CN217156753U - 一种锂电池热失控检测电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及电池技术领域，公开了一种锂电池热失控检测电路，包括温升速率检测电路、温度阈值检测电路、或门触发电路以及报警电路，温升速率检测电路与或门触发电路的第一输入端连接，温度阈值检测电路与或门触发电路的第二输入端连接，或门触发电路的输出端与报警电路连接，温升速率检测电路用于检测锂电池温度急速上升时的热失控，并将检测结果输出至或门触发电路，温度阈值检测电路用于检测锂电池温度缓慢上升至超出正常使用范围时的热失控，并将检测结果输出至或门触发电路，或门触发电路用于根据检测结果触发报警电路。本实用新型的锂电池热失控检测电路，结构简单可靠，功耗低，可以持续不间断工作，而且不会导致锂电池的过放风险。

Description

一种锂电池热失控检测电路
技术领域
本实用新型涉及电池技术领域，特别涉及一种锂电池热失控检测电路。
背景技术
随着新能源锂电行业的蓬勃发展，越来越多的锂离子电池被广泛应用到消费类电子、电动汽车、储能产品、电动工具等各个行业中。然而锂电池的热失控事故也随之增多，带来了巨大的安全性问题。电池热失控是指蓄电池在恒压充电时电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏，因此，锂电池热失控故障的检测和预防越来越被重视。
当前行业内对锂电池热失控的检测大多采用负温度系数(NTC)热敏电阻进行温度采样，采样结果转换为数字信号发送至电池管理系统(BMS)进行监控判断。但现有的电池系统为了达到低功耗的要求，在停机状态下，BMS一般会进入睡眠或周期性休眠，在BMS休眠期间，对锂电池的温度采样和监控会中断，此时存在发生热失控而无法被检测的风险。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在克服现有技术的缺陷，提供一种锂电池热失控检测电路，电路简单可靠，功耗低，可以保证持续不间断工作，而且不会导致锂电池的过放风险。
本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种锂电池热失控检测电路，包括温升速率检测电路、温度阈值检测电路、或门触发电路以及报警电路，所述温升速率检测电路与所述或门触发电路的第一输入端连接，所述温度阈值检测电路与所述或门触发电路的第二输入端连接，所述或门触发电路的输出端与所述报警电路连接；
所述温升速率检测电路，用于检测锂电池温度急速上升时的热失控，并将检测结果输出至所述或门触发电路；
所述温度阈值检测电路，用于检测锂电池温度缓慢上升至超出正常使用范围时的热失控，并将检测结果输出至所述或门触发电路；
所述或门触发电路，用于接收所述温升速率检测电路和所述温度阈值检测电路的检测结果，并根据所述检测结果触发所述报警电路。
本实用新型的进一步设置为：所述或门触发电路包括二极管D2、二极管D3以及三极管Q1，所述二极管D2的阳极与所述温度阈值检测电路连接，所述二极管D3的阳极与所述温升速率检测电路连接，所述二极管D2的阴极和所述二极管D3的阴极均与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述报警电路连接，所述三极管Q1的发射极连接至电源Vss正极。
本实用新型的进一步设置为：所述三极管Q1为NPN型三极管。
本实用新型的进一步设置为：所述温升速率检测电路包括负温度系数热敏电阻NTC1、电阻R1和电压比较器U1，所述负温度系数热敏电阻NTC1和所述电阻R1串联在所述电源Vss两端，所述负温度系数热敏电阻NTC1与所述电源Vss正极连接，所述电阻R1与所述电源Vss负极连接，二极管D1、电阻R2和电阻R3串联在所述负温度系数热敏电阻NTC1两端，电容C1并联在所述电阻R2和所述电阻R3的两端，电阻R4和电阻R5串联在所述负温度系数热敏电阻NTC1两端，所述电阻R3靠近所述电阻R2的一端与所述电压比较器U1的正输入端连接，所述电阻R5靠近所述电阻R4的一端与所述电压比较器U1的负输入端连接，所述电压比较器U1的输出端连接至所述二极管D3的阳极。
本实用新型的进一步设置为：所述温度阈值检测电路包括热熔保险丝F1、电阻R7以及电阻R8，所述热熔保险丝F1的一端与所述电源Vss的正极连接，另一端分别与所述电阻R7和所述电阻R8连接，所述电阻R7远离所述热熔保险丝F1的一端与所述电源Vss负极连接，所述电阻R8与所述热熔保险丝F1连接的一端还与所述二极管D2的阳极连接，所述电阻R8的另一端与所述电源Vss正极连接。
本实用新型的进一步设置为：所述热熔保险丝F1的热熔阈值设置为触发热失控警报的温度过高阈值。
本实用新型的进一步设置为：所述报警电路为声光报警电路。
本实用新型的进一步设置为：所述报警电路包括发光二极管D4、光耦二极管D5以及报警器，所述发光二极管D4的阳极与电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端连接至所述电源Vss的负极，所述发光二极管D4的阴极与所述三极管Q1的集电极连接，所述光耦二极管D5的阳极与所述报警器连接，所述光耦二极管D5的阴极与电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端连接至+5V电源。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的锂电池热失控检测电路，通过采用或门触发电路，使温升速率检测电路和温度阈值检测电路分别与或门触发电路的两输入端连接，实现了对温度上升速率阈值和温度过高阈值两个方面的同时检测，从而涵盖了温升急速热失控事件与温升缓慢热失控事件的多种故障情况，检测内容更全面；电路整体结构简单可靠，功耗低，只有μA级别的漏电流，可以保证持续不间断工作，不会中断对锂电池的温度监控和采样，同时不会导致锂电池的过放风险。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一种锂电池热失控检测电路的模块结构示意图；
图2是本实用新型一种锂电池热失控检测电路的整体结构示意图；
图3是本实用新型一种锂电池热失控检测电路的温升速率检测电路结构示意图；
图4是本实用新型一种锂电池热失控检测电路的温度阈值检测电路结构示意图；
图5是本实用新型锂电池正常使用情况下电压比较器两输入端的电压变化过程；
图6是本实用新型锂电池出现热失控故障时电压比较器两输入端的电压变化过程。
图中，1、温升速率检测电路；2、温度阈值检测电路；3、或门触发电路；4、报警电路。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本实用新型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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1，一种锂电池热失控检测电路，包括温升速率检测电路1、温度阈值检测电路2、或门触发电路以3及报警电路4，温升速率检测电路1与或门触发电路3的第一输入端连接，温度阈值检测电路2与或门触发电路3的第二输入端连接，或门触发电路3的输出端与报警电路4连接；温升速率检测电路1用于检测锂电池温度急速上升时的热失控，并将检测结果输出至或门触发电路3；温度阈值检测电路2用于检测锂电池温度缓慢上升至超出正常使用范围时的热失控，并将检测结果输出至或门触发电路3；或门触发电路3用于接收温升速率检测电路1和温度阈值检测电路2的检测结果，并根据检测结果触发报警电路4。本实用新型的锂电池热失控检测电路，通过采用或门触发电路3，使温升速率检测电路1和温度阈值检测电路2分别与或门触发电路3的两输入端连接，实现了对温度上升速率阈值和温度过高阈值两个方面的同时检测，从而涵盖了温升急速热失控事件与温升缓慢热失控事件的多种故障情况，检测内容更全面；电路整体结构简单可靠，功耗低，只有μA级别的漏电流，可以保证持续不间断工作，不会中断对锂电池的温度监控和采样，同时不会导致锂电池的过放风险。
参见图2，或门触发电路3包括二极管D2、二极管D3以及三极管Q1，二极管D2的阳极与温度阈值检测电路2连接，二极管D3的阳极与温升速率检测电路1连接，二极管D2的阴极和二极管D3的阴极均与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极与报警电路4连接，三极管Q1的发射极连接至电源Vss正极，三极管Q1为NPN型三极管。通过设置二极管D2和二极管D3组成的或门电路，实现了对温度上升速率阈值和温度过高阈值的同时检测，当温度上升急速导致热失控事件时，通过二极管D3使三极管Q1导通，从而触发报警电路4进行报警提醒；当温度上升缓慢至超出电池正常使用范围时，也容易引起热失控，此时温度阈值检测电路2通过二极管D2使三极管Q1导通，从而触发报警电路4进行报警提醒。
参见图3，温升速率检测电路1包括负温度系数热敏电阻NTC1、电阻R1和电压比较器U1，负温度系数热敏电阻NTC1和电阻R1串联在电源Vss两端，负温度系数热敏电阻NTC1与电源Vss正极连接，电阻R1与电源Vss负极连接，二极管D1、电阻R2和电阻R3串联在负温度系数热敏电阻NTC1两端，电容C1并联在电阻R2和电阻R3的两端，电阻R4和电阻R5串联在负温度系数热敏电阻NTC1两端，电阻R3靠近电阻R2的一端与电压比较器U1的正输入端连接，电阻R5靠近电阻R4的一端与电压比较器U1的负输入端连接，电压比较器U1的输出端连接至二极管D3的阳极。根据热失控的特点，电池发生热失控时一定伴随温度的上升，当温度上升到一定阈值时就会引发锂电池着火，热失控一般都是比较急速的，从常温上升到温度阈值时的温升速率也是比较快的，因此本实施例通过设置温升速率检测电路，检测温升速率在温度达到电池包着火阈值之前发出预判报警。
温升速率检测电路1的工作原理是：通过负温度系数热敏电阻NTC1采集锂电池表面的温度，NTC1和电阻R1串联在5V电源Vss两端，因此NTC1两端的电压为VNTC＝RNTC/(RNTC+R1)*5，其中RNTC为NTC1的电阻值，R1为电阻R1的阻值，推荐选用的负温度系数热敏电阻的阻值与温度之间的关系呈线性关系，因此RNTC＝KT+b(T为温度，K和b为常数)，故NTC1两端的电压VNTC＝(KT+b)/(KT+b+R1)*5。根据图3所示的电路设计可知在温度稳定的情况下VNTC＝VD1+VR2+VR3＝VR4+VR5(VD1为二极管D1两端的电压，VR2为电阻R2两端的电压，VR3为电阻R3两端的电压，VR4为电阻R4两端的电压，VR5为电阻R5两端的电压)，在本实施例中优选电阻R2和电阻R4阻值相等(R2＝R4)，电阻R3和电阻R5阻值相等(R3＝R5)，由于存在二极管D1的分压，使得电压比较器U1两输入端的电压V+in＝VR3<V-in＝VR5，此时电压比较器U1输出低电平，三极管Q1不导通，报警电路4不会发出报警提醒。
如图5所示，锂电池在正常使用情况下温度会缓慢上升，因此NTC1两端电压VNTC会随之减小，从而使得电容C1在放电时间τ(τ＝(R2+R3)*C1，其中C1为电容C1的电容量)内会缓慢放电，所以电压比较器U1两输入端V+in和V-in处于同步变化的过程。而当锂电池出现热失控故障时，电池温度急速上升，NTC1两端电压VNTC会快速下降，电压比较器U1的V-in电压时刻跟随VNTC的电压快速下降，而V+in由于存在电容C1，电容两端电压无法突变，会在时间τ内按照图5所示进行放电，设电容放电速率为P(P需要自行测试)，当在时间τ内的V-in电压下降超过VD1+P*τ时，会出现如图6所示情况，即V-in<V+in，此时电压比较器U1输出高电平，使得三极管Q1导通，继而发光二极管D4发光导通光耦开关触发报警装置。
需要说明的是，为了使温升速率检测电路达到更好的检测准确性，其电路元器件选型需要满足一定的条件：由于VNTC＝(KT+b)/(KT+b+R1)*5，可见温度和电压之间的关系并非一次线性的关系，但当电阻R1的阻值R1为常温下NTC1电阻阻值RNTC的2到3倍，且选取的NTC1电阻RNTC的值比较小时，温度上升NTC1电阻减少引起的电压变化可以近似的模拟成线性关系VNTC＝K2*T+b2，具体的K2和b2的值需要根据具体的硬件选型进行拟合得出。假设温度速率变化阈值为Ts，则VNTC在τ内的电压变化为ΔVNTC＝K2*Ts*τ，即在τ时间内ΔV-in＝K2*Ts*τ，所以对二极管D2的压降VD2的要求为VD2<(K2*Ts*τ-P*τ)，其中τ＝(R2+R3)*C1。
参见图4，温度阈值检测电路2包括热熔保险丝F1、电阻R7以及电阻R8，热熔保险丝F1的一端与电源Vss的正极连接，另一端分别与电阻R7和电阻R8连接，电阻R7远离热熔保险丝F1的一端与电源Vss负极连接，电阻R8与热熔保险丝F1连接的一端还与二极管D2的阳极连接，电阻R8的另一端与电源Vss正极连接。优选地，热熔保险丝F1的热熔阈值设置为触发热失控警报的温度过高阈值，当达到此温度阈值时热熔保险丝F1熔断。当锂电池温度缓慢上升，超出电池正常使用范围时，也容易引起热失控，此时温升速率检测电路无法检测到此种情况下的热失控，因此本实施例通过设置温度阈值检测电路2，实现了对温度过高阈值导致热失控的故障检测。
温度阈值检测电路2的工作原理是：选取热熔保险丝F1的热熔阈值为触发热失控警报的温度过高阈值，当达到此温度阈值时热熔保险丝F1熔断，熔断后其旁路R8会被导通，此时电阻R8两端存在电压VR8＝R7/(R7+R8)*5(R7为电阻R7的阻值，R8为电阻R8的阻值)，电压VR8大于Q1导通所需的电压，使得三极管Q1导通，继而发光二极管D4和光耦二极管D5发光，导通光耦开关，触发电池包内的报警器件，从而实现了温度过高检测预警效果。
参见图2，报警电路4为声光报警电路，报警电路4包括发光二极管D4、光耦二极管D5以及报警器，发光二极管D4的阳极与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端连接至电源Vss的负极，发光二极管D4的阴极与三极管Q1的集电极连接，光耦二极管D5的阳极与报警器连接，光耦二极管D5的阴极与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端连接至+5V电源。通过设置声光报警电路，使得报警提示效果更好，更容易发现报警信号。

Claims (8)

1.一种锂电池热失控检测电路，其特征在于：包括温升速率检测电路(1)、温度阈值检测电路(2)、或门触发电路(3)以及报警电路(4)，所述温升速率检测电路(1)与所述或门触发电路(3)的第一输入端连接，所述温度阈值检测电路(2)与所述或门触发电路(3)的第二输入端连接，所述或门触发电路(3)的输出端与所述报警电路(4)连接；
所述温升速率检测电路(1)，用于检测锂电池温度急速上升时的热失控，并将检测结果输出至所述或门触发电路(3)；
所述温度阈值检测电路(2)，用于检测锂电池温度缓慢上升至超出正常使用范围时的热失控，并将检测结果输出至所述或门触发电路(3)；
所述或门触发电路(3)，用于接收所述温升速率检测电路(1)和所述温度阈值检测电路(2)的检测结果，并根据所述检测结果触发所述报警电路(4)。
2.根据权利要求1所述的锂电池热失控检测电路，其特征在于：所述或门触发电路(3)包括二极管D2、二极管D3以及三极管Q1，所述二极管D2的阳极与所述温度阈值检测电路(2)连接，所述二极管D3的阳极与所述温升速率检测电路(1)连接，所述二极管D2的阴极和所述二极管D3的阴极均与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述报警电路(4)连接，所述三极管Q1的发射极连接至电源Vss正极。
3.根据权利要求2所述的锂电池热失控检测电路，其特征在于：所述三极管Q1为NPN型三极管。
4.根据权利要求2所述的锂电池热失控检测电路，其特征在于：所述温升速率检测电路(1)包括负温度系数热敏电阻NTC1、电阻R1和电压比较器U1，所述负温度系数热敏电阻NTC1和所述电阻R1串联在所述电源Vss两端，所述负温度系数热敏电阻NTC1与所述电源Vss正极连接，所述电阻R1与所述电源Vss负极连接，二极管D1、电阻R2和电阻R3串联在所述负温度系数热敏电阻NTC1两端，电容C1并联在所述电阻R2和所述电阻R3的两端，电阻R4和电阻R5串联在所述负温度系数热敏电阻NTC1两端，所述电阻R3靠近所述电阻R2的一端与所述电压比较器U1的正输入端连接，所述电阻R5靠近所述电阻R4的一端与所述电压比较器U1的负输入端连接，所述电压比较器U1的输出端连接至所述二极管D3的阳极。
5.根据权利要求2所述的锂电池热失控检测电路，其特征在于：所述温度阈值检测电路(2)包括热熔保险丝F1、电阻R7以及电阻R8，所述热熔保险丝F1的一端与所述电源Vss的正极连接，另一端分别与所述电阻R7和所述电阻R8连接，所述电阻R7远离所述热熔保险丝F1的一端与所述电源Vss负极连接，所述电阻R8与所述热熔保险丝F1连接的一端还与所述二极管D2的阳极连接，所述电阻R8的另一端与所述电源Vss正极连接。
6.根据权利要求5所述的锂电池热失控检测电路，其特征在于：所述热熔保险丝F1的热熔阈值设置为触发热失控警报的温度过高阈值。
7.根据权利要求2所述的锂电池热失控检测电路，其特征在于：所述报警电路(4)为声光报警电路。
8.根据权利要求7所述的锂电池热失控检测电路，其特征在于：所述报警电路(4)包括发光二极管D4、光耦二极管D5以及报警器，所述发光二极管D4的阳极与电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端连接至所述电源Vss的负极，所述发光二极管D4的阴极与所述三极管Q1的集电极连接，所述光耦二极管D5的阳极与所述报警器连接，所述光耦二极管D5的阴极与电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端连接至+5V电源。
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