CN116885310A - 一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统 - Google Patents

一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，包括动力电池包、电池管理系统BMS、烟雾传感器、压力传感器、单体电压监测电路、动力电池模组、温度传感器、电流传感器、电池组电压监测电路、充放电保护装置、电池正极、电池负极和低压电路接口，本发明涉及电动自行车技术领域。该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，通过采用锂离子动力电池管理系统(BMS)在监测锂离子电池电压、电流和温度等参数的基础上，在电池包内部增加了压力传感器和烟雾传感器，即该系统实现了通过电池电压、电流、温度、压力和烟雾度等参数综合判定热失控的功能，本发明提出的方案能在各种使用场景下对锂离子动力电池的热失控进行监控和预测。

Description

一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统
技术领域
本发明涉及电动自行车技术领域，具体为一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统。
背景技术
电动自行车具有轻便、省力、购置和使用成本低、零排放、不需要驾驶证等优点，已成为广受老百姓欢迎的的出行交通工具，截至2021年，我国电动自行车年产量达到3000万辆，保有量达到3亿辆。其中有很多电动自行车都采用了锂离子动力电池，其单次充电的续驶里程相对于铅酸电池显著延长，从而使得电动自行车的使用便利性更加突出。但与采用锂离子动力电池的纯电动汽车一样，锂离子动力电池的安全性一直是电动自行车使用者最关心的问题，每年全国发生电动自行车着火事故多达数千起，由电动自行车火灾造成的人员伤亡和财产损失逐年上升。
造成电动自行车火灾的主要原因是其锂离子动力电池发生热失控所引起的，热失控是指锂离子电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象，而当一个电池单体产生热失控后，会迅速引发其余电池单体接连发生热失控，其结果往往导致动力电池及电动自行车产生着火和爆炸事故。产生热失控的主要因素有电芯制造瑕疵、不当充电、热滥用、机械滥用和电气滥用等，尽管锂离子动力电池系统一般带有电池管理系统(BMS)，但对主要通过监测电压和温度的常规电池管理系统(BMS)来说，很难对所有场景的热失控都能进行有效的预测和监控，而准确预测到可能发生的热失控就可以提前发出报警信息，有助于减少对人员的伤害和降低财产损失。在国标GB38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中明确要求：“电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5min,应提供一个热事件报警信号。”，虽然电动自行车没有封闭的乘员舱，但在热失控发生之前提前发出报警肯定能最大限度地减少事故导致的损失。
本发明提出了一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，该系统能在电动自行车所有使用场景下实现对电动自行车锂离子动力电池热失控的安全监控，从而提高电动自行车的使用安全性。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，通过采用锂离子动力电池管理系统(BMS)在监测锂离子电池电压、电流和温度等参数的基础上，在电池包内部增加了压力传感器和烟雾传感器，即该系统实现了通过电池电压、电流、温度、压力和烟雾度等参数综合判定热失控的功能，相对于只监测电参数和热参数的传统方法，本发明提出的方案能在各种使用场景下对锂离子动力电池的热失控进行监控和预测，从而提高了电动自行车的安全性。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，包括动力电池包、电池管理系统BMS、烟雾传感器、压力传感器、单体电压监测电路、动力电池模组、温度传感器、电流传感器、电池组电压监测电路、充放电保护装置、电池正极、电池负极和低压电路接口，其中烟雾传感器、压力传感器、单体电压监测电路、温度传感器、电流传感器、电池组电压监测电路和充放电保护装置均与电池管理系统BMS通过电路连接在一起，所述电池管理系统BMS通过低压电路接口实现与动力电池包外部的电动自行车低压电路连接；
所述单体电压监测电路用于监测每个单体电池的端电压参数Ui，其中i＝1、2、3…n，且电池管理系统BMS用于根据烟雾度参数、气体压力参数、端电压参数、温度参数、电流参数和电压参数并结合BMS控制策略来保证动力电池组的正常工作和动力电池热失控监控的安全保护；
该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统的工作方式包括行驶场景、充电场景和停车场景。
优选的，所述电池组电压监测电路用于监测电池组电压参数，且充放电保护用来接合和切断电池组正负极与外界电路的连接。
优选的，所述电流传感器用于监测电池组的电流参数。
优选的，所述温度传感器用于监测电池单体的温度参数，且温度传感器至少为一个。
优选的，所述烟雾传感器用于监测动力电池包内部的烟雾度参数，且压力传感器用于监测动力电池包内部的气体压力参数。
优选的，当该系统的工作方式为行驶场景时，电池管理系统BMS通过以下信号参数来判断是否发生热失控：
温度参数T和温度对时间的变化率dT/dt；
单体电压Ui(i＝1、2、3…n)和单体电压对时间的变化率dUi/dt；
电池组电压U总和电流I总；
烟雾传感器的信号；
压力传感器的信号；
通过对上述多信号参数的融合处理和分析，当达到电池热失控判断策略的阈值时，电池管理系统BMS将立即通过充放电保护装置断开锂离子动力电池主回路，即断开电池正极和电池负极，并立即发出热失控警报信号，通过低压电路接口以声、光信号警示骑行人员，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS还会将发生热失控时刻的系统详细数据上传监控平台，以备后续事故调查。
优选的，当该系统的工作方式为充电场景时，电动自行车充电场景通常处于无人值守状态，电池管理系统BMS将主要通过以下信号参数来判断是否发生热失控：
温度参数T和温度对时间的变化率dT/dt；
单体电压Ui(i＝1、2、3…n)和单体电压对时间的变化率dUi/dt；
电池组电压U总和电流I总；
烟雾传感器的信号；
压力传感器的信号；
通过对上述多信号参数的融合处理和分析，当达到电池热失控判断策略的阈值时，电池管理系统BMS将立即通过充放电保护装置断开锂离子动力电池主回路，即断开电池正极和电池负极，切断与充电器的电连接，并立即通过低压电路接口以声、光信号向周围人员发出热失控警示，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS还会将发生热失控时刻的系统详细参数上传监控平台，并通知自行车车主。
优选的，当该系统的工作方式为停车场景时，停车场景通常处于无人值守状态，此时电池管理系统BMS将进入休眠状态以节省电能，此时通过以下信号参数来判断是否发生热失控并立即唤醒电池管理系统BMS：
烟雾传感器信号；
压力传感器信号；
由于烟雾传感器和压力传感器的功耗极低，因此不会导致过多的电能消耗，一旦由于电池发生热失控，电池包内热失控的电芯排出的大量烟雾和喷射气体将触发烟雾传感器和压力传感器的信号产生突变，进而立即唤醒电池管理系统BMS，并立即通过低压电路接口以声、光信号向周围人员发出热失控警示，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS还会将发生热失控时刻的系统详细参数上传监控平台，并通知自行车车主。
(三)有益效果
本发明提供了一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统。与现有技术相比具备以下有益效果：
(1)、该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，除了监控锂离子单体电池电压、电池组电压、电池组电流、电池温度等电、热参数之外，还增加了对电池包内烟雾度和气体压力等物理参数的监测，在此基础上，系统还通过多传感器参数融合处理分析和热失控判断策略，总而显著提高了电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统工作的准确性、可靠性和全场景性。
(2)、该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，在行驶场景和充电场景下，电池管理系统将以全参数监控的方式来实现对锂离子动力电池热失控事件的监控，并在热失控事件发生后实现快速切断电池主回路、声光报警和事故数据上传等功能。由于热失控监控是基于电参数、热参数、烟雾度和压力参数多维度物理参数进行的，因此有利于保证热失控监控系统工作的准确性和可靠性，并减少误报警。
(3)、该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，在停车场景下，由于常规的电池管理系统为了节能会进入休眠状态，此场景下的热失控监控往往处于盲区。本系统提出了结合低功耗的烟雾度传感器和压力传感器来实现停车场景下对锂离子动力电池热失控事件的监控，利用热失控电芯放出的大量烟雾和喷射气体导致压力升高来触发低功耗的烟雾度传感器和压力传感器，进而唤醒电池管理系统进行声光报警和事故现场数据上传，从而解决了停车场景下锂离子动力电池热失控监控的难题。
(4)、该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，适用于采用锂离子动力电池的电动自行车，本系统对改善和提高采用锂离子动力电池的电动自行车的使用安全性具有重要的工程实际应用价值。
附图说明
图1为本发明的工作原理图。
图中，1—动力电池包；2—烟雾传感器；3—电池管理系统BMS；4—压力传感器；5—单体电压监测电路；6—动力电池模组；7—温度传感器；8—电流传感器；9—电池组电压监测电路；10—充放电保护装置；11—电池正极；12—电池负极；13—低压电路接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供三种技术方案：一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，具体包括以下实施例：
实施例1
一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，包括动力电池包1、电池管理系统BMS3、烟雾传感器2、压力传感器4、单体电压监测电路5、动力电池模组6、温度传感器7、电流传感器8、电池组电压监测电路9、充放电保护装置10、电池正极11、电池负极12和低压电路接口13，其中烟雾传感器2、压力传感器4、单体电压监测电路5、温度传感器7、电流传感器8、电池组电压监测电路9和充放电保护装置10均与电池管理系统BMS3通过电路连接在一起，电池管理系统BMS3通过低压电路接口13实现与动力电池包1外部的电动自行车低压电路连接；
单体电压监测电路5用于监测每个单体电池的端电压参数Ui，其中i＝1、2、3…n，且电池管理系统BMS3用于根据烟雾度参数、气体压力参数、端电压参数、温度参数、电流参数和电压参数并结合BMS控制策略来保证动力电池组的正常工作和动力电池热失控监控的安全保护；
该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统的工作方式包括行驶场景、充电场景和停车场景。
本发明实施例中，电池组电压监测电路9用于监测电池组电压参数，且充放电保护10用来接合和切断电池组正负极与外界电路的连接。
本发明实施例中，电流传感器8用于监测电池组的电流参数。
本发明实施例中，温度传感器7用于监测电池单体的温度参数，且温度传感器7至少为一个，其可以根据需要设置多个。
本发明实施例中，烟雾传感器2用于监测动力电池包1内部的烟雾度参数，且压力传感器4用于监测动力电池包1内部的气体压力参数。
本发明实施例中，当该系统的工作方式为行驶场景时，电池管理系统BMS3通过以下信号参数来判断是否发生热失控：
温度参数T和温度对时间的变化率dT/dt；
单体电压Ui(i＝1、2、3…n)和单体电压对时间的变化率dUi/dt；
电池组电压U总和电流I总；
烟雾传感器2的信号；
压力传感器3的信号；
通过对上述多信号参数的融合处理和分析，当达到电池热失控判断策略的阈值时，电池管理系统BMS3将立即通过充放电保护装置10断开锂离子动力电池主回路，即断开电池正极11和电池负极12，并立即发出热失控警报信号，通过低压电路接口13以声、光信号警示骑行人员，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS3还会将发生热失控时刻的系统详细数据上传监控平台，以备后续事故调查。
实施例2
本发明实施例中，本发明区别于实施例1的技术方案在于：当该系统的工作方式为充电场景时，电动自行车充电场景通常处于无人值守状态，电池管理系统BMS3将主要通过以下信号参数来判断是否发生热失控：
温度参数T和温度对时间的变化率dT/dt；
单体电压Ui(i＝1、2、3…n)和单体电压对时间的变化率dUi/dt；
电池组电压U总和电流I总；
烟雾传感器2的信号；
压力传感器3的信号；
通过对上述多信号参数的融合处理和分析，当达到电池热失控判断策略的阈值时，电池管理系统BMS3将立即通过充放电保护装置10断开锂离子动力电池主回路，即断开电池正极11和电池负极12，切断与充电器的电连接，并立即通过低压电路接口13以声、光信号向周围人员发出热失控警示，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS3还会将发生热失控时刻的系统详细参数上传监控平台，并通知自行车车主。
实施例3
本发明实施例中，本发明区别于实施例1的技术方案在于：当该系统的工作方式为停车场景时，停车场景通常处于无人值守状态，此时电池管理系统BMS3将进入休眠状态以节省电能，此时通过以下信号参数来判断是否发生热失控并立即唤醒电池管理系统BMS3：
烟雾传感器信号；
压力传感器信号；
由于烟雾传感器2和压力传感器4的功耗极低，因此不会导致过多的电能消耗，一旦由于电池发生热失控，电池包内热失控的电芯排出的大量烟雾和喷射气体将触发烟雾传感器2和压力传感器4的信号产生突变，进而立即唤醒电池管理系统BMS3，并立即通过低压电路接口13以声、光信号向周围人员发出热失控警示，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS3还会将发生热失控时刻的系统详细参数上传监控平台，并通知自行车车主。
本发明除了监控锂离子单体电池电压、电池组电压、电池组电流、电池温度等电、热参数之外，还增加了对电池包内烟雾度和气体压力等物理参数的监测，在此基础上，系统通过多传感器参数融合处理分析和热失控判断策略，从而提高了电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统工作的准确性、可靠性和全场景性。
本系统显著提高了在行驶场景和充电场景下锂离子动力电池热失控监控的准确性和可靠性，由于在行驶场景和充电场景下电池管理系统是以全参数监控的方式来实现对锂离子动力电池热失控事件的监控，并在热失控事件发生后实现快速切断电池主回路、发出声光报警和事故数据上传等功能，其特征在于热失控的监控是基于电参数、热参数、烟雾度和压力参数多维度物理参数融合方式进行的，因此提高了热失控监控系统工作的准确性和可靠性，并减少误报警。
本系统解决了在停车场景下以低功耗方式实现锂离子动力电池热失控监控的难题，其特征在于，系统结合了低功耗的烟雾度传感器和压力传感器来实现停车场景下对锂离子动力电池热失控事件的监控，利用热失控电芯放出的大量烟雾和喷射气体导致压力升高来触发低功耗的烟雾度传感器和压力传感器，进而唤醒休眠的电池管理系统进行声光报警和事故现场数据上传，从而解决了停车场景下电动自行车锂离子动力电池热失控监控的难题。而其他未采用本系统的电动自行车在停车场景下往往为了节能会使电池管理系统进入休眠状态，导致该场景下的锂离子电池的热失控监控处于盲区。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：包括动力电池包(1)、电池管理系统BMS(3)、烟雾传感器(2)、压力传感器(4)、单体电压监测电路(5)、动力电池模组(6)、温度传感器(7)、电流传感器(8)、电池组电压监测电路(9)、充放电保护装置(10)、电池正极(11)、电池负极(12)和低压电路接口(13)，其中烟雾传感器(2)、压力传感器(4)、单体电压监测电路(5)、温度传感器(7)、电流传感器(8)、电池组电压监测电路(9)和充放电保护装置(10)均与电池管理系统BMS(3)通过电路连接在一起，所述电池管理系统BMS(3)通过低压电路接口(13)实现与动力电池包(1)外部的电动自行车低压电路连接；
所述单体电压监测电路(5)用于监测每个单体电池的端电压参数Ui，其中i＝1、2、3…n，且电池管理系统BMS(3)用于根据烟雾度参数、气体压力参数、端电压参数、温度参数、电流参数和电压参数并结合BMS控制策略来保证动力电池组的正常工作和动力电池热失控监控的安全保护；
该电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统的工作方式包括行驶场景、充电场景和停车场景。
2.根据权利要求1所述的一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：所述电池组电压监测电路(9)用于监测电池组电压参数，且充放电保护(10)用来接合和切断电池组正负极与外界电路的连接。
3.根据权利要求1所述的一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：所述电流传感器(8)用于监测电池组的电流参数。
4.根据权利要求1所述的一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：所述温度传感器(7)用于监测电池单体的温度参数，且温度传感器(7)至少为一个。
5.根据权利要求1所述的一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：所述烟雾传感器(2)用于监测动力电池包(1)内部的烟雾度参数，且压力传感器(4)用于监测动力电池包(1)内部的气体压力参数。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：当该系统的工作方式为行驶场景时，电池管理系统BMS(3)通过以下信号参数来判断是否发生热失控：
温度参数T和温度对时间的变化率dT/dt；
单体电压Ui(i＝1、2、3…n)和单体电压对时间的变化率dUi/dt；
电池组电压U总和电流I总；
烟雾传感器(2)的信号；
压力传感器(3)的信号；
通过对上述多信号参数的融合处理和分析，当达到电池热失控判断策略的阈值时，电池管理系统BMS(3)将立即通过充放电保护装置(10)断开锂离子动力电池主回路，即断开电池正极(11)和电池负极(12)，并立即发出热失控警报信号，通过低压电路接口(13)以声、光信号警示骑行人员，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS(3)还会将发生热失控时刻的系统详细数据上传监控平台，以备后续事故调查。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：当该系统的工作方式为充电场景时，电动自行车充电场景通常处于无人值守状态，电池管理系统BMS(3)将主要通过以下信号参数来判断是否发生热失控：
温度参数T和温度对时间的变化率dT/dt；
单体电压Ui(i＝1、2、3…n)和单体电压对时间的变化率dUi/dt；
电池组电压U总和电流I总；
烟雾传感器(2)的信号；
压力传感器(3)的信号；
通过对上述多信号参数的融合处理和分析，当达到电池热失控判断策略的阈值时，电池管理系统BMS(3)将立即通过充放电保护装置(10)断开锂离子动力电池主回路，即断开电池正极(11)和电池负极(12)，切断与充电器的电连接，并立即通过低压电路接口(13)以声、光信号向周围人员发出热失控警示，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS(3)还会将发生热失控时刻的系统详细参数上传监控平台，并通知自行车车主。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种电动自行车锂离子动力电池热失控监控系统，其特征在于：当该系统的工作方式为停车场景时，停车场景通常处于无人值守状态，此时电池管理系统BMS(3)将进入休眠状态以节省电能，此时通过以下信号参数来判断是否发生热失控并立即唤醒电池管理系统BMS(3)：
烟雾传感器信号；
压力传感器信号；
由于烟雾传感器(2)和压力传感器(4)的功耗极低，因此不会导致过多的电能消耗，一旦由于电池发生热失控，电池包内热失控的电芯排出的大量烟雾和喷射气体将触发烟雾传感器(2)和压力传感器(4)的信号产生突变，进而立即唤醒电池管理系统BMS(3)，并立即通过低压电路接口(13)以声、光信号向周围人员发出热失控警示，对具备远程运行数据监控功能的系统，电池管理系统BMS(3)还会将发生热失控时刻的系统详细参数上传监控平台，并通知自行车车主。
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