CN212461803U - 一种电动汽车热失控预警、抑制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种电动汽车热失控预警、抑制系统及其控制方法，属于电动汽车热失控预警、抑制技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种电动汽车热失控预警、抑制系统硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括电动汽车本体，所述电动汽车本体包括动力电池、汽车控制器；所述动力电池的外部设置有热失控抑制单元，所述动力电池的内部设置有电池模组、电池管理单元、热失控预警单元；所述热失控抑制单元包括灭火剂、喷射器、抑制控制器，所述热失控预警单元包括可燃性气体浓度传感器、感温电缆、预警控制器，所述可燃性气体浓度传感器、感温电缆设置在动力电池的内部；本实用新型应用于电动汽车。
Description
技术领域
本实用新型一种电动汽车热失控预警、抑制系统，属于电动汽车热失控预警及抑制技术领域。
背景技术
汽车电动化发展对动力电池能量密度的要求越来越高，锂离子电池高能量密度往往伴随其高安全风险。近年来，电池起火事件频发，电池安全已经成为汽车行业的研究热点之一。
热失控是电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。电池热失控可能由机械碰撞、内短路等引起，其中，内短路也可能因电池生产过程带入的杂质颗粒穿破电池隔膜导致，或因电池使用过程的析锂，刺穿电池隔膜导致。目前动力电池技术尚处于发展阶段，设计方案、生产工艺、使用维护等仍需要改进，电池热失控是无法完全避免的。
因缺乏有效的监控、预防技术，热失控发生时束手无策，最终导致电池包起火，甚至烧毁整车。且车主一般无法获得火灾预警，电池起火不仅带来车损，有时对事故车周围的财产也带来很大的安全隐患，因此，需要提供一种电动汽车热失控预警、抑制系统。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种电动汽车热失控预警、抑制系统硬件结构的改进。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：包括电动汽车本体，所述电动汽车本体包括动力电池、汽车控制器；
所述动力电池的外部设置有热失控抑制单元，所述动力电池的内部设置有电池模组、电池管理单元、热失控预警单元；
所述热失控抑制单元包括灭火剂、喷射器、抑制控制器，所述喷射器设置在灭火剂的输出端，所述喷射器通过灭火剂传送管道与灭火剂喷头相连，所述灭火剂喷头设置在动力电池的内部；
所述电池管理单元包括电池控制器、电压采集模块和温度采集模块，所述电压采集模块、温度采集模块设置在动力电池内部单池的周围；
所述热失控预警单元包括可燃性气体浓度传感器、感温电缆、预警控制器，所述可燃性气体浓度传感器、感温电缆设置在动力电池的内部；
所述汽车控制器通过导线分别与预警控制器、抑制控制器、电池控制器相连，所述可燃性气体浓度传感器的信号输出端、感温电缆的信号控制端通过AD转换模块与预警控制器相连；
所述抑制控制器通过导线与喷射器的控制端相连，用于控制喷射器开启或关闭灭火剂喷头。
所述电动汽车本体的驾驶室设置有仪表和车载终端；
所述仪表上设置有热失控预警故障位、热失控抑制故障位；
所述汽车控制器通过导线还分别与仪表、车载终端相连，所述车载终端通过无线网络与汽车监控平台、移动端无线连接。
所述电池控制器通过导线分别与电压采集模块、温度采集模块相连，其中电压采集模块用于获取动力电池单池或最小并联单元的电压数据，温度采集模块用于获取动力电池单池的温度数据。
所述汽车控制器还通过导线与GPS模块相连，用于获取电动汽车本体实时的位置信息。
所述汽车控制器还通过导线与车速传感器相连。
本实用新型相对于现有技术具备的有益效果为：本实用新型通过在电池周围设置可燃性气体浓度传感器、感温电缆，由热失控预警单元采集相关物理量，汽车控制器对热失控数据进行分析判断，并传送至热失控抑制单元，喷射灭火剂，稀释可燃性气体浓度、降低电池包内温度，抑制热失控的发生及蔓延，从时间维度上，降低电池火灾的发生；汽车控制器可提取热失控相关参数信息，提高了对电动汽车发生热失控情况的预警及抑制响应速度，进而提高了电动汽车的安全性。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型热失控抑制单元的结构示意图；
图3为本实用新型的电路结构示意图；
图4为本实用新型电动汽车行驶状态的热失控预警及抑制控制方法流程图；
图5为本实用新型电动汽车充电状态的热失控预警及抑制控制方法流程图；
图6为本实用新型电动汽车停驶状态的热失控预警及抑制控制方法流程图。
图中：1为电动汽车本体、2为动力电池、3为汽车控制器、4为仪表、5为车载终端、6为热失控抑制单元、7为电池模组、8为电池管理单元、9为热失控预警单元、10为灭火剂喷头、11为灭火剂传送管道、12为可燃性气体浓度传感器、13为感温电缆、14为预警控制器、15为灭火剂、16为喷射器、17为抑制控制器、18为AD转换模块、19为无线网络、20为汽车监控平台、21为移动端、31为GPS模块、32为车速传感器、41为热失控预警故障位、42为热失控抑制故障位、81为电池控制器、82为电压采集模块、83为温度采集模块。
具体实施方式
如图1至图6所示，本实用新型的一种电动汽车热失控预警、抑制系统，包括电动汽车本体1，所述电动汽车本体1包括动力电池2、汽车控制器3；
所述动力电池2的外部设置有热失控抑制单元6，所述动力电池2的内部设置有电池模组7、电池管理单元8、热失控预警单元9；
所述热失控抑制单元6包括灭火剂15、喷射器16、抑制控制器17，所述喷射器16设置在灭火剂15的输出端，所述喷射器16通过灭火剂传送管道11与灭火剂喷头10相连，所述灭火剂喷头10设置在动力电池2的内部；
所述电池管理单元8包括电池控制器81、电压采集模块82和温度采集模块83，所述电压采集模块82、温度采集模块83设置在动力电池2内部单池的周围；
所述热失控预警单元9包括可燃性气体浓度传感器12、感温电缆13、预警控制器14，所述可燃性气体浓度传感器12、感温电缆13设置在动力电池2的内部；
所述汽车控制器3通过导线分别与预警控制器14、抑制控制器17、电池控制器81相连，所述可燃性气体浓度传感器12的信号输出端、感温电缆13的信号控制端通过AD转换模块18与预警控制器14相连；
所述抑制控制器17通过导线与喷射器16的控制端相连，用于控制喷射器16开启或关闭灭火剂喷头10。
所述电动汽车本体1的驾驶室设置有仪表4和车载终端5；
所述仪表4上设置有热失控预警故障位41、热失控抑制故障位42；
所述汽车控制器3通过导线还分别与仪表4、车载终端5相连，所述车载终端5通过无线网络19与汽车监控平台20、移动端21无线连接。
所述电池控制器81通过导线分别与电压采集模块82、温度采集模块83相连，其中电压采集模块82用于获取动力电池单池或最小并联单元的电压数据，温度采集模块83用于获取动力电池单池的温度数据。
所述汽车控制器3还通过导线与GPS模块31相连，用于获取电动汽车本体1实时的位置信息。
所述汽车控制器3还通过导线与车速传感器32相连。
本实用新型提供了一种具有热失控预警及抑制功能的高安全性的电动汽车，在电动汽车本体1的底部设置动力电池2，在动力电池2的内部设置热失控预警单元9，通过热失控预警单元9对电池数据进行实时监测，实现对电池热失控的有效预警；动力电池2还包括电池管理单元8，电池管理单元8包括电池控制器81、电压采集模块82、温度采集模块83，电压采集模块82设置在电池模组7的单体电池的输出端用于采集单池或最小并联单元的电压数据，温度采集模块83设置在单体电池的外侧，用于采集单体电池的温度数据。
其次，在动力电池2的外部设置有与热失控预警单元9联动的热失控抑制单元6，当热失控预警单元9和电池管理单元8检测到电池热失控信息，包括可燃性粒子浓度增大信息、局部温度急增信息、单体电池电压突降信息，其中可燃性粒子浓度增大信息通过设置在电池模组7周围的可燃性气体浓度传感器12检测，局部温度急增信息通过设置在电池模组7周围的感温电缆13或温度传感器即温度采集模块83检测，感温电缆13的输出信号为开关信号，无火警常开、火警态常闭，单体电池电压突降信息通过电压采集模块82检测，汽车控制器3通过控制热失控抑制单元6的抑制控制器17从而控制喷射器16启动，喷射灭火剂，抑制热失控的扩展。
同时热失控预警单元9与热失控抑制单元6还可以通过CAN总线将故障信息发送至汽车控制器3，汽车控制器3将故障信息通过CAN总线发送至车载终端5，同时将仪表4的热失控预警故障位41、热失控抑制故障位42启动，使驾驶室的驾驶员能够及时获知热失控预警信息，避免危险的扩展，热失控预警故障位41、热失控抑制故障位42具体可以设置为声音报警器或指示灯报警或两者的结合；同时车载终端5还可以将热失控信息通过无线网络19传输至汽车监控平台20、移动端21，加强了对电动汽车的安全监测。
本实用新型首先在动力电池2内部设置热失控预警单元9和电池管理单元8，用于监测电池包内部可燃性气体浓度、温度、单池或最小并联单元的电压等参数，热失控发生前，单池内部温度、压力升高使泄压阀启动，由此导致动力电池2内部可燃性气体浓度突增、温度突升、单池电压突降、单池压差突降；电池包内可燃性气体浓度突增、温度突升这两个参数可以由热失控预警单元9、电池管理单元8设置的传感器获得，传感器包括可燃性气体浓度传感器12、感温电缆13或温度传感器即温度采集模块83；单池电压突降、单池压差突降这两个参数可以由电池管理单元8获取并经CAN总线传送给热失控预警单元9的抑制控制器17上；热失控预警单元9、电池管理单元8通过CAN总线将热失控相关参数传送至汽车控制器3及仪表4；仪表实时显示其参数值或故障值，由此驾驶员可及时了解电池安全性；汽车控制器3则根据具体参数值，发送对应的指令给汽车各组成系统。
其次，热失控抑制单元6主要包括灭火剂15、喷射器16、灭火剂传送管11、抑制控制器17，抑制控制器17通过CAN总线接收热失控预警单元9、电池管理单元8的信息，当达到某一监测量阈值时，喷射器16打开，灭火剂15经灭火剂传送管11，以一定的速度喷射到动力电池2内，抑制热失控的扩展；根据安装空间要求，灭火剂15和喷射器16也可以集成为一体，安装到动力电池内部；同时将启动灭火剂状态量经CAN总线传递给汽车控制器3及仪表4；仪表4实时显示其参数值或故障值，由此驾驶员可及时了解电池灭火是否已触发；若接收到已触发信息，汽车控制器3则执行最高级别故障动作，包括限速行驶、高压延时下电等，防止危险的扩展。
同时，车载终端5实时获取CAN总线热失控预警单元9及热失控抑制单元6的相关信息，结合GPS模块31的定位信息，最后通过无线网络19将热失控信息传输到汽车监控平台20或移动端21，可通过远程及时了解电动车安全信息，有助于减少和避免汽车着火事件。
一种电动汽车热失控预警、抑制控制方法，包括如下步骤：
步骤一：控制车速传感器采集数据并发送至汽车控制器，控制电池管理单元、热失控预警单元采集热失控数据并发送至汽车控制器，所述热失控数据包括动力电池的单池或最小并联单元的电压数据、单池的温度数据、环境温度数据、可燃性气体浓度数据；
步骤二：所述汽车控制器将车速传感器采集的车速数据进行分析处理，步骤如下：
步骤2.1：当车速传感器数据持续为0时，判断电动汽车本体处于停止行驶状态，此时转入步骤三；
步骤2.2：当车速传感器的数据大于0时，判断电动汽车本体处于行驶状态，此时转入步骤四；
步骤2.3：通过步骤2.1判断当电动汽车本体处于停止行驶状态且监测到动力电池处于充电状态时，此时转入步骤五；
步骤三：汽车控制器将热失控数据进行阈值判断，当热失控数据处于正常阈值内，则电动汽车本体正常停止行驶，当任一热失控数据超出正常阈值时，包括可燃性气体CO浓度大于300ppm、单池温升大于10℃/10s、感温电缆触发时，此时汽车控制器执行状态异常指令一，并将故障信息一发送至汽车监控平台、移动端；
步骤四：汽车控制器将热失控数据进行阈值判断，当热失控数据处于正常阈值内，则电动汽车本体继续行驶，当任一热失控数据超出正常阈值时，包括可燃性气体CO浓度大于300ppm、单池温升大于10℃/10s、感温电缆触发时，此时汽车控制器执行状态异常指令二，并将故障信息二发送至汽车监控平台、移动端；
步骤五：汽车控制器将热失控数据进行阈值判断，当热失控数据处于正常阈值内，则电池继续充电，当任一热失控数据超出正常阈值时，包括可燃性气体CO浓度大于300ppm、单池温升大于10℃/10s、感温电缆触发时，此时汽车控制器执行状态异常指令三，并将故障信息三发送至汽车监控平台、移动端。
所述步骤三中的执行状态异常指令一具体为：首先抑制控制器控制喷射器开启将灭火剂喷射到动力电池内部，其次汽车监控平台显示热失控预警故障，最后移动端显示热失控预警故障；所述故障信息一包括汽车监控平台显示灭火剂已喷射，移动端显示灭火剂已喷射，同时汽车控制器控制汽车不能上电。
所述步骤四中的执行状态异常指令二具体为：首先汽车控制器控制在仪表上的热失控预警故障位报警提示，同时控制电动汽车本体限速行驶、汽车监控平台显示热失控预警故障、移动端显示热失控预警故障，并延时一段时间切断汽车高压电，随后抑制控制器控制喷射器开启将灭火剂喷射到动力电池内部；
所述故障信息二包括汽车监控平台显示灭火剂已喷射，移动端显示灭火剂已喷射，同时汽车控制器控制汽车限速行驶并快速停止行驶，且汽车不能重新上电。
所述步骤五中的执行状态异常指令三具体为：首先切断充电电池开关，同时抑制控制器控制喷射器开启将灭火剂喷射到动力电池内部，其次汽车监控平台显示热失控预警故障，最后移动端显示热失控预警故障；所述故障信息一包括汽车监控平台显示灭火剂已喷射，移动端显示灭火剂已喷射，同时汽车控制器控制汽车不能上电。
电动汽车行驶状态时，本实用新型的热失控预警方法流程如图4所示，1）电池管理单元8、热失控预警单元9通过CAN线发送信息到汽车控制器3，汽车控制器3判断热失控相关的参数（包括单池电压、单池压差、单池温度、感温电缆开/关、环境温度、单池温度变化率、环境温度变化率、可燃性气体浓度）是否正常；2）若正常，则继续行驶；3）若任意参数值出现异常，包括可燃性气体CO浓度大于300ppm、单池温升大于10℃/10s、感温电缆触发，（本实施例具体通过某一品牌的动力电池参数的异常来进行说明：单池电压低于2.8V或高于4.2V、单池压差大于500mV、单池温度或环境温度高于55℃、单池温差大于15℃、温差大于10℃/10s、电池包总电量SOC大于100%、电池包绝缘值小于200kΩ，上述故障阈值的数值设置由某一电池品牌具体提供），则汽车控制器3同时发送以下指令：热失控抑制单元6喷射灭火剂启动、限速行驶、延时30s切断高压电、仪表4显示热失控预警故障报警、汽车监控平台20显示热失控预警故障报警、移动端21显示热失控预警故障报警；4）汽车控制器3发送故障信息：汽车监控平台20显示灭火剂已喷射、移动端21显示灭火剂已喷射、汽车停驶、且无法重新上电。
电动车充电状态时，本实用新型的热失控预警方法流程如图5所示，1）单池管理单元8、热失控预警单元9通过CAN线发送信息到汽车控制器3，汽车控制器3判断热失控相关的参数（包括单池电压、单池压差、单池温度、环境温度、感温电缆开/关、单池温度变化率、环境温度变化率、可燃性气体浓度）是否正常；2）若正常，则继续充电；3）若任意参数值出现异常，包括可燃性气体CO浓度大于300ppm、单池温升大于10℃/10s、感温电缆触发，（本实施例具体通过某一品牌的动力电池参数的异常来进行说明：单池电压低于2.8V或高于4.2V、单池压差大于500mV、单池温度或环境温度高于55℃、单池温差大于15℃、温差大于10℃/10s、电池包总电量SOC大于100%、电池包绝缘值小于200kΩ，上述故障阈值的数值设置由某一电池品牌具体提供），则汽车控制器3同时发送以下指令：热失控抑制单元6喷射灭火剂启动、切断充电、汽车监控平台20显示热失控预警故障报警、移动端21显示热失控预警故障报警；4）汽车控制器3发送故障信息：汽车监控平台20显示灭火剂已喷射、移动端21显示灭火剂已喷射、汽车无法上电。
电动车停驶状态时，本实用新型的热失控预警方法流程如图6所示，1）单池管理单元8、热失控预警单元9通过CAN线发送信息到汽车控制器3，汽车控制器3判断热失控相关的参数（包括单池电压、单池压差、单池温度、环境温度、感温电缆开/关、单池温度变化率、环境温度变化率、可燃性气体浓度）是否正常；2）若正常，则正常停驶；3）若任意参数值出现异常，包括可燃性气体CO浓度大于300ppm、单池温升大于10℃/10s、感温电缆触发，（本实施例具体通过某一品牌的动力电池参数的异常来进行说明：单池电压低于2.8V或高于4.2V、单池压差大于500mV、单池温度或环境温度高于55℃、单池温差大于15℃、温差大于10℃/10s、电池包总电量SOC大于100%、电池包绝缘值小于200kΩ，上述故障阈值的数值设置由某一电池品牌具体提供），则汽车控制器3同时发送以下指令：热失控抑制单元6喷射灭火剂启动、汽车监控平台20显示热失控预警故障报警、移动端21显示热失控预警故障报警；4）汽车控制器3发送故障信息：汽车监控平台20显示灭火剂已喷射、移动端21显示灭火剂已喷射、汽车无法上电。
目前电动车起火往往因缺少热失控预警及抑制功能，无法在早期抑制热失控，导致危险蔓延，电池包着火，最终只能采用人工外部灭火。本实用新型通过分析热失控发生前，导致着火的必要因素，如可燃性气体浓度、温度等，由热失控预警单元9、电池管理单元8采集相关物理量，汽车控制器3汇总热失控预警单元9及电池管理单元8提供的电池参数，并判断热失控发生的综合指数，对参数偏离正常值的，立刻发指令到热失控抑制单元6，启动喷射灭火剂，稀释可燃性气体浓度、降低电池包内温度、消灭燃烧自由基，抑制热失控的发生及蔓延，从时间维度上，降低电池火灾的发生；热失控预警单元9及热失控抑制单元6，可将其相关信息通过CAN线发送至驾驶室的仪表4，将危险信息及时传递给驾驶员，降低可能的人员伤亡；汽车控制器3可提取热失控相关参数信息，对整车参数及时做出调整，防止人为因素加剧电池着火事件发生；车载终端5通过CAN线采集相关热失控信息，并经无线网络19传输至汽车监控平台20和移动端21，即使停驶状态的电动车，也可做到实时监控，降低、避免危险发生时，对电动车周围人员伤亡及财产损失；本实用新型建立了热失控关联信息与驾驶员、汽车监控平台20、车主等多维度的联系网络，可有效降低电池着火、烧车风险；本实用新型适用于汽车行驶、停驶、充电状态，通过汽车监控平台20及移动端21对热失控信息的联控，尤其降低了汽车在无人值守时，包括停驶、充电状态，电池着火几率。
本实用新型中的元器件采用的具体型号如下：所述汽车控制器3采用的型号为VCU20100-S；所述预警控制器14、抑制控制器17采用的芯片型号为STM32F103；所述动力电池2采用的型号为ev-pb03，所述电池控制器81采用的型号为bms-cg03；所述车载终端5采用的型号为V600；所述可燃性性气体传感器12的型号为MQ-K5；所述感温电缆13选择NTC热敏绝缘材料、触发温度为105℃；所述AD转换模块18的型号为MCP3424；所述电压采集模块82的型号为SC-ACEP02-V12-R；所述温度采集模块83的型号为ADAM-3600；所述GPS模块31的型号为SKG12Q；所述车速传感器32的型号为DJS-1。
关于本实用新型具体结构需要说明的是，本实用新型采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本实用新型提出的技术问题，本实用新型中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种电动汽车热失控预警、抑制系统，包括电动汽车本体（1），其特征在于：所述电动汽车本体（1）包括动力电池（2）、汽车控制器（3）；
所述动力电池（2）的外部设置有热失控抑制单元（6），所述动力电池（2）的内部设置有电池模组（7）、电池管理单元（8）、热失控预警单元（9）；
所述热失控抑制单元（6）包括灭火剂（15）、喷射器（16）、抑制控制器（17），所述喷射器（16）设置在灭火剂（15）的输出端，所述喷射器（16）通过灭火剂传送管道（11）与灭火剂喷头（10）相连，所述灭火剂喷头（10）设置在动力电池(2)的内部；
所述电池管理单元（8）包括电池控制器（81）、电压采集模块（82）和温度采集模块（83），所述电压采集模块（82）、温度采集模块（83）设置在动力电池(2)内部单池的周围；
所述热失控预警单元（9）包括可燃性气体浓度传感器（12）、感温电缆（13）、预警控制器（14），所述可燃性气体浓度传感器（12）、感温电缆（13）设置在动力电池（2）的内部；
所述汽车控制器（3）通过导线分别与预警控制器（14）、抑制控制器（17）、电池控制器（81）相连，所述可燃性气体浓度传感器（12）的信号输出端、感温电缆（13）的信号控制端通过AD转换模块（18）与预警控制器（14）相连；
所述抑制控制器（17）通过导线与喷射器（16）的控制端相连，用于控制喷射器（16）开启或关闭灭火剂喷头（10）。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车热失控预警、抑制系统，其特征在于：所述电动汽车本体（1）的驾驶室设置有仪表（4）和车载终端（5）；
所述仪表（4）上设置有热失控预警故障位（41）、热失控抑制故障位（42）；
所述汽车控制器（3）通过导线还分别与仪表（4）、车载终端（5）相连，所述车载终端（5）通过无线网络（19）与汽车监控平台（20）、移动端（21）无线连接。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车热失控预警、抑制系统，其特征在于：所述电池控制器（81）通过导线分别与电压采集模块（82）、温度采集模块（83）相连，其中电压采集模块（82）用于获取动力电池单池或最小并联单元的电压数据，温度采集模块（83）用于获取动力电池单池的温度数据。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车热失控预警、抑制系统，其特征在于：所述汽车控制器（3）还通过导线与GPS模块（31）相连，用于获取电动汽车本体（1）实时的位置信息。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车热失控预警、抑制系统，其特征在于：所述汽车控制器（3）还通过导线与车速传感器（32）相连。
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|---|---|---|---|---|
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2020
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