CN218632198U - 一种用于预防锂电池热失控的传感器模块及锂电池组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于预防锂电池热失控的传感器模块及锂电池组，传感器模块包括电路基板，所述电路基板上设置有温度检测模块、气压传感器、气体总量传感器和BMS接线端子；所述温度检测模块、气压传感器和气体总量传感器分别与BMS接线端子连接；所述温度检测模块包括FPC线和多个温度传感器，所述温度传感器设置在FPC线上，所述FPC线一端固定在电路基板上；传感器模块安装于锂电池组内部。本实用新型的优点在于：将传感器模块嵌入到了锂电池组内部，且对每块电池单独进行温度监测，通过嵌入式传感器实时检测锂电池内部的温度、气压和气体总量信号，实现了锂电池内部状态的实时预诊，可实现锂电池热失控的预防性保护。

Description

一种用于预防锂电池热失控的传感器模块及锂电池组

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，特别是涉及一种用于预防锂电池热失控的传感器模块及锂电池组。

背景技术

锂电池具有能量密度高、循环寿命长、环境友好、无记忆效应等优点，作为电动乘用车、便携式电子设备、分布式储能等领域的核心部件。锂电池在遭遇机械滥用、电滥用、热滥用时极易发展成为热失控，对其安全性产生极大威胁。为提高锂电池抗热失控风险能力，在符合出厂安全检测指标前提下，在其应用场景内引入热失控早期预警机制，在以锂离子电池为动力的应用系统安全管理中具有非常重要的实用价值。

锂电池热失控发展过程中，通常伴随着电池温度、电压、电流以及副反应所释放出来的气体成分及其浓度的变化，因此在应用时，将电池温度、电压、电流以及副反应所释放出来的气体成分作为电池热失控故障辨识参数，引入热失控早期预警机制，是当前以锂电池为动力的应用系统安全管理升级的主要手段。基于此，研究人员相继提出了基于电池管理系统(BMS)实时监测电池电压、电流、电池表面温度等外部信号的热失控预警技术、基于电池内部状态(内部阻抗相移等)预测的热失控预警技术、基于气体检测的锂电池热失控早期预警技术(US10877011；CN201711401706)等，并通过实验室试验和实际现场应用验证了相关预警技术确实可行。

锂电池热失控萌芽阶段，锂电池内部已发生故障(即内部状态已发生改变)，但由于电池外部特征识别参数(温度、放电电压、放电电流、释放气体等)的变化非常缓慢，相关电池故障信息难以通过当前BMS及早地侦测到。与此同时，由于缺乏针对电池内部状态参数的有效嵌入式传感器，故而当前只能通过锂电池外部特征识别参数来实现锂电池的热失控早期预警，时效性远落后于基于内部状态预测的热失控预警技术，难以做到锂电池热失控的预防性保护。

实用新型内容

本发明的目的在于提供一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，将传感器模块设计在锂电池组内部，从而解决现有的锂电池热失控只能检测电池外部数据，故障预警过慢的问题。

一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，包括：

电路基板，所述电路基板上设置有温度检测模块、气压传感器、气体总量传感器和BMS接线端子；所述温度检测模块、气压传感器和气体总量传感器分别与BMS接线端子连接；

所述温度检测模块包括FPC线和多个温度传感器，所述温度传感器设置在FPC线上，所述FPC线一端固定在电路基板上。

优选的，所述温度传感器为电阻型温度传感器或热电偶型温度传感器。

优选的，所述温度传感器为热电偶型温度传感器，具体包括第一电阻丝和第二金属丝，第一电阻丝和第二金属丝构成热电偶，并布置在FPC线上，第一电阻丝和第二金属丝一端相连，另一端通过导线分别与BMS接线端子连接，第一电阻丝和第二金属丝相连的一端构成热点偶的热端，另一端为冷端。

优选的，所述气压传感器为电容型气体压力传感器，其压敏膜材料为聚酰亚胺，电连接材料为金，芯片基片为氧化铝陶瓷。

优选的，所述气体总量传感器为热导传感器，其热敏电阻材料为氮化钛，电连接材料为金，芯片基片为氧化铝陶瓷。

一种锂电池组，包括壳体和上述的用于预防锂电池热失控的传感器模块，所述壳体内设置有多个锂电池，所述传感器模块设置于壳体内部，所述电路基板固定在锂电池上方，所述FPC线贴合于锂电池侧面，并使得每个锂电池侧面均布置有温度传感器。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)本发明的传感器模块嵌入到了锂电池组内部，且对每块电池单独进行温度监测，通过嵌入式传感器实时检测锂电池内部的温度、气压和气体总量信号，实现了锂电池内部状态的实时预诊，可实现锂电池热失控的预防性保护；

(2)传感器模块采用微机械加工(MEMS)技术制备，柔性且小体积，兼容已有锂电池设计，且具有长寿命、长期稳定、高安全性等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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为本实用新型传感器模块结构示意图；

图2为本实用新型锂电池组和传感器模块结构示意图；

图3为本实用新型热电偶型温度传感器结构示意图；

图4为本实用新型异常检测流程图。

附图标记如下：

1壳体，2锂电池，3电路基板，31温度检测模块，32气压传感器，33气体总量传感器，34BMS接线端子，3101FPC线，3102冷端电阻丝，3103热端电阻丝。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

参考图1-2，一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，包括电路基板3，电路基板3上设置有温度检测模块31、气压传感器32、气体总量传感器33和BMS接线端子34；所述温度检测模块31、气压传感器32和气体总量传感器33分别与BMS接线端子34连接；

所述温度检测模块31包括FPC线3101和多个温度传感器，所述温度传感器设置在FPC线3101上，所述FPC线3101一端固定在电路基板3上。

传感器模块设计在锂电池组内部，传感器模块中的温度检测模块31、气压传感器32、气体总量传感器33的信号通过BMS接线端子34引出，连接到锂电池组外部的BMS模块上，FPC线3101上设置多个温度传感器，每个温度传感器贴在一个电池的侧面，从而通过检测每个电池的温度信息，实时检测电池的运行状况。

本发明的传感器模块应具有优异的长期稳定性和安全性，有效寿命不低于锂电池的使用年限。

温度检测模块31具备耐腐蚀、耐高温等强环境适应性，以及小体积和柔性，一方面减少对电池结构、功能及做功能力的影响，另一方面满足锂电池内部温度场的三维立体检测。温度传感器31可采用基于柔性印刷电子(FPC)技术的电阻型温度传感器(如铂电阻、镍电阻等)或热电偶型温度传感器(如铜/康铜电对等)。

本方案优选基于铜/康铜热电偶作为温度传感器31，温度传感器31具体包括第一电阻丝(铜)和第二金属丝(康铜)，第一电阻丝和第二金属丝构成T型热电偶，并布置在FPC线3101上，第一电阻丝和第二金属丝一端相连，另一端通过导线分别与BMS接线端子(34)连接，第一电阻丝和第二金属丝相连的一端构成热点偶的热端3103，第一电阻丝和第二金属丝靠近电路基板3的一端为冷端3102。

请参见图3，第一电阻丝和第二金属丝可以很好的制作在FPC线上3101上，且电阻丝和FPC线均可以弯折，使得FPC线可以方便的缠绕在电池上，且通过电路上设计多组热电偶，每个热电偶在FPC线上的长度不同，使得每个电池侧均设有热电偶的热端3103(即热电偶的检测端)，从而对每个电池进行温度检测。

为了增加热电偶测温电路的准确性，还可以在热电偶的冷端增加温度传感器。

锂电池属于气密结构，在壳体结构完整或泄压阀未开启状态下，其内部因其他滥用因素产生的气体，一方面增加了内部气体压力，另一方面增加了内部气体总量。因此通过检测锂电池内部气体压力(P)值和气体总量(C)值，可以知悉其内部已发生的副反应程度及深度，可及时预判锂电池热失控的概率与进度。

本发明采用气体压力传感器32和气体总量传感器33用于检测气体压力P值和气体总量C值。气体压力P值和气体总量C值，一方面可以表征电池内部气体的总量随电池服役时间的变化趋势，另一方面可以表征电池包的结构完整性。

锂电池内部气体主要为锂电池电解液蒸汽、电池过充释气、包装残留等，量少且具有一定的腐蚀性和易燃易爆特性，要求气体压力传感器32和气体总量传感器33应具有良好的化学稳定性、安全性和环境适应能力。

本发明中，气体压力传感器32和气体总量传感器33均采用微机械加工(MEMS)技术制备，用于构成传感器的壳体、封装、芯片等均具有良好的耐化学腐蚀性，尤其是耐氟化氢(HF)和有机溶剂腐蚀。

本发明中，气体压力传感器32为绝压式工作原理，具体工作原理为电容型或电阻型。优选温度不敏感的电容型气体压力传感器，其压敏膜材料优选聚酰亚胺、电连接材料优选金、芯片基片优选氧化铝陶瓷。

本发明中，气体总量传感器33为热导传感器，具体工作原理为气体热导率测量。热导传感器的热敏电阻应采用耐化学腐蚀的金属薄膜，同时还应考虑到可能存在高浓度的氢气/一氧化碳与氧气的混合气体等因素，本发明气体总量传感器33的热敏电阻材料优选氮化钛、电连接材料优选金、芯片基片优选氧化铝陶瓷。

工作过程：温度检测模块31检测每块锂电池的温度值，气压传感器32、气体总量传感器33获取锂电池组内部的气压值P和气体总量C，通过BMS接线端子34传输至电池BMS模块，进而判断实现锂电池组1内部工作状态，并进行异常状态的报警。

如图4所示，具体报警判断过程如下：

本发明还进一步提供了预防锂电池热失控的预防性保护方法，具体包括：

(1)第一步，传感器模块通过温度检测模块31获得锂电池内部的温度场信息，并进行温度T值和温度变化率△T是否超过阈值。如温度T和温度变化率△T均正常，则进入下一步；如温度T和温度变化率△T异常，则向BMS模块触发温度异常报警信息。

(2)第二步，传感器模块通过气体压力传感器32获得锂电池内部的气压信息，并进行气压P值和气压变化率△P是否超过阈值。如气压P和气压变化率△P均正常，则进入下一步；如气压P和气压变化率△P异常，则向BMS模块触发气压异常报警信息。

(3)第三步，传感器模块通过气体总量传感器33获得锂电池内部的气体总量信息，并进行气体总量C值和气压变化率△C是否超过阈值。如气体总量C和气压变化率△C均正常，则进入下一步；如气体总量C和气压变化率△C异常，则向BMS模块触发气体总量异常报警信息。

锂电池在正常工作时，其内部温度一方面会随着充放电过程的进行而升高，另一方面随着外界环境的波动而改变，因此需消除这些因素的影响，本发明采用温度值T和温度变化率△T作为判断锂电池内部温度变化是否正常的参数，通过差值比较法剔除电池内部充放电放热和外界环境温度波动而引起的温度异常信号。

本发明采用锂电池内部温度T、气压P和气体总量C为内部状态诊断参数，通过传感器模块实时检测锂电池内部的温度T、气压P、气体总量C信号，实现了锂电池内部状态的实时预诊，可实现锂电池热失控的预防性保护。

所采用的传感器模块具有长寿命、长期稳定、高安全性等特点，柔性且小体积，兼容已有锂电池设计。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，其特征在于，包括：

电路基板(3)，所述电路基板(3)上设置有温度检测模块(31)、气压传感器(32)、气体总量传感器(33)和BMS接线端子(34)；所述温度检测模块(31)、气压传感器(32)和气体总量传感器(33)分别与BMS接线端子(34)连接；

所述温度检测模块(31)包括FPC线(3101)和多个温度传感器，所述温度传感器设置在FPC线(3101)上，所述FPC线(3101)一端固定在电路基板(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，其特征在于，所述温度传感器为电阻型温度传感器或热电偶型温度传感器。

3.根据权利要求2所述的一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，其特征在于，所述温度传感器为热电偶型温度传感器，具体包括第一电阻丝和第二金属丝，第一电阻丝和第二金属丝构成热电偶，并布置在FPC线(3101)上，第一电阻丝和第二金属丝一端相连，另一端通过导线分别与BMS接线端子(34)连接连接，第一电阻丝和第二金属丝相连的一端构成热点偶的热端(3103)，另一端为冷端(3102)。

4.根据权利要求1所述的一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，其特征在于，所述气压传感器(32)为电容型气体压力传感器，其压敏膜材料为聚酰亚胺，电连接材料为金，芯片基片为氧化铝陶瓷。

5.根据权利要求1所述的一种用于预防锂电池热失控的传感器模块，其特征在于，所述气体总量传感器(33)为热导传感器，其热敏电阻材料为氮化钛，电连接材料为金，芯片基片为氧化铝陶瓷。

6.一种锂电池组，其特征在于，包括：壳体(1)和如权利要求1至5任意一项所述的用于预防锂电池热失控的传感器模块，所述壳体(1)内设置有多个锂电池(2)，所述传感器模块设置于壳体(1)内部，所述电路基板(3)固定在锂电池上方，所述FPC线(3101)贴合于锂电池侧面，并使得每个锂电池(2)侧面均布置有温度传感器。

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