池壳体110和位于电池壳体110内的多个单体电池120，系统包括解调控制模块20以及设于电池壳体110内的若干个监测组件。在本实施例中，单体电池120优选呈矩形板状，多个单体电池120排列于电池壳体110内，且单体电池120与电池壳体110之间具有间隙，具体是多个单体电池120分为多个电池组，每一个电池组包括若干单体电池120，若干单体电池120共线排列于电池壳体110内，单体电池120与电池壳体110的内顶面111和/或内侧面112之间均具有间隙，图2A中示意了单体电池120的侧面，图2B中示意了单体电池120的正面，且在图2A中示意了共线排列的一个电池组，在图2B中示意了三个单体电池120的正面，图2A和图2B中电池单体120的排列和数量仅为示例，具体示实际情况而定；在此对单体电池120的数量不作限定，可为100个、200个等，且单体电池120还可呈圆形板状等。在本实施例中，通过框架将单体电池120固定于电池壳体110内，相邻两个单体电池120之间设有隔热垫(图中未示出)。在本实施例中，单体电池120具有两个电极端130，分别为正电极端和负电极端，单体电池120的电极端130优选朝向电池壳体110的内顶面111，但也可朝向电池壳体110的内侧面112，具体示实际情况而定。在本实施例中，电池模块10优选为锂电池模块，电池模块10可应用于汽车上，但不限于此电池模块。
请继续参考图2A和图2B，每个监测组件均包括气囊200以及设于气囊200内的MEMS光纤传感器模块300，在图2A和图2B中仅示意了一个监测组件，即示意了一个气囊200，气囊200设置于电池壳体110的内顶面111，即气囊200位于电池壳体110和单体电池120之间，气囊200膨胀填充单体电池120与电池壳体110的内顶面111之间的间隙以抵接单体电池120的表面。由于在实施例中，单体电池120的电极端130优选朝向电池壳体110的内顶面111，因此气囊200会膨胀填充单体电池120的两个电极端130之间的空隙以抵接单体电池120的表面(参见图2B)。在气囊200充气后，气囊200变形产生一定程度的膨胀，气囊200膨胀以与每个单体电池120的表面接触，通过气囊200膨胀填充相邻两个单体电池120的电极端130之间的间隙能够增加气囊200与单体电池120的接触紧密度，使气囊200能够精确感受到单体电池120的变形。
请参考图5，气囊200上设有充气口210、排气口220和安装口230，通过充气口210给气囊200充气，通过排气口220将气囊200内的气体排出，安装口230用于安装MEMS光纤传感器模块300，且MEMS光纤传感器模块300的传感端位于气囊200内。充气口210和排气口220配置有密封塞，在安装MEMS光纤传感器模块300后气囊200处于密闭状态，以保证气囊200具有良好的气密性和防水性。在本实施例中，气囊200的材质为柔性材质，可包括聚丙烯、铝和聚酰胺以构成复合铝塑膜或丁基橡胶，但不限于上述材质。
请参考图2C，在图2C中仅示意了多个监测组件，具体示意了三个监测组件，对应三个气囊200，三个气囊200均设置于电池壳体110的内顶面111，即三个气囊200均位于电池壳体110和单体电池120之间，三个气囊200膨胀填充单体电池120与电池壳体110的内顶面111之间的间隙以抵接单体电池120的表面。由于在实施例中，单体电池120的电极端130优选朝向电池壳体110的内顶面111，因此三个气囊200会膨胀填充单体电池120的两个电极端130之间的空隙以抵接单体电池120的表面(参见图2C)，具体监测组件的数量不做限定。在本实施例中，多个监测组件对应的气囊200通过相应的排气口连通以构成一个气囊模组，气囊模组以匹配不同尺寸的电池模块10。
图3A及图3B为本实施例提供的电池模块的监测系统中气囊设置于电池壳体的内侧面的示意图，其中图3B为图3A的侧视图。请参考图3A和图3B，在电池壳体110的内侧面112与单体电池120之间的间隙设置有监测组件，即监测组件的气囊200位于电池壳体110和单体电池120之间，气囊200膨胀填充单体电池120与电池壳体110的内侧面112之间的间隙以抵接单体电池120的表面，在本实施例中监测组件可设置于电池壳体110的任一内侧面112与单体电池120之间，也可设置于电池壳体110的全部内侧面112与单体电池120之间，在图3A和图3B中示意了监测组件可设置于电池壳体110的全部内侧面112与单体电池120之间；同样电池壳体110的任一内侧面112与单体电池120之间可设有一个监测组件，也可设有多个监测组件。在本实施例中，多个监测组件对应的气囊200通过相应的排气口连通以构成一个气囊模组，气囊模组以匹配不同尺寸的电池模块10。
图4A及图4B为本实施例提供的电池模块的监测系统中气囊设置于电池壳体的内侧面和内顶面的示意图，其中图4B为图4A的侧视图。请参考图4A和图4B，在电池壳体110的内顶面111和内侧面112与单体电池120之间的间隙均设置有监测组件，即监测组件的气囊200位于电池壳体110和单体电池120之间，气囊200膨胀填充单体电池120与电池壳体110的内顶面111和内侧面112之间的间隙以抵接单体电池120的表面。在本实施例中监测组件可设置于电池壳体110的任一内侧面112与单体电池120之间，也可设置于电池壳体110的全部内侧面112与单体电池120之间，在图4A和图4B中示意了监测组件可设置于电池壳体110的全部内侧面112与单体电池120之间；同样电池壳体110的任一内侧面112与单体电池120之间可设有一个监测组件，也可设有多个监测组件。并且由于在实施例中，单体电池120的电极端130优选朝向电池壳体110的内顶面111，因此位于单体电池120与电池壳体110的内顶面111之间的气囊200会膨胀填充单体电池120的两个电极端130之间的空隙以抵接单体电池120的表面(参见图4B)，图4A和图4B中在单体电池120与电池壳体110的内顶面111之间仅示意了一个监测组件，具体监测组件的数量不做限定。在本实施例中，多个监测组件对应的气囊200通过相应的排气口连通以构成一个气囊模组，气囊模组以匹配不同尺寸的电池模块10。
进一步地，在气囊200中均设置MEMS光纤传感器模块300，用于测量气囊200内的温度和气压以形成测量信号。在本实施例中，MEMS光纤传感器模块300包括MEMS光纤温度传感器和MEMS光纤压力传感器，其中MEMS光纤温度传感器用于测量气囊200内的温度，MEMS光纤压力传感器用于测量气囊200内的气压。
在气囊200膨胀使用时，气囊200的内部为一个密闭空间，气囊200与单体电池120的表面紧密接触。当单体电池120的表面没有产生变形时，单体电池120不会挤压气囊200，气囊200内部的气压不会变化；当单体电池120的表面产生变形时(胀气鼓包)，单体电池120会挤压气囊200，使气囊200内部的气压升高，因此根据气囊200内的气压能够判断电池模块10中的单体电池120是否存在变形。又由于电池模块10在工作过程中，电池模块10的温度会随着环境的温度变化而变化，电池模块10在工作时和不工作时相应的温度也会存在差异，电池模块10的温度的变化会导致气囊200中压力的变化，因此为了准确判断气囊200内的气压变化仅反应的是单体电池120的变形，即需要同时测量气囊200内的温度和气压。
具体的，解调控制模块20被配置为根据MEMS光纤温度传感器的测量值得到气囊200的第一气压变化值，即MEMS光纤温度传感器的测量值为工作时电池模块10中的气囊200内的温度值，解调控制模块20根据气囊200内的温度值转换得到气囊200的第一气压变化值，解调控制模块20中存储有不工作时电池模块10中的气囊200内的温度值以及气压值，还存储有气囊200不受挤压时温度值与气压值的变化转换关系，即当工作时电池模块10中的气囊200内的温度值变化时，解调控制模块20根据MEMS光纤温度传感器的测量值转换得到气囊200的第一气压变化值。在本实施例中，第一气压变化值可为正气压变化值或负气压变化值，因为电池模块10的温度会随着环境的温度变化而变化，环境温度使电池模块10的温度可升高也可降低，当电池模块10的温度升高时，第一气压变化值为正气压变化值，当电池模块10的温度降低时，第一气压变化值为负气压变化值。
进而，解调控制模块20根据第一气压变化值和MEMS光纤压力传感器的测量值得到气囊200的第二气压变化值，其中MEMS光纤压力传感器的测量值为工作时电池模块10中的气囊200内的气压值，如上所述此时测量得到的电池模块10中的气囊200内的气压值可能不能真正反应单体电池120的变形情况，若受环境温度影响也会导致气囊200内的气压变化，因此需要根据第一气压变化值和MEMS光纤压力传感器的测量值得到气囊200的第二气压变化值，具体是通过MEMS光纤压力传感器的测量值分离减去第一气压变化值以得到气囊200的第二气压变化值，气囊200的第二气压变化值即反应的是单体电池120的变形情况；再根据第二气压变化量判断单体电池120的变形程度。
在本实施例中，由于MEMS光纤传感器模块300具有灵敏度高、响应速度快、精度高等特点，而单体电池120变形对气囊200的压力可能较小，为了准确监测气囊200内的气压的微小变化，因此优选MEMS光纤传感器模块300，MEMS光纤传感器模块300具有测量温度和压力的能力以去测量气囊200内的温度和气压。
进一步地，电池壳体110上设有接口(图中未示出)，接口供提供的光纤线缆穿过并密封，光纤实现解调控制模块20与MEMS光纤传感器模块300的电连接，解调控制模块20接收MEMS光纤传感器模块300传递的测量信号，即气囊200内的温度和气压，并对测量信号进行解调，根据解调后的测量信号判断电池模块10中的单体电池120是否存在变形，以实现电池模块10的监测。
在本实施例中，解调控制模块20包括依次连接的光纤连接单元21、解调单元22和控制单元23，MEMS光纤传感器模块300通过光纤与光纤连接单元21连接，其中光纤连接单元21优选为MPO光纤连接器。
在本实施例中，电池模块10的监测系统的工作原理是基于气囊200与每个单体电池120的表面接触，当电池模块10在工作过程中，电池模块10中的单体电池120可能会胀气鼓包产生变形，当单体电池120没有产生变形时，气囊200内部的气压不会变化，当单体电池120产生变形时(胀气鼓包)，单体电池120会挤压气囊200，使气囊200内部的气压升高，导致气囊200内的气压发生变化，同时气囊200内的温度也可能发生变化；通过MEMS光纤传感器模块300测量得到气囊200内的温度和气压以形成测量信号，将MEMS光纤传感器模块300的测量信号通过光纤连接单元21发送给解调单元22，经过解调单元22解调后，利用控制单元23先分析气囊200内的温度是否变化，得到气囊200内的温度变化导致气囊200的第一气压变化值，再通过MEMS光纤压力传感器的测量值分离第一气压变化值以得到气囊200的第二气压变化值，即得到单体电池120变形引起的气压变化值，以实现电池模块10的监测；并且通过单体电池120变形引起的气压变化值能够判断单体电池120的变形程度，以进行不同程度的分级预警，提醒检修，维护保养，避免发生严重的事故。
因此，通过高灵敏度的MEMS光纤传感器模块监测气囊内的气压的微小变化，辅助温度监测，温度监测能够消除因气囊内的温度变化引起气囊内的压力变化，从而实现对电池模块中单体电池的变形监测；并且根据监测的气囊内的温度，可以对电池模块进行热管理，以控制辅助的冷却、加热系统，以使电池模块的温度处在一个友好的工作温度区间，提高电池模块的安全系数，为电池模块的检修、保养、更换提供更加科学的数据支持，安全合理的提升电池模块的放电能力。
综上，在本发明提供的电池模块的监测系统中，电池模块包括电池壳体和位于电池壳体内的多个单体电池，包括解调控制模块以及设于电池壳体内的若干个监测组件；其中，每个监测组件均包括气囊以及设于气囊内的MEMS光纤传感器模块，气囊用于膨胀以抵接单体电池的表面，MEMS光纤传感器模块用于测量气囊内的温度和气压以形成测量信号；解调控制模块用于接收和解调测量信号，并根据解调后的测量信号判断电池模块中的单体电池的是否处在变形。本发明通过高灵敏度的MEMS光纤传感器模块监测气囊内的气压的微小变化，辅助温度监测，温度监测能够消除因气囊内的温度变化引起气囊内的压力变化，从而实现对电池模块中单体电池的变形监测，提升了对电池模块的安全监测能力；并且根据监测的气囊内的温度，可以对电池模块进行热管理，以控制辅助的冷却、加热系统，以使电池模块的温度处在一个友好的工作温度区间，提高电池模块的安全系数，为电池模块的检修、保养、更换提供更加科学的数据支持，安全合理的提升电池模块的放电能力。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池模块的监测系统，所述电池模块包括电池壳体和位于所述电池壳体内的多个单体电池，其特征在于，包括解调控制模块以及设于所述电池壳体内的若干个监测组件；其中，每个所述监测组件均包括气囊以及设于所述气囊内的MEMS光纤传感器模块，所述气囊用于膨胀以抵接所述单体电池的表面，所述MEMS光纤传感器模块用于测量所述气囊内的温度和气压以形成测量信号；所述解调控制模块用于接收和解调所述测量信号，并根据解调后的所述测量信号判断所述电池模块中的所述单体电池的是否存在变形。
2.如权利要求1所述的电池模块的监测系统，其特征在于，所述MEMS光纤传感器模块包括MEMS光纤温度传感器和MEMS光纤压力传感器，其中所述MEMS光纤温度传感器用于测量所述气囊内的温度，所述MEMS光纤压力传感器用于测量所述气囊内的气压，所述解调控制模块被配置为根据所述MEMS光纤温度传感器的测量值得到所述气囊的第一气压变化值，进而根据所述第一气压变化值和所述MEMS光纤压力传感器的测量值得到所述气囊的第二气压变化值，再根据所述第二气压变化量判断所述单体电池的变形程度。
3.如权利要求1所述的电池模块的监测系统，其特征在于，所述气囊上设有充气口、排气口和安装口，通过所述充气口给所述气囊充气，通过所述排气口将所述气囊内的气体排出，通过所述安装口将所述MEMS光纤传感器模块设置于所述气囊内。
4.如权利要求3所述的电池模块的监测系统，其特征在于，若干个所述监测组件中的所述气囊通过相应的所述排气口连通以构成一个气囊模组，所述气囊模组以匹配不同尺寸的所述电池模块。
5.如权利要求1所述的电池模块的监测系统，其特征在于，多个所述单体电池排列于所述电池壳体内，且所述单体电池与所述电池壳体之间具有间隙。
6.如权利要求5所述的电池模块的监测系统，其特征在于，所述气囊设置于所述电池壳体的内顶面和/或内侧面，且所述气囊位于所述电池壳体和所述单体电池之间，所述气囊膨胀填充所述单体电池与所述电池壳体之间的间隙以抵接所述单体电池的表面。
7.如权利要求1所述的电池模块的监测系统，其特征在于，所述气囊的材质为弹性材质。
8.如权利要求1所述的电池模块的监测系统，其特征在于，所述解调控制模块包括依次连接的光纤连接单元、解调单元和控制单元，所述MEMS光纤传感器模块通过光纤与所述光纤连接单元连接。
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