CN115598544A - 一种锂电池热失控预警复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池热失控预警复合传感器，包括上盖、传感器模块以及下盖，上盖和下盖装配连接后为一个主体，传感器模块设于主体的内部；单片机控制器分别于颗粒物传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、AQS传感器、压力传感器电气。本发明的锂电池热失控预警复合传感器，通过改进传感器装置的结构构造，利用设置于传感器内部单片机控制器有效判断是否发生热失控，实现颗粒物，二氧化碳、甲烷、温度、AQS、压力组合监测，使得融合结合多个物理传感器的数据，可以提高监测速度，有助于减少感知过程中的不确定性，减少误报率。

Description

一种锂电池热失控预警复合传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种锂电池热失控预警复合传感器。

背景技术

随着新能源汽车的推广，电池的应用越来越广泛，其中锂离子电池具有能量密度高的特点，但其电极电势最负，锂是包括放射性元素的已知元素中金属活动性最强的，所以锂离子电池因为其物理和化学性质，有着其他电池无法比拟的优势，同时也存在不小的安全隐患。在使用过程中，需要提防热失控现象的出现。热失控现象及其强度，与电池的大小、配置和电池单元的数量有关。导致的原因可能是过充电、过放电、短路、高温、挤压、碰撞等。这个传播过程是极其迅速的，热失控极易引发的电池包起火，甚至爆炸、自然，直接威胁到了人员的生命安全。2021年1月1日，我国正式实施了三项强制性国家标准GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，来进一步规范电动汽车的安全标准。其中增加了电池系统热事件报警信号及电池系统热扩散试验的标准，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。

目前一般的监测方式有电压、烟雾、温度、压力，膨胀力。其中，利用压力监测方式相对成熟。因为在热失控过程中，压力信号特征非常明显。当有单节电池发生热失控时，伴随着温度上升，温度喷发，整个电池包内压力会急剧升高，当包内压力大于外界压力到一定值时，电池包防爆阀会瞬间打开，释放内部压力，防止严重的爆炸事故发生。但目前现有方案，压力传感器均布置在电池包防爆阀附近，当发生电芯热失控时，最开始发生热失控的电芯是随机的，布置的传感器过远会影响监测的速度，且误差较大，精度不高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种锂电池热失控预警复合传感器，通过改进锂电池热失控预警复合传感器的结构构造，通过组合检测提高了检测速度。

本发明所采用的技术方案是：

一种锂电池热失控预警复合传感器，包括上盖、传感器模块以及下盖，所述上盖和下盖装配连接后为一个主体，所述传感器模块设于所述主体的内部；所述传感器模块包括PCB电路板，所述PCB电路板的一面上设置有颗粒物传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、温度传感器以及AQS传感器，所述PCB电路板的另一面上设置有压力传感器、单片机控制器；所述单片机控制器分别于所述颗粒物传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、AQS传感器、压力传感器电气。

在一些实施例中，所述上盖上开设有第一气孔和第二气孔。

在一些实施例中，所述下盖上开设有第三气孔和第四气孔。

在一些实施例中，所述传感器模块还包括接口，所述接口设于所述PCB电路板的一端。

在一些实施例中，所述颗粒物传感器包括光电二极管以及光电接收器，所述光电二极管和光电接收器之间装设有第一透镜和第二透镜。

在一些实施例中，所述颗粒物传感器还包括第一遮光板，所述第一遮光板与所述光电二极管对应设置。

在一些实施例中，所述颗粒物传感器还包括第二遮光板，所述第二遮光板与所述光电接收器对应设置。

在一些实施例中，所述甲烷传感器模块为半导体化合物气体传感器或热电堆气体传感器或热释电气体传感器或光声光谱气体传感器。

在一些实施例中，所述温度传感器为NTC传感器或热电堆传感器或热释电传感器。

在一些实施例中，所述PCB电路板上开设有对位孔，所述对位孔与所述第四气孔对应设置。

与现有技术相比，本发明的锂电池热失控预警复合传感器，通过改进传感器装置的结构构造，利用设置于传感器内部单片机控制器有效判断是否发生热失控，实现颗粒物，二氧化碳、甲烷、温度、AQS、压力组合监测，使得融合结合多个物理传感器的数据，可以提高监测速度，有助于减少感知过程中的不确定性，减少误报率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对本申请实施方式中所需要使用的附图进行说明。

图1是本发明实施例提供的一种锂电池热失控预警复合传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种锂电池热失控预警复合传感器的爆炸图；

图3是本发明实施例提供的一种锂电池热失控预警复合传感器中的传感器模块结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种锂电池热失控预警复合传感器中的传感器模块另一结构示意图。

附图标记：

1、上盖；101、第一气孔；102、第二气孔；2、PCB电路板；201、光电二极管；202、第一透镜；203、第二透镜；204、光电接收器；205、第一遮光板；206、第二遮光板；207、二氧化碳传感器；208、甲烷传感器；209、温度传感器；210、接口；211、AQS传感器；212、压力传感器；213、单片机控制器；214、对位孔；3、下盖；301、第三气孔；302、第四气孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中的“第一”、“第二”等术语，仅为区别相关技术特征，不表示先后顺序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。

电动车电池包发生热失控，其单颗电芯内部会产生大量的热量和气体，在密封的电池包空间内，随着热量和大量逸出的气体不断累积，内部压力随之不断增加，最终导致电池包外壳破裂，大量的热量和气体随之迸发出来，相邻的电芯也会被迅速感染，相继出现热失控。这个传播过程是极其迅速，热失控极易引发的电池包起火，甚至爆炸，直接威胁到了人员的生命安全。解决锂电池的安全问题，可对汽车的安全性有非常大的提升，确保在危险发生之前提供可靠的报警信号。一般的监测方式有电压、烟雾、温度、压力。其中，利用压力监测方式相对成熟。因为在热失控过程中，压力信号特征非常明显。当有单节电池发生热失控时，伴随着温度上升，气体喷发，整个电池包内压力会急剧升高，当包内压力大于外界压力到一定值时，电池包防爆阀会瞬间打开，释放内部压力，防止严重的爆炸事故发生。

现有的监测方式有电压、烟雾、温度、压力，膨胀力。其中，利用压力监测方式相对成熟。因为在热失控过程中，压力信号特征非常明显。当有单节电池发生热失控时，伴随着温度上升，气体喷发，整个电池包内压力会急剧升高，当包内压力大于外界压力到一定值时，电池包防爆阀会瞬间打开，释放内部压力，防止严重的爆炸事故发生。但目前现有方案，压力传感器均布置在电池包防爆阀附近，当发生电芯热失控时，最开始出现热失控的电芯是随机的，布置的传感器过远会影响监测的速度，且误差较大，精度不高。并且，单一监测原理，存在误报的风险，且容易受到环境的干扰。

本发明具体实施方式旨在解决以上问题中的一个或者多个。

实施例

本发明实施例提供一种锂电池热失控预警复合传感器，如图1-4所示，包括上盖1、传感器模块以及下盖3，上盖1和下盖3装配连接后为一个主体，传感器模块设于主体的内部；传感器模块包括PCB电路板2，PCB电路板2的一面上设置有颗粒物传感器、二氧化碳传感器207、甲烷传感器208、温度传感器209以及AQS传感器211，PCB电路板2的另一面上设置有压力传感器212、单片机控制器213；单片机控制器213分别于颗粒物传感器、二氧化碳传感器207、温度传感器209、AQS传感器211、压力传感器212电气。上盖1和下盖3主要起到保护传感器内部结构的功能，同时和所使用的电芯型号相匹配。传感器模块主要分为两部分，颗粒物传感器模块、传感器电路模块；颗粒物传感器模块可以根据监测电池包内的颗粒物浓度变化，传感器电路模块可以检测电池组内的压力、温度变化，通过单片机控制器213内置算法判断颗粒物浓度，二氧化碳、甲烷、温度、AQS、压力变化情况，一旦触发预先设定的条件，就会通过中断向外部BMS(Battery Management System，中文：电池管理系统)给出报警信号。

传感器整体结构应与所使用的电芯型号尺寸相匹配。

在本实施例中，上盖1上开设有第一气孔101和第二气孔102，下盖3上开设有第三气孔301和第四气孔302。其中，第三气孔301可以是压力传感器212的气压孔，第四气孔302可以是颗粒物对流气孔。

这样，粒物传感器模块位于传感器模块的内部，处于传感器模块电路板上面，且上盖1或下盖3上有气孔与传感器相通。

进一步地，二氧化碳传感器207模块位于传感器模块的内部，处于传感器模块电路板上面，且上盖1或下盖3上有气孔与传感器相通。

进一步地，甲烷传感器208模块位于传感器模块的内部，处于传感器模块电路板上面，且上盖1或下盖3上有气孔与传感器相通。

进一步地，温度传感器209模块位于传感器模块的内部，处于传感器模块电路板背面，且有设置为孤岛PCB板模式减少其他环境条件对传感器干扰。

进一步地，温度传感器209模块位于传感器模块的内部，处于传感器模块电路板上面，且外壳上有气孔与传感器相通。

进一步地，压力传感器212模块位于传感器模块的内部，处于传感器模块电路板背面，且上盖1或下盖3上有气孔与传感器相通。

更为具体的，二氧化碳传感器207模块中的气体传感器原理结构具有多样性，可以为半导体化合物气体传感器、热电堆气体传感器、热释电气体传感器、光声光谱气体传感器。

更为具体的，甲烷传感器208模块中的气体传感器原理结构具有多样性，可以为半导体化合物气体传感器、热电堆气体传感器、热释电气体传感器、光声光谱气体传感器。

更为具体的，AQS传感器211模块中的气体传感器原理结构具有多样性，可以为半导体化合物气体传感器、热电堆气体传感器、热释电气体传感器、光声光谱气体传感器。

更为具体的，压力传感器212模块中的压力传感器212原理结构具有多样性，可以为压阻式压力传感器212、电容式压力传感器212、谐振式压力传感器212。

更为具体的，的信号接口210为便于BMS系统通讯的接口210连接方式。

本实施例中，传感器模块还包括接口210，接口210设于PCB电路板2的一端，接口210主要是用来传输数据及给传感器模块供电。

在本实施例中，颗粒物传感器包括光电二极管201以及光电接收器204，光电二极管201和光电接收器204之间装设有第一透镜202和第二透镜203。

在本实施例中，颗粒物传感器还包括第一遮光板205，第一遮光板205与光电二极管201对应设置。

在本实施例中，颗粒物传感器还包括第二遮光板206，第二遮光板206与光电接收器204对应设置。这样，通过光路散射原理检测粒子浓度变化，用于实时监测电池组内部颗粒物浓度的变化，将监测到的颗粒物浓度数值发送给单片机控制器213。

二氧化碳传感器207用于实时监测电池组内部二氧化碳浓度的变化，将监测到的浓度数值发送给单片机控制器213；甲烷传感器208用于实时监测电池组内部甲烷浓度的变化，将监测到的浓度数值发送给单片机控制器213；温度传感器209用于实时监测电池组内部温度的变化，将监测到的温度数值发送给单片机控制器213、AQS传感器211用于实时监测电池逸散数来的气体浓度的变化，将监测到的浓度数值发送给单片机控制器213、压力传感器212用于实时监测电池组内部压力的变化，将监测到的压力数值发送给单片机控制器213；单片机控制器213依靠内部的算法来判断是否发生热失控；接口210与外部BMS进行通讯及供电连接。

在本实施例中，甲烷传感器208模块为半导体化合物气体传感器或热电堆气体传感器或热释电气体传感器或光声光谱气体传感器。

在本实施例中，温度传感器209为NTC传感器或热电堆传感器或热释电传感器。

在本实施例中，PCB电路板2上开设有对位孔214，对位孔214与第四气孔302对应设置。

上盖1和下盖3的形状结构尺寸不局限单一尺寸，还可以变化成其他尺寸结构。

温度传感器209可以为NTC温度传感器209，也可以为通过信号处理电路补偿后的温度传感器209模组。

压力传感器212可以为集成调理芯片的压力传感器212，也可以为通过信号处理电路补偿后的数字传感器模组。；

接口210，不局限于六芯端口，也可以为四芯。

传感器通讯模式不唯一，可以兼容市面上主流通讯协议，例如CAN、Lin、PWM。

二氧化碳传感器207模块中的气体传感器原理结构具有多样性，可以为半导体化合物气体传感器、热电堆气体传感器、热释电气体传感器、光声光谱气体传感器。

甲烷传感器208模块中的气体传感器原理结构具有多样性，可以为半导体化合物气体传感器、热电堆气体传感器、热释电气体传感器、光声光谱气体传感器。

温度传感器209模块中的温度传感器209原理结构具有多样性，可以为NTC温度传感器209、热电堆温度传感器209、热释电温度传感器209。

AQS传感器211模块中的气体传感器原理结构具有多样性，可以为半导体化合物气体传感器、热电堆气体传感器、热释电气体传感器、光声光谱气体传感器。

压力传感器212模块中的压力传感器212原理结构具有多样性，可以为压阻式压力传感器212、电容式压力传感器212、谐振式压力传感器212。

当发生热失控时，电芯温度骤升，内部发生气体逸散，有烟雾产生，同时导致电池组内部压力会急剧增加，位于电池包内部的多合一传感器可以快速监测电池组温度升高、气体浓度变化以及压力异变，依靠单片机控制器内部算法判断是否发生热失控，利用多次热失控实验测试数据，采用深度学习的方式训练单片机控制器，使得融合结合多个物理传感器的数据，有助于减少感知过程中的不确定性，减少误报率，一旦触发前期预设的程序条件，就会向BMS给出报警信号，对组内单节电池热失控进行及时有效的监控。

颗粒物，二氧化碳，甲烷，温度，AQS，压力组合监测，可以提高相应的监测速度；

通过设计一种六合一的多方面监测传感器，利用传感器内部单片机控制器的算法有效判断是否发生热失控。

利用多次热失控实验测试数据，采用深度学习的方式训练单片机控制器，使得融合结合多个物理传感器的数据，有助于减少感知过程中的不确定性，减少误报率。

与现有技术相比，本发明的锂电池热失控预警复合传感器，通过改进传感器装置的结构构造，利用设置于传感器内部单片机控制器有效判断是否发生热失控，实现颗粒物，二氧化碳、甲烷、温度、AQS、压力组合监测，使得融合结合多个物理传感器的数据，可以提高监测速度，有助于减少感知过程中的不确定性，减少误报率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，包括上盖(1)、传感器模块以及下盖(3)，所述上盖(1)和下盖(3)装配连接后为一个主体，所述传感器模块设于所述主体的内部；

所述传感器模块包括PCB电路板(2)，所述PCB电路板(2)的一面上设置有颗粒物传感器、二氧化碳传感器(207)、甲烷传感器(208)、温度传感器(209)以及AQS传感器(211)，所述PCB电路板(2)的另一面上设置有压力传感器(212)、单片机控制器(213)；所述单片机控制器(213)分别于所述颗粒物传感器、二氧化碳传感器(207)、温度传感器(209)、AQS传感器(211)、压力传感器(212)电气。

2.根据权利要求1所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述上盖(1)上开设有第一气孔(101)和第二气孔(102)。

3.根据权利要求1所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述下盖(3)上开设有第三气孔(301)和第四气孔(302)。

4.根据权利要求1所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述传感器模块还包括接口(210)，所述接口(210)设于所述PCB电路板(2)的一端。

5.根据权利要求1-4任一项所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述颗粒物传感器包括光电二极管(201)以及光电接收器(204)，所述光电二极管(201)和光电接收器(204)之间装设有第一透镜(202)和第二透镜(203)。

6.根据权利要求5所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述颗粒物传感器还包括第一遮光板(205)，所述第一遮光板(205)与所述光电二极管(201)对应设置。

7.根据权利要求6所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述颗粒物传感器还包括第二遮光板(206)，所述第二遮光板(206)与所述光电接收器(204)对应设置。

8.根据权利要求1-4任一项所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述甲烷传感器(208)模块为半导体化合物气体传感器或热电堆气体传感器或热释电气体传感器或光声光谱气体传感器。

9.根据权利要求1-4任一项所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述温度传感器(209)为NTC传感器或热电堆传感器或热释电传感器。

10.根据权利要求3所述的锂电池热失控预警复合传感器，其特征在于，所述PCB电路板(2)上开设有对位孔(214)，所述对位孔(214)与所述第四气孔(302)对应设置。

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