CN217034894U - 一种电动汽车电池包火灾预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电动汽车电池安全技术领域，具体涉及一种电动汽车电池包火灾预警装置，该装置包括气体传感器、信号处理器、报警器和逻辑控制器；所述气体传感器安装在电动汽车电池包的内部，用于将电动汽车电池包内部特征气体的浓度信息转换成电信号，所述信号处理器安装在气体传感器的引脚下，用于将气体传感器输出的电信号进行放大、滤波和数字化处理，从而输出特征气体的浓度数值并传送至逻辑控制器中；所述逻辑控制器安装在电动汽车电池包的内部或外部，用于接收特征气体的浓度数据和温度探测器的监测数据，综合研判后确定是否报警。本实用新型可以在电动汽车电池包起火之前可靠地感知异常情况并且进行火灾防范处理。

Description

一种电动汽车电池包火灾预警装置

技术领域

本实用新型属于电动汽车电池安全技术领域，具体涉及一种电动汽车电池包火灾预警装置。

背景技术

“3060”碳达峰碳中和极大地推动了电动汽车的发展，其中锂离子电池具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长等优点，广泛应用于电动汽车领域。然而，作为电动汽车的主要动力源，锂离子电池使用易燃的有机电解液，具有不可忽视的安全问题，尤其在恶劣的工作环境下（如高温、过放电、过充电、撞击等），锂离子电池出现安全问题的概率显著增加。研究表明，随着温度的上升，锂离子电池内部一般会发生固态电解质保护膜（SEI）分解、嵌锂负极与电解质反应、隔膜熔解、电解质分解、电解质与正极反应、正极分解等一系列连锁副反应，导致电池温度失去控制而迅速升高，即热失控。在温度急剧升高之前，电池会释放特征气体，而当温度升高到一定值后发生电解液汽化（易燃），极易引起电动汽车电池包的燃烧和爆炸事故。因此，有必要开发一种有效的装置能提前感知到锂离子电池的故障状态，预警电动汽车电池包火灾的发生，从而提前采取火灾防护措施，保护车内人员和车外行人的生命安全，并最大限度降低事故损失。

现有的电动汽车电池包依靠电池管理系统（BMS）完成电池故障状态的感知和预警。电池管理系统主要监测电池的端电压、充放电电流以及电池包内部少量部位的温度，然而这些参数并不能有效感知电池的故障状态。如电池微过充时会产生锂枝晶，这会刺破隔膜导致微短路，但锂枝晶的产生不会使电压、温度等参数发生明显改变；当电池内部温度快速升高时，由于热传导时间过长，使表面温度不能及时反应电池安全状态。这些局限性使BMS不能完全避免或预警电池的故障，一旦电池故障后，会产生大量易燃气体，可能引起火灾甚至爆炸事故，但目前并没有一个有效的预警火灾的装置或方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种电动汽车电池包火灾预警装置，可根据动力电池热失控前产生的特征气体来预警电动汽车电池包的火灾甚至爆炸事故，电池热失控前产生少量特征气体，该装置能及时感知并发出报警信号，为人员疏散和火灾防护或抑制提供了足够的时间。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下的技术方案：

本实用新型提供了一种电动汽车电池包火灾预警装置，该装置通过监测动力电池热失控前产生的特征气体来预警电动汽车电池包的火灾甚至爆炸事故；所述装置包括气体探测器、报警器和逻辑控制器；所述气体探测器包括气体传感器和信号处理器，所述气体传感器安装在电动汽车电池包的内部，用于将电动汽车电池包内部特征气体的浓度信息转换成电信号，并将电信号传送至信号处理器中处理，所述信号处理器安装在所述气体传感器的引脚下，用于将气体传感器输出的电信号进行放大、滤波和数字化处理，从而输出特征气体的浓度数值并传送至逻辑控制器中；所述逻辑控制器安装在电动汽车电池包的内部或外部，用于接收特征气体的浓度数据和内置于电动汽车电池包的温度探测器的监测数据，综合研判后确定是否报警；所述报警器安装在电动汽车电池包的外部。

进一步地，所述电动汽车电池包包括壳体、动力电池、散热系统、电池管理系统和温度探测器。

进一步地，所述动力电池为锂离子电池，采用方形锂离子电池、软包锂离子电池或者圆柱形锂离子电池。

进一步地，所述特征气体包括氢气、一氧化碳和挥发性有机物中的一种或者多种。

进一步地，所述气体传感器采用电化学式传感器、半导体式传感器、催化燃烧式传感器或者光致电离式传感器。

进一步地，所述气体探测器安装在动力电池最密集的区域。

进一步地，所述气体探测器安装在电动汽车电池包内部的顶层。

进一步地，所述报警器包括灯光报警器、声音报警器和射频信号报警器中的一种或者多种。

进一步地，所述逻辑控制器控制报警器动作，并控制散热系统对动力电池进行强制降温。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

由于用于电动汽车的锂离子电池容易遭受电滥用、热滥用、机械滥用等极端工况，导致电池故障的可能性增加。而锂离子电池广泛采用易燃有机电解液，一旦电池出现小的问题而不加以处理，极易导致电池发生热失控，并使易燃电解液汽化，存在火灾或者爆炸的隐患。由于电池热失控前会产生少量特征气体，而正常情况下大气中不含这些特征气体，因此可将这些特征气体作为预警火灾的依据。本实用新型提出一种电动汽车电池包火灾预警装置，比温度探测器、烟雾探测器的预警时间早，可靠性高，可以尽早采取手段阻止电池热失控的发生，将电动汽车电池包起火因素扼杀在萌芽阶段，避免火灾甚至爆炸等事故，有效地保护人员及财产安全。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电动汽车电池包火灾预警装置的结构框图；

图2是本实用新型实施例的电动汽车电池包内气体探测器布置示意图；

图3是本实用新型实施例的基于氢气预警火灾的有效性结果示意图；

图4是本实用新型实施例的利用过充实验和仿真得出气体探测器最佳安装位置的流程示意图。

图中序号所代表的含义为：

100.气体探测器，101.气体传感器，102.信号处理器，110.逻辑控制器，120.报警器，121.灯光报警器，122.声音报警器，123.射频信号报警器，131.温度探测器，132.电压传感器，133.电流传感器，140.电池管理系统，150.散热系统，160.锂离子电池，170.电动汽车电池包，180.壳体，190.隔板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了便于理解，在对本实施例进行详细地解释说明之前，先对本实施例的应用场景进行如下介绍。

“3060”碳达峰碳中和极大地推动了电动汽车的发展，其中锂离子电池具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长等优点，广泛应用于电动汽车领域。然而电动汽车的使用环境非常复杂，难免会遭受到电滥用、热滥用、机械滥用等极端工况，此外，锂离子电池广泛采用易燃的有机电解液，这导致电池的安全性较差，一旦电池故障后，容易演变成热失控并释放出大量易燃气体，并进一步导致起火甚至爆炸。因此，本实用新型开发了基于特征气体实时监测的火灾预警装置，将电动汽车电池包起火因素扼杀在萌芽阶段，避免火灾甚至爆炸等事故，保护人员及财产安全。

例如，目前有许多地方采用快速充电桩，锂离子电池在快速充电时容易在负极析出锂枝晶，尤其是在负极边缘位置，久而久之会导致电池发生内短路故障，进而引发电池热失控释放大量易燃气体，导致电动汽车电池包起火甚至爆炸事故，有关电动汽车充电时起火的报道也从侧面证实了这一劣势。因此，在电池包内部装上火灾预警装置，当有特征气体产生时可以发出报警信号，并进行强制降温措施，避免火灾或爆炸的发生，保护人员与财产安全。

例如，由于人为驾驶原因电动汽车可能会发生交通事故，电池包可能会遭受挤压或者穿刺等伤害，这会导致电池失效，并迅速演化成热失控，最终引发火灾或爆炸事故。因此，在电池包内部装上火灾预警装置，通过监测特征气体预知电池热失控的发生，从而提前预警电池包火灾事故，并提醒车主和周边人员及时撤离，保证人员安全。

例如，夏天时电动汽车容易在室外场地暴晒，使汽车温度升高，且无法有效散热，锂离子电池在高温下会发生化学副反应，并引发热失控，最终导致火灾。若此时电动汽车启动起来，会使电池工作产热，导致电池温度进一步升高，更容易引起火灾。因此，在电池包内安置基于特征气体探测的火灾预警装置，提前感知电池的故障状态，及时启动强制降温措施，保证人员与财产安全。

当然，本实施例不仅可以应用于上述三种应用场景中，实际应用中，还可以应用于其他的应用场景中，在此本实施例对其他应用场景不再一一列举。

本实施例的电动汽车电池包火灾预警装置，该装置通过监测动力电池热失控前产生的特征气体来预警电动汽车电池包170的火灾甚至爆炸事故；如图1所示，所述装置包括气体探测器100、报警器120和逻辑控制器110，所述报警器120安装在电动汽车电池包170的外部。所述电动汽车电池包170包括壳体180、动力电池、散热系统150、电池管理系统140、隔板190和温度探测器131。

所述气体探测器100包括气体传感器101和信号处理器102，所述气体传感器101安装在电动汽车电池包170的内部，用于将电动汽车电池包170内部特征气体的浓度信息转换成电信号，并将电信号传送至信号处理器102中处理，所述信号处理器102安装在所述气体传感器101的引脚下，用于将气体传感器101输出的电信号进行放大、滤波和数字化处理，从而输出特征气体的浓度数值并传送至逻辑控制器110中。

所述逻辑控制器110安装在电动汽车电池包170的内部或外部，用于接收特征气体的浓度数据和所述温度探测器131的监测温度数据，将上述数据综合研判后确定是否报警。

所述动力电池为锂离子电池160，采用方形锂离子电池、软包锂离子电池或者圆柱形锂离子电池，分为磷酸铁锂电池和三元锂电池两大类。

所述气体传感器101具有校准功能，可以消除温度、湿度等其他因素的影响，气体传感器101采用电化学式传感器、半导体式传感器、催化燃烧式传感器或者光致电离式传感器。

所述特征气体是指电池热失控前释放的气体，电池热失控会释放大量易燃汽化电解液，存在起火甚至爆炸的隐患，特征气体包括氢气、一氧化碳和挥发性有机物中的一种或者多种，其中不同特征气体通常选用不同气体传感器101类型，例如监测氢气和一氧化碳常用电化学式传感器，监测挥发性有机物时常用光致电离式传感器，不同气体传感器101的精准度不同，因此需要合理设置气体浓度报警阈值。

如图2所示，所述气体探测器100安装在电动汽车电池包170的内部，具体地说，在电动汽车电池包170（尺寸为：134*55*35cm）内进行单体电池过充实验，并进行气体扩散的仿真研究，发现特征气体在电池包最长边所在的方向上扩散很慢，因此在纯电动汽车、电动公交、电动大巴车的电池包中，若尺寸大于1.5m或者体积大于0.25m³时，建议安装两个气体探测器100。

所述气体探测器100安装在锂离子电池160最密集的区域，具体地说，利用特征气体扩散仿真对气体探测器100位置进行优化，发现气体探测器100主要倾向于电池密集区域。

所述气体探测器100安装在电动汽车电池包170内部的顶层，具体地说，由于电池释放的特征气体具有较高的温度，总是趋于上升，且电池释放气体的位置（从安全阀处释放）在电池的上表面，因此气体探测器100安装在电池包内部的顶层可以快速感知特征气体的产生。

气体探测器100的最佳安装位置是根据在电动汽车电池包170内进行单体电池过充实验，并进行相应的气体扩散仿真而得出的。同时，单体电池过充实验也表明特征气体的预警是有效的，如图3所示，过充电池在电动汽车电池包170的角落（右上角最底层），特征气体选为氢气，氢气探测器布置在电池包的顶层正中心，当氢气浓度超过30ppm时，电池表面温度为70℃，没有突然上升迹象（突然上升时电池表面温度可达到200℃以上），大约140s切断充电电源，电池没有释放汽化电解液（缺少易燃物，不会起火），且温度和电压逐步恢复正常，说明特征气体预警火灾是有效的。

利用过充实验和仿真得出气体探测器最佳安装位置的主要步骤包括，如图4所示：

步骤S41，在真实电动汽车电池包内开展锂离子电池故障下的产气特性实验，获取特征气体的浓度曲线。

步骤S42，利用有限元仿真分析软件进行特征气体扩散仿真，并拟合实验中特征气体浓度曲线。

步骤S43，进行不同位置的电池产气和气体扩散仿真。

步骤S44，利用混合整数线性规划算法优化气体探测器的布置位置。

所述报警器120包括灯光报警器121、声音报警器122和射频信号报警器123中的一种或者多种，所述灯光报警器121和声音报警器122用于提醒车内和车附近人员电池发生故障，需要采取防护措施，所述射频信号报警器123用于将故障信息通过无线通讯的方式推送至车主的移动设备中，提醒车主尽快采取防护措施。报警器120用于接收逻辑控制器110发出的报警信号，车内的灯光报警器121、声音报警器122和射频信号报警器123中的一种或多种工作。

所述逻辑控制器110控制报警器120动作，并控制散热系统150对动力电池进行强制降温。

所述电池管理系统140主要通过温度探测器131、电压传感器132和电流传感器133采集锂离子电池160信息，并根据信息控制锂离子电池160的工作状态。

所述散热系统150主要用于锂离子电池160的散热，当锂离子电池160过热时，可以将热量传导出电动汽车电池包170。

本实施例装置的工作原理如下：

气体探测器100布置在电动汽车电池包170的内部，实时监测电动汽车电池包170内部的特征气体浓度，并将浓度数据传送至逻辑控制器110中，逻辑控制器110接收气体探测器100输出的特征气体浓度数据和温度探测器131的温度数据，当特征气体浓度超过一定阈值时（如20ppm），且温度数值超过一定阈值时（如60℃），则发出报警指令；当特征气体浓度超过一定阈值时（如100ppm），则发出报警指令；发出报警指令的同时，控制散热系统150进行强制降温措施。

本装置结构简单、容易和其他装置联动、实用性强、灵敏度高，可有效确保车内及周围人员安全，可以在电动汽车电池包起火之前可靠地感知异常情况并且进行火灾防范处理。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

最后需要说明的是：以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，仅用于说明本实用新型的技术方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，该装置通过监测动力电池热失控前产生的特征气体来预警电动汽车电池包的火灾甚至爆炸事故；所述装置包括气体探测器、报警器和逻辑控制器；所述气体探测器包括气体传感器和信号处理器，所述气体传感器安装在电动汽车电池包的内部，用于将电动汽车电池包内部特征气体的浓度信息转换成电信号，并将电信号传送至信号处理器中处理，所述信号处理器安装在所述气体传感器的引脚下，用于将气体传感器输出的电信号进行放大、滤波和数字化处理，从而输出特征气体的浓度数值并传送至逻辑控制器中；所述逻辑控制器安装在电动汽车电池包的内部或外部，用于接收特征气体的浓度数据和内置于电动汽车电池包的温度探测器的监测数据，综合研判后确定是否报警；所述报警器安装在电动汽车电池包的外部。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述电动汽车电池包包括壳体、动力电池、散热系统、电池管理系统和温度探测器。

3.根据权利要求2所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述动力电池为锂离子电池，采用方形锂离子电池、软包锂离子电池或者圆柱形锂离子电池。

4.根据权利要求1所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述特征气体包括氢气、一氧化碳和挥发性有机物中的一种或者多种。

5.根据权利要求1所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述气体传感器采用电化学式传感器、半导体式传感器、催化燃烧式传感器或者光致电离式传感器。

6.根据权利要求2所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述气体探测器安装在动力电池最密集的区域。

7.根据权利要求6所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述气体探测器安装在电动汽车电池包内部的顶层。

8.根据权利要求1所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述报警器包括灯光报警器、声音报警器和射频信号报警器中的一种或者多种。

9.根据权利要求2所述的电动汽车电池包火灾预警装置，其特征在于，所述逻辑控制器控制报警器动作，并控制散热系统对动力电池进行强制降温。

Images