CN117175045B - 一种基于光谱的电池箱热失控探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱的电池箱热失控探测装置，包括：壳体，壳体内安装有水平布置的隔板，隔板将壳体内部隔成由上到下依次布置的第一腔室和第二腔室；第一腔室的侧壁、顶壁和底壁均为黑色光滑壁面，第一腔室的侧壁和顶壁上均开设有透气孔，且第一腔室的顶壁和底壁之间形成探测区域；隔板上安装有用于向探测区域发射探测光的发光二极管和用于接收探测区域返回的探测光并将返回的探测光转换成电信号的光电二极管；第二腔室内安装有控制器，控制器分别与发光二极管和光电二极管电连接。本发明在舍去了传统迷宫罩以减小体积的同时能够使探测光根据原有的设计角度进行反射，方便探测光对电池箱产生的带颗粒的气体进行实时精准的探测。
Description
技术领域
本发明涉及储能系统热失控检测技术领域，尤其涉及一种基于光谱的电池箱热失控探测装置。
背景技术
电池箱作为动力的基础和来源，是新能源技术重要的组成部分。在电池箱使用过程中，由于电池内部化学反应，当工作过程中出现异常情况时，如过充、过放、短路等，会导致电池温度升高，甚至引起热失控。因此，对于电池箱的安全使用和热失控探测等相关技术的研究迫在眉睫。
光电烟雾探测器是电池箱常用的热失控探测设备，但传统的光电式烟雾探测器需要一个庞大的迷宫罩覆盖在光学装置上，体积较大，即便想要安装到电池箱内，也没有足够空间进行安装；而且传统的光电式烟雾探测器在灰尘、水汽等颗粒物进入到烟感探测器后会产生误报警，探测结果准确性低，有漏报或者误报风险。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于光谱的电池箱热失控探测装置。
本发明提出的一种基于光谱的电池箱热失控探测装置，包括：壳体，壳体内安装有水平布置的隔板，隔板将壳体内部隔成由上到下依次布置的第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室独立；第一腔室的侧壁、顶壁和底壁均为黑色光滑壁面，第一腔室的每个侧壁上均匀设有多组第一透气孔组，每组第一透气孔组包括多个呈行列布置的第一透气孔，第一腔室的顶壁外缘与每组第一透气孔组对应处设有第二透气孔组，每组第二透气孔组包括多个呈行列布置的第二透气孔，且第一腔室的顶壁的中部和底壁的中部之间形成探测区域；
隔板上安装有用于向探测区域发射探测光的发光二极管和用于接收探测区域返回的探测光并将返回的探测光转换成电信号的光电二极管；第二腔室内安装有控制器，控制器分别与发光二极管和光电二极管电连接，控制器用于根据电信号计算探测区域的颗粒浓度值。
优选地，第一腔室的每个侧壁上均匀开设有多个第一透气槽，第一腔室的顶壁外缘与每个第一透气槽对应处设有第二透气槽，且第一透气槽和第二透气槽连通，第一透气槽和第二透气槽内安装有L型的透气格栅，第一透气孔组的第一透气孔和对应的第二透气孔组的第二透气孔均为透气格栅上的格栅孔。
优选地，壳体为立方体结构或圆柱体结构。
优选地，第一透气孔和第二透气孔的直径均小于0.3 mm。
优选地，发光二极管的数量为多个，多个发光二极管具有不同的光谱；光电二极管的数量为多个，多个发光二极管和多个光电二极管一一对应构成用于探测气体颗粒浓度的光谱探测组件。
优选地，发光二极管的数量为2个，光电二极管的数量为2个，2个发光二极管分别为蓝色发光二极管和红色发光二极管，2个光电二极管的有效面积分别为0.4mm²和0.8mm²，且探测光的入射角范围为27.5°~67.5°，探测光的出射角范围为27.5°~67.5°。
优选地，控制器用于根据光电二极管转换成的电信号实时计算探测区域的颗粒浓度值，具体为：
控制器用于根据不同光电二极管转换成的电信号计算不同探测光的功率传输比PTR；
根据不同探测光的功率传输比PTR分别计算其转置矩阵和共轭矩阵；
根据不同探测光的功率传输比PTR、转置矩阵、共轭矩阵计算颗粒浓度值。
优选地，控制器内还预设有标准参数，标准参数包括不同探测光在不同遮蔽率下的PTR比值上升的斜率和对应标准中的遮光比；
控制器还用于根据标准参数和不同探测光的功率传输比PTR判断探测区域中的颗粒的类型；其中，颗粒的类型包括烟雾颗粒、灰尘、水汽和油雾中的一种或多种。
优选地，控制器内预设有软件报警策略，控制器还用于根据软件报警策略和颗粒浓度值输出不同热失控报警等级。
优选地，控制器中还预设有高斯滤波模块，高斯滤波模块用于对光电二极管转换成的电信号进行滤波。
本发明中，所提出的基于光谱的电池箱热失控探测装置，舍去了传统迷宫罩，通过设置了第一腔室的侧壁、顶壁和底壁均为黑色光滑壁面，第一透气孔组和第二透气孔组的设置能够使烟雾颗粒由第一腔室的周侧的各个方位以及其顶壁的周侧进入到位于中部的探测区域，有利于提高探测的一致性，减少了第一透气孔和第二透气孔透出的光对第一腔室的顶壁的中部和底壁的中部之间形成的探测区域的影响，使得探测光能够根据原有的设计角度进行反射，方便探测光对电池箱产生的带颗粒的气体进行实时精准地探测，也保留了壳体保护内部器件的功能，而且将控制器与探测区域位于两个独立的腔室内，探测区域的颗粒不会沉积在控制器等电器元件上，避免了颗粒长时间堆积在控制器等电器元件上带来的危害，如短路、接触不良或通风不良。本发明中的去迷宫设计不仅使装置体积显著减小，能够适应更多对体积有要求的场景，而且成本也明显降低。
附图说明
图1为本发明提出的一实施例中的基于光谱的电池箱热失控探测装置的剖面示意图（控制器未画出）。
图2为本发明提出的另一实施例中的基于光谱的电池箱热失控探测装置的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明提出的一种基于光谱的电池箱热失控探测装置，包括：壳体，壳体1内安装有水平布置的隔板2，隔板2将壳体1内部隔成由上到下依次布置的第一腔室11和第二腔室12，第一腔室11和第二腔室12独立；且壳体1的侧壁的内侧面与第一腔室11对应处、壳体1的顶壁的内侧面以及隔板2的顶面均为黑色光滑壁面，也就是说第一腔室11的侧壁、顶壁和底壁均为黑色光滑壁面；第一腔室11的每个侧壁上，即壳体1的侧壁与第一腔室11对应处均匀设有多组第一透气孔组，每组第一透气孔组包括多个呈行列布置的第一透气孔13，第一腔室11的顶壁，即壳体1的顶壁的外缘与每组第一透气孔组对应处设有第二透气孔组，每组第二透气孔组包括多个呈行列布置的第二透气孔14，且第一腔室11的顶壁的中部和底壁的中部之间形成探测区域；
隔板2上安装有用于向探测区域发射探测光的发光二极管和用于接收探测区域返回的探测光并将返回的探测光转换成电信号的光电二极管；
第二腔室12内安装有控制器，控制器分别与发光二极管和光电二极管电连接，控制器用于根据光电二极管转换成的电信号计算探测区域的颗粒浓度值。
本发明舍去了传统迷宫罩，通过设置了壳体1的侧壁的内侧面与第一腔室11对应处、壳体1的顶壁的内侧面以及隔板2的顶面均为黑色光滑壁面，能够在隔绝了外部环境光变化的影响的同时使探测光根据原有的设计角度进行反射，方便探测光对电池箱产生的带颗粒的气体进行实时精准的探测，也保留了壳体1保护内部器件的功能，而且将控制器与探测区域位于两个独立的腔室内，探测区域的颗粒不会沉积在控制器等电器元件上，避免了颗粒长时间堆积在控制器等电器元件上带来的危害，如短路、接触不良或通风不良。此外，第一透气孔组和第二透气孔组的设置能够使烟雾颗粒由第一腔室11的周侧的各个方位其顶壁的周侧进入到位于中部的探测区域，有利于提高探测的一致性，并减少第一透气孔和第二透气孔透出的光对探测区域的影响。
由此可知，本发明中的去迷宫设计在保证探测效果的同时不仅使装置体积显著减小，能够适应更多对体积有要求的场景，而且成本也明显降低。
在进一步地实施例中，探测区域位于第一腔室11的中部，以尽量减小透气孔13透出的光对探测的影响。
在本实施例中，发光二极管的数量为多个，多个发光二极管具有不同的光谱；光电二极管的数量为多个，多个发光二极管和多个光电二极管一一对应构成光谱探测组件。
本实施例中如此设置，通过多个具有不同的光谱光源的发光二极管向探测区域中发出不同的探测光，位于探测区域中的颗粒在具有不同的光谱光源的探测光的照射下发生光学现象得到不同光强的光，光电二极管接收探测区域返回的不同光强的光并将该光的光信号转换为电信号，控制器根据电信号计算出探测区域的颗粒浓度值。
需要知道的是，本实施例中的“多个”，包括2个及以上。
在进一步地具体实施例中，发光二极管的数量为2个，光电二极管的数量为2个，2个发光二极管分别为蓝色发光二极管和红色发光二极管，2个光电二极管的有效面积分别为0.4mm²和0.8mm²，且入射角范围为27.5°~67.5°，探测光的出射角范围为27.5°~67.5°。
如此设置，2个发光二极管和2个光电二极管组合成一块光散射角度高达85°范围的1.2mm²有效面积的紧凑光学装置。根据气体的光散射矩阵测量原理，在该角度范围内，测量的颗粒值与实际颗粒值最接近，同时最大程度能感应到微小的颗粒变化，可以区分不同类型的烟雾、灰尘和水蒸汽之间的颗粒大小，有效判别干扰源，减少误报率。
具体地，探测光的入射角为47.5°，探测光的出射角为47.5°。
在本实施例中，壳体1为立方体结构。
在另一个实施例中，壳体1为圆柱体结构，以使第一腔室11的周侧的所有方位均能探测到烟雾。
在进一步地实施例中，第一透气孔13和第二透气孔14的直径均小于0.3mm，能够隔离大部分异物侵入壳体1的内壁，从而避免影响探测。
如图2所示，在本实施例中，第一腔室11的每个侧壁上均匀开设有多个第一透气槽，第一腔室11的顶壁外缘与每个第一透气槽对应处设有第二透气槽，且第一透气槽和第二透气槽连通，连通的第一透气槽和第二透气槽内安装有L型的透气格栅，第一透气孔组的第一透气孔13和对应的第二透气孔组的第二透气孔14为透气格栅上的格栅孔。
如此设置，能够将L型的透气格栅直接安装在连通的第一透气槽和第二透气槽内，减少壳体1的加工步骤，而且方便根据需要更换具有不同孔径的格栅孔的透气格栅。
在本实施例中，控制器内预设有软件报警策略，控制器还用于根据软件报警策略和实时的颗粒浓度值输出不同热失控报警等级，以进行不同等级热失控报警。
当然，为了进行不同等级热失控报警，在进一步地实施例中，还包括报警器，控制器与报警器连接，报警器用于根据控制器输出的热失控报警等级进行报警。
在本实施例中，控制器用于根据光电二极管接收的探测光转换成的电信号实时计算探测区域的颗粒浓度值，具体为：
控制器用于根据不同光电二极管转换成的电信号计算不同探测光的功率传输比PTR；
根据不同探测光的功率传输比PTR分别计算其转置矩阵和共轭矩阵；
根据不同探测光的功率传输比PTR、转置矩阵、共轭矩阵计算实时的颗粒浓度值。
其中，光源的功率传输比PTR的计算式为
；
式中：为光源的功率传输比；/>为检测装置电流，单位为nA；/>为峰值光源电流；/>为监测装置响应度；/>为光源效率。
在其中一个具体地实施例中，当发光二极管的数量为2个，且2个发光二极管分别为蓝色发光二极管和红色发光二极管时，根据不同探测光的功率传输比PTR、转置矩阵、共轭矩阵计算实时的颗粒浓度值，具体为：
在短时间对探测光进行多次采集，分别计算不同探测光的多个PTR值，并分别对不同探测光的多个PTR值取平均值；
对不同探测光的PTR值的转置矩阵和共轭矩阵乘积求和，再减去红蓝光的比值差异，最终对干扰源PTR的平方根进行过滤，即可算出颗粒浓度值。
应当理解的是，干扰源的PTR值，即探测区域的初始PTR值，也就是没有烟雾颗粒通过时的探测区域的PTR值，以排除探测区域的背景干扰。
本实施例中的颗粒浓度值的计算式为
；
；
为蓝光的/>值；/>为蓝光的/>值的共轭矩阵，/>为蓝光的/>值的转置矩阵；/>为红光的PTR值；/>为红光的PTR值的共轭矩阵；/>为红光的PTR值的转置矩阵；为蓝光的初始PTR值；/>为蓝光的初始PTR值的共轭矩阵，/>为蓝光的初始PTR值的转置矩阵；/>为红光的采集数值，/>为蓝光的采集数值；/>为干扰源的PTR值。
需要知道的是，蓝光的值为由蓝光的多次采集数值计算得到的PTR值的平均值；红光的PTR值为由红光的多次采集数值计算得到的PTR值的平均值。在本实施例中，控制器内还预设有标准参数，标准参数包括不同探测光在不同遮蔽率下的PTR比值上升的斜率和对应标准中的遮光比；
控制器还用于根据标准参数和不同探测光的功率传输比PTR判断探测区域中的颗粒的类型；其中，颗粒的类型包括烟雾颗粒、灰尘、水汽和油雾中的一种或多种。
如此设置，能够确认颗粒物类型，可以及时确认颗粒物是否为烟雾颗粒，提高探测结果的准确性，避免漏报或者误报。
具体地，预先通过测量0.1~10um之间的不同尺寸和不同类型的颗粒的PTR值为模型，在不同尺寸和不同类型的颗粒通过探测区域时得到的不同PTR值，再通过软件算法进行过滤和判断，对比出颗粒的不同类型。
具体地，不同探测光在不同遮蔽率下的PTR比值上升的斜率和对应标准中的遮光比通过烟箱测试得到。
在实际使用中，由于热失控检测装置采集的数据存在其他的影响，所以读取出来的数据不能直接使用。为了解决这一问题，在本实施例中，控制器中还预设有高斯滤波模块，高斯滤波模块用于对光电二极管转换成的电信号进行滤波。
具体地，高斯滤波模块为线性滤波器。
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，包括：壳体（1），壳体（1）内安装有水平布置的隔板（2），隔板（2）将壳体（1）内部隔成由上到下依次布置的第一腔室（11）和第二腔室（12），第一腔室（11）和第二腔室（12）独立；第一腔室（11）的侧壁、顶壁和底壁均为黑色光滑壁面，第一腔室（11）的每个侧壁上均匀设有多组第一透气孔组，每组第一透气孔组包括多个呈行列布置的第一透气孔（13），第一腔室（11）的顶壁外缘与每组第一透气孔组对应处设有第二透气孔组，每组第二透气孔组包括多个呈行列布置的第二透气孔（14），且第一腔室（11）的顶壁的中部和底壁的中部之间形成探测区域；
隔板（2）上安装有用于向探测区域发射探测光的发光二极管和用于接收探测区域返回的探测光并将返回的探测光转换成电信号的光电二极管；第二腔室（12）内安装有控制器，控制器分别与发光二极管和光电二极管电连接，控制器用于根据电信号计算探测区域的颗粒浓度值；
其中，发光二极管的数量为2个，光电二极管的数量为2个，2个发光二极管和2个光电二极管一一对应地布置；2个发光二极管分别为蓝色发光二极管和红色发光二极管，2个光电二极管的有效面积分别为0.4mm²和0.8mm²，且探测光的入射角范围为27.5°~67.5°，探测光的出射角范围为27.5°~67.5°。
2.根据权利要求1所述的基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，
第一腔室（11）的每个侧壁上均匀开设有多个第一透气槽，第一腔室（11）的顶壁外缘与每个第一透气槽对应处设有第二透气槽，且第一透气槽和第二透气槽连通，第一透气槽和第二透气槽内安装有L型的透气格栅，第一透气孔组的第一透气孔（13）和对应的第二透气孔组的第二透气孔（14）均为透气格栅上的格栅孔。
3.根据权利要求1所述的基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，壳体（1）为立方体结构或圆柱体结构。
4.根据权利要求1所述的基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，第一透气孔（13）和第二透气孔（14）的直径均小于0.3 mm。
5.根据权利要求1所述的基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，控制器用于根据光电二极管转换成的电信号实时计算探测区域的颗粒浓度值，具体为：
控制器用于根据不同光电二极管转换成的电信号计算不同探测光的功率传输比PTR；
根据不同探测光的功率传输比PTR分别计算其转置矩阵和共轭矩阵；
根据不同探测光的功率传输比PTR、转置矩阵、共轭矩阵计算颗粒浓度值。
6.根据权利要求5所述的基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，控制器内还预设有标准参数，标准参数包括不同探测光在不同遮蔽率下的PTR比值上升的斜率和对应标准中的遮光比；
控制器还用于根据标准参数和不同探测光的功率传输比PTR判断探测区域中的颗粒的类型；其中，颗粒的类型包括烟雾颗粒、灰尘、水汽和油雾中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，控制器内预设有软件报警策略，控制器还用于根据软件报警策略和颗粒浓度值输出不同热失控报警等级。
8.根据权利要求1所述的基于光谱的电池箱热失控探测装置，其特征在于，控制器中还预设有高斯滤波模块，高斯滤波模块用于对光电二极管转换成的电信号进行滤波。
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