CN217983467U - 锂电池组锂电池包安全预警控制模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了锂电池组锂电池包安全预警控制模块，包括微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池，所述微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池均设置于电池外壳内部，所述微处理器电性连接有气体传感器、压力传感器、温度传感器和烟雾传感器，所述预警电路由声音预警、光电预警和电讯号预警组成，所述微处理器与预警电路、控制电路和电源电路均电性连接，所述预警电路和控制电路电性连接，所述电源电路和内置供电电池呈一体结构且两者电性连接，所述电源电路与外部供电和通讯接口电性连接。本实用新型具有探测速度快、能够对外进行警示、工作时间长等优点，适用于锂电池的安全预警，安全性高，实用性强。

Description

锂电池组锂电池包安全预警控制模块

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，特别涉及锂电池组锂电池包安全预警控制模块。

背景技术

锂电池的应用十分广泛，尤其是在新能源行业，汽车动力电池和各种储能电池等，均可见到锂电池。同时因为锂电池爆燃等事件也日渐增多，造成了很多的生命和财产损失。

锂电池通常由单个电芯组成电池板，再由电池板组成电池包，再由电池包组成电池箱(簇)，多个电池箱(簇)组成更大级别的电池柜(储能柜)等。也有厂家直接由电芯组成电池箱(簇)，在动力电池应用，如利用汽车底盘空间进行特殊设计，将电池和结构件一体化设计等等，这些情况下也是要求电芯在密封条件下使用。适用于本实用新型提及的应用场景。通常情况下，电芯有专用芯片及BMS系统来控制电池的充放电及温度等情况，正常使用时是安全的，这也是锂电池能够得到发展的前提。一般单个电芯是基本组成单元，组成电池板时相对数量也不是很多，而多个电池板组成的电池包往往拥有较多的电芯。而电池生产工艺不同时，单个电芯也有大有小，本实用新型描述中电池组指的是由多个电芯组成的锂电池。

因为锂电池中主要元素锂是一种十分活泼的金属，其运输，加工和储存等方面要求严格，相应锂电池也很容易出现燃烧和爆炸。尤其是随着电池的长期使用，材料老化，过充，生产工艺低劣等原因，锂电池中的保护隔膜损坏或被外部物质刺穿(钢针穿刺试验)，电解液混入水分和杂质等等，都会导致锂电池发生剧烈反应，从而产生大量的热甚至燃烧，同时电解液会挥发出大量气体，形成高压。虽然普遍的锂电池采用了金属铝或者不锈钢作为电池盒密闭材料，但高温高压气体依然会导致最终爆炸。而锂电池的燃烧过程并不需要外界氧气参与，所以密闭的电池箱和缺氧环境并不能阻止燃烧，而且会有一定概率在灭火操作后会复燃。

锂电池中的电解液在燃烧和挥发时会产生氢气，一氧化碳，含F^-的强酸，CH4，C₂H₄，H₂S，HCI，SO₂，HCN等等，成份复杂。其中多数气体可燃有毒，会形成白色烟雾，会对人体造成伤害甚至导致死亡。

锂电池的安全管理长期以来一直是依靠BMS系统对电池进行充放电等控制和管理，在锂电池的温升-失控-燃烧的过程中，在公开的资料中并未查询到特别有效的方法或技术设备等，可以在电池出现异常温升直到失控爆燃之前，未见有效的预警或控制。(采用水等消防材料进行灭火不列入此类)，也有部分气体传感器模块宣称能够检测锂电池燃烧时产生的氢气、一氧化碳和烟雾等，包括日本的传感器品牌费加罗。这种气体传感器典型应用中均存在工作时需要预热，同时长期未使用时，有时需要重新加电24小时以上，才能恢复测试能力。显然并不满足锂电池的热失控预警应用，尤其是车载动力电池高安全要求场景应用。

虽然电芯中也有相应芯片能够感知温度等参数变化，但是当电芯或者电池组出现异常时，电芯中的芯片可能已经失去供电或者损坏，相应的电池状态未必能对外传送。

气体传感器响应速度较快的是半导体型(MEMS)传感器，利用叉指电极溅射其它特殊金属等材料，利用不同气体和金属材料发生反应，产生与目标分析物浓度相对应的电信号，从而进行感知。其详细原理不再描述。这种传感器有一个隐患，当其处于有机硅蒸汽环境中，其有机硅蒸汽会在气体传感器表面形成一层膜，降低甚至破坏了气体传感器的传感能力。

采用数字温度传感器或者其它暴露在气体中的温度探测方式而言，气体是热的不良导体，其温度检测速度不及金属传导的快。

总之，目前的锂电池状态探测方式为BMS或其它探测模块，总体上至少存在以下缺点：

1、探测速度慢，或者探测失效。如电芯温度升高时，BMS系统会进行停止充电等类似操作，但是在电芯损坏时，BMS无法得知电芯状态。在电池组受到外力破坏时，同样无法进行正常的探测。在电池组内部出现明显的高压，箱体发生变形，甚至泄压阀开启时都不能及时探测得知电池箱的异常。

2、探测到异常时，不能及时对外警示。锂电芯异常会短时间内导致锂电池板整体异常，甚至范围更大,BMS控制失效。此时电芯的芯片可能出现故障并导致外部探测类模块(或设备)的电源导线及通讯控制线等出现异常。从而不能与外部监测设备或人员及时知晓。未见其它探测模块具有内置供电能力。

3、特殊气体探测传感器受使用条件限制。目前已知的针对锂电池燃烧产生的气体探测器(如氢气，一氧化碳和VOC等)，均要求一定的预热时间，同时不能存在有机硅化合物气体，不能存在高频强振动等限制。当外部供电异常，或者锂电池组处于长时间未使用时，气体传感器需要较长时间的连续加电工作才有可能恢复其探测性能。在此期间基本上就是失去了探测能力。可燃性半导体其它探测器和MEMS型气体探测传感器均需要预热，从而在低温工作时容易出现异常(如-40℃环境下启动时，其它传感器表面可能存在结冰等现象导致传感器失效)。锂电池在充电过程中也会产生一定量的氢气，使得探测系统需要对氢气传感器的响应能力进行钝化处理，否则容易进行误报导致误判，比如误启动灭火装置，带来其它预计的后果或损失。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于根据锂电池组出现热失控至燃烧时必然出现的三个特有现象(高温、高压、烟雾)，设计了一种锂电池组锂电池包安全预警控制模块，同时可以加装氢气等气体传感器作为辅助，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

锂电池组锂电池包安全预警控制模块，包括微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池，所述微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池均设置于电池外壳内部，所述微处理器电性连接有气体传感器、压力传感器、温度传感器和烟雾传感器，所述预警电路由声音预警、光电预警和电讯号预警组成，所述微处理器与预警电路、控制电路和电源电路均电性连接，所述预警电路和控制电路电性连接，所述电源电路和内置供电电池呈一体结构且两者电性连接，所述电源电路与外部供电和通讯接口电性连接。

本实用新型设计为三大部分：电源、预警和控制。电源设计外部供电和内置供电电池作为备用电源；预警设计为根据选用的温度压力和烟雾传感器感知电池箱的工作状态，通过微处理器进行预警指示；控制设计为根据传感器的探知结果，通过微处理器进行外部控制，如启动消防设备等。

电源：电源电路外部供电输入采用DC/DC芯片实现降压，能够适应外部很宽的外部供电电压范围。内部供电采用内置供电电池，通过微处理器识别外部电源或是内部电源，选择不同的工作模式。在首次使用时，由于长时间可能导致内置供电电池没有足够电量，微处理器可以识别是否是首次使用。在正常使用过程中利用外部电源进行充电。在用内置供电电池供电时，微处理器自动选择进入低功耗模式。在内置供电电池电量不足时或者工作较长时间时，对外输出电池低电压预警。

预警：微处理器根据温度压力和烟雾等探知情况进行预警。预警方式主要为声、光、电。声：设计有蜂鸣器，可进行声音提示；光：设计有发光二极管，进行灯光指示；电：设计有指示信号输出，可以通过通信接口输出，同时也可通过信号线进行电平指示。

控制：根据传感器探知的情况，当微处理器根据相关判断原则判定为危险或者需要外部设备执行某一动作时，可以通过控制驱动器控制对外输出动作电平进行外部设备动作控制。采用内置供电电池供电时，如果需要执行控制动作，将会持续工作直至电池能量无法维持。

优选的，所述压力传感器为压敏电阻，所述温度传感器为热敏电阻，且热敏电阻紧贴电池外壳外表面，所述烟雾传感器为光电开关。

优选的，所述电源电路包括电池充电、DC/DC降压稳压和供电切换，所述电池充电与DC/DC降压稳压和内置供电电池电性连接，所述DC/DC降压稳压与供电切换电性连接，所述供电切换与内置供电电池电性连接，所述电池充电用于通过外部供电对内置供电电池进行充电，所述DC/DC降压稳压用于降压，能够适应外部很宽的外部供电电压范围，所述供电切换用于识别外部电源或是内部电源。

优选的，所述声音预警由蜂鸣器组成，可进行声音提示，所述光电预警由发光二极管组成，可进行灯光指示，所述电讯号预警由驱动器和通信芯片组成，可以通过通信接口输出，同时也可通过信号线进行电平指示。

优选的，所述控制电路由控制驱动器组成，控制驱动器可对外输出动作电平进行外部设备动作控制。

优选的，所述气体传感器为可选设备。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、探测速度快。本实用新型的探测模块主要探测温度、压力和烟雾。当电芯出现异常时，比如钢针穿刺出现热失控，会导致出现高温、高压气体甚至燃烧。或者遇到电池箱挤压变形，电芯受损，电解液泄漏，电解液挥发产生气体，形成烟雾，温度也很快升高。其中高温和高压均在燃烧之前出现。通过紧贴于电池箱的热敏电阻能够迅速探知温度变化，通过压敏电阻能迅速感知压力变化。电芯释放的气体能很快地增加箱内气压，压敏电阻也能及时探知压力变化。其不透明的烟雾也会使得光电开关进行动作，从而得知烟雾产生。由于没有需要预热的传感器或是器件，上电即可迅速进入工作状态，能够迅速进行探测。即使是电芯轻度的异常，温升不明显，但是随着时间的增加，其内部气体压力和烟雾浓度逐渐升高，微处理器能够感知这些变化，而提前给出预置的信号指示，做到提前预警；

2、能够对外进行警示。内部微处理器根据温度、压力和烟雾的探测情况进行声光电指示，告知外部监测设备或人员。当处于密闭环境，外部供电故障，线路受损，不能外部供电和通信，不能进行光电警示。内置供电电池依然能够使得模块通过蜂鸣器发声，尽可能地对异常情况进行警示；

3、温度、压力和烟雾探测器的使用限制条件极少，其工艺成熟，性能稳定，适应温度范围广，上电即能正常工作，功耗低，利用内置供电电池进入低功耗模式，依然可以工作较长时间。

附图说明

图1为本实用新型锂电池组锂电池包安全预警控制模块的整体结构示意图；

图2为本实用新型锂电池组锂电池包安全预警控制模块的安装方式示意图；

图3为本实用新型锂电池组锂电池包安全预警控制模块的电源电路的整体结构示意图；

图4为本实用新型锂电池组锂电池包安全预警控制模块的预警电路的整体结构示意图；

图5为本实用新型锂电池组锂电池包安全预警控制模块的控制电路的整体结构示意图；

图6为其它已知气体传感器探测预警控制模块的整体结构示意图。

图中：1、电芯或电芯组；2、本实用新型产品；3、通讯及供电接口；4、电池外壳；5、气体传感器；6、压力传感器；7、温度传感器；8、烟雾传感器；9、声音预警；10、光电预警；11、电讯号预警。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-6所示，锂电池组锂电池包安全预警控制模块，包括微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池，微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池均设置于电池外壳内部，微处理器电性连接有气体传感器5、压力传感器6、温度传感器7和烟雾传感器8，预警电路由声音预警9、光电预警10和电讯号预警11组成，微处理器与预警电路、控制电路和电源电路均电性连接，预警电路和控制电路电性连接，电源电路和内置供电电池呈一体结构且两者电性连接，电源电路与外部供电和通讯接口电性连接。

本实用新型设计为三大部分：电源、预警和控制。电源设计外部供电和内置供电电池作为备用电源；预警设计为根据选用的温度压力和烟雾传感器感知电池箱的工作状态，通过微处理器进行预警指示；控制设计为根据传感器的探知结果，通过微处理器进行外部控制，如启动消防设备等。

电源：电源电路外部供电输入采用DC/DC芯片实现降压，能够适应外部很宽的外部供电电压范围。内部供电采用内置供电电池，通过微处理器识别外部电源或是内部电源，选择不同的工作模式。在首次使用时，由于长时间可能导致内置供电电池没有足够电量，微处理器可以识别是否是首次使用。在正常使用过程中利用外部电源进行充电。在用内置供电电池供电时，微处理器自动选择进入低功耗模式。在内置供电电池电量不足时或者工作较长时间时，对外输出电池低电压预警。

预警：微处理器根据温度压力和烟雾等探知情况进行预警。预警方式主要为声、光、电。声：设计有蜂鸣器，可进行声音提示；光：设计有发光二极管，进行灯光指示；电：设计有指示信号输出，可以通过通信接口输出，同时也可通过信号线进行电平指示。

控制：根据传感器探知的情况，当微处理器根据相关判断原则判定为危险或者需要外部设备执行某一动作时，可以通过控制驱动器控制对外输出动作电平进行外部设备动作控制。采用内置供电电池供电时，如果需要执行控制动作，将会持续工作直至电池能量无法维持。

压力传感器6为压敏电阻，温度传感器7为热敏电阻，且热敏电阻紧贴电池外壳外表面，烟雾传感器8为光电开关。

锂电池的高温导致热失控是一个时间相对较长，温度较快升高的过程，可能是内部或者外部因素导致。本实用新型采用热敏电阻紧贴电池组的安装面。出于安全和强度等考虑，绝大多数的电池组均采用金属材料制成，而金属一般都是热的良导体，当电池箱内部电池出现快速升温时，热量能够较为快速地传递至电池组的金属外壳，此时紧贴电池组外壳的热敏电阻能够较为快速地感知温度变化，通过微处理器可以快速对温度变化状况进行判断。

锂电池热失控时，往往伴随着电解液的迅速汽化，短时间内大量气体从电池中涌出，导致电池箱内压力增大。虽然有些电池箱设计有泄压阀，但是压力的释放不能阻止锂电池燃烧，多数时候这种气体释放现象在短时间不能被外部人员或监测设备感知，也就不能快速判断电池组出现异常，本实用新型采用压敏电阻感知电池箱中气压的变化，通过微处理器可以快速对气压变化状况进行判断。

锂电池热失控燃烧时，通常会冒出白色烟雾，有些锂电池如磷酸铁锂类，可能不会发生明显燃烧，也依然会冒出白色烟雾。当电池冒出可见白色烟雾时，通常内部已经是充满了白色气体，本实用新型采用光电开关来感知电池箱中气体透明度的变化，通过微处理器可以快速对气体透明度状况进行判断。

电源电路包括电池充电、DC/DC降压稳压和供电切换，电池充电与DC/DC降压稳压和内置供电电池电性连接，DC/DC降压稳压与供电切换电性连接，供电切换与内置供电电池电性连接，电池充电用于通过外部供电对内置供电电池进行充电，DC/DC降压稳压用于降压，能够适应外部很宽的外部供电电压范围，供电切换用于识别外部电源或是内部电源。

声音预警由蜂鸣器组成，可进行声音提示，光电预警由发光二极管组成，可进行灯光指示，电讯号预警由驱动器和通信芯片组成，可以通过通信接口输出，同时也可通过信号线进行电平指示。

控制电路由控制驱动器组成，控制驱动器可对外输出动作电平进行外部设备动作控制。

气体传感器5为可选设备。

需要说明的是，本实用新型为锂电池组锂电池包安全预警控制模块，当电芯出现异常时，比如钢针穿刺出现热失控，会导致出现高温、高压气体甚至燃烧。或者遇到电池箱挤压变形，电芯受损，电解液泄漏，电解液挥发产生气体，形成烟雾，温度也很快升高。其中高温和高压均在燃烧之前出现。通过紧贴于电池箱的热敏电阻能够迅速探知温度变化，通过压敏电阻能迅速感知压力变化。电芯释放的气体能很快地增加箱内气压，压敏电阻也能及时探知压力变化。其不透明的烟雾也会使得光电开关进行动作，从而得知烟雾产生。由于没有需要预热的传感器或是器件，上电即可迅速进入工作状态，能够迅速进行探测。即使是电芯轻度的异常，温升不明显，但是随着时间的增加，其内部气体压力和烟雾浓度逐渐升高，微处理器能够感知这些变化，而提前给出预置的信号指示，做到提前预警；能够对外进行警示。内部微处理器根据温度、压力和烟雾的探测情况进行声光电指示，告知外部监测设备或人员。当处于密闭环境，外部供电故障，线路受损，不能外部供电和通信，不能进行光电警示。内置供电电池依然能够使得模块通过蜂鸣器发声，尽可能地对异常情况进行警示；温度、压力和烟雾探测器的使用限制条件极少，其工艺成熟，性能稳定，适应温度范围广。上电即能正常工作。功耗低，利用内置供电电池进入低功耗模式，依然可以工作较长时间。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.锂电池组锂电池包安全预警控制模块，包括微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池，其特征在于：所述微处理器、预警电路、控制电路、电源电路和内置供电电池均设置于电池外壳内部，所述微处理器电性连接有气体传感器(5)、压力传感器(6)、温度传感器(7)和烟雾传感器(8)，所述预警电路由声音预警(9)、光电预警(10)和电讯号预警(11)组成，所述微处理器与预警电路、控制电路和电源电路均电性连接，所述预警电路和控制电路电性连接，所述电源电路和内置供电电池呈一体结构且两者电性连接，所述电源电路与外部供电和通讯接口电性连接。

2.根据权利要求1所述的锂电池组锂电池包安全预警控制模块，其特征在于：所述压力传感器(6)为压敏电阻，所述温度传感器(7)为热敏电阻，且热敏电阻紧贴电池外壳外表面，所述烟雾传感器(8)为光电开关。

3.根据权利要求2所述的锂电池组锂电池包安全预警控制模块，其特征在于：所述电源电路包括电池充电、DC/DC降压稳压和供电切换，所述电池充电与DC/DC降压稳压和内置供电电池电性连接，所述DC/DC降压稳压与供电切换电性连接，所述供电切换与内置供电电池电性连接，所述电池充电用于通过外部供电对内置供电电池进行充电，所述DC/DC降压稳压用于降压，能够适应外部很宽的外部供电电压范围，所述供电切换用于识别外部电源或是内部电源。

4.根据权利要求3所述的锂电池组锂电池包安全预警控制模块，其特征在于：所述声音预警由蜂鸣器组成，可进行声音提示，所述光电预警由发光二极管组成，可进行灯光指示，所述电讯号预警由驱动器和通信芯片组成，可以通过通信接口输出，同时也可通过信号线进行电平指示。

5.根据权利要求4所述的锂电池组锂电池包安全预警控制模块，其特征在于：所述控制电路由控制驱动器组成，控制驱动器可对外输出动作电平进行外部设备动作控制。

6.根据权利要求5所述的锂电池组锂电池包安全预警控制模块，其特征在于：所述气体传感器(5)为可选设备。

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