CN219319667U - 电池机构及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电池机构及车辆，涉及电动汽车安全运行技术领域，所述电池机构包括监测装置，监测装置包括：气味检测组件，用于检测所述电池的电解液的气味，并生成第一气味信号；核心监测模块，与所述气味检测组件通信连接，接收所述第一气味信号，并对所述第一气味信号进行处理与决策运算。本申请利用气味检测组件对电池的电解液的气味进行检测，一旦出现电池单体外包装破损的情况，电解液会泄漏，并挥发到环境中以及与环境中的其余物质发生化学反应，如此便会被气味检测组件检测到，从而可以提前数天甚至数月发现电池系统出现事故的隐患，进而起到了预防电池系统热失控的作用，减少热失控出现的几率。

Description

电池机构及车辆

技术领域

本申请涉及电动汽车安全运行技术领域，尤其是涉及一种电池机构及车辆。

背景技术

随着电动汽车的推广和普及，其安全性越来越受到关注，其中，电动汽车所使用的电池模组的安全性首当其冲。

针对电池模组例如锂离子动力电池，现有技术中提供有如下安全措施。

一些现有在线监测方案中，采用电池模组环境参数采集装置，这种装置通常烟雾浓度传感器、气体浓度传感器、温度传感器、火焰传感器，需要检测浓度的气体主要是CO(即一氧化碳)，也包括O2(即氧气)，CO2(即二氧化碳)，C2H2(即乙炔)，CH4(即甲烷)等。通过这些参数来判断锂离子动力电池是否发生了热失控，如出现了热失控则进行报警和灭火操作。

还有一些现有在线监测方案中，集成温度、CO、VOC(即Volatile OrganicCompounds，易挥发的有机物质)和烟雾传感器，通过这些传感器采集的温度、气体浓度和烟雾信号，判断锂电池是否出现了热失控，并进而判断是否采取措施进行报警和灭火操作。

此外，现有方案中，为了检测电池是否有漏液，目前常见的办法是人工使用VOC)探测仪器。例如在停车的情况下，打开电池箱体上的呼吸阀或者维修孔，手工把VOC探头伸到电池箱体内，检查电池箱体内是否有电解液挥发所产生的有机气体。这个方法只能作为售后定期维护的方法使用，是一种离线的方法，不能及时发现问题。

然而，锂离子电池热失控发生后，在数秒到数分钟之内，会迅速加剧和蔓延，并可能导致整个电池组起火。这个过程因高温导致了一系列变化的发生，包括汽化、燃烧以及物质分解等。以上所提及的现有的在线监测方案都是在电池发生热失控后，针对性检测这些变化(如温度升高、分解产物分子)，来判断电池出现了热失控，从而采取应对措施。

这导致现有在线监测方法只能在一定程度上帮助司乘人员在热失控发生后，尽早获得信息，争取更多的逃生机会，却不能预防热失控的发生，减少热失控出现的几率。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种电池机构及车辆，以在一定程度上预防热失控的发生，减少热失控出现的几率。

第一方面，本申请提供一种电池机构，所述电池机构包括电池系统以及包括监测装置和/或监测系统，所述监测系统包括监测装置，用于监测所述电池系统，所述监测装置还用于与包括采样装置的电池管理系统的采样装置电连接，所述监测装置包括：

气味检测组件，用于检测所述电池的电解液的气味，并生成第一气味信号；

核心监测模块，与所述气味检测组件通信连接，接收所述第一气味信号，并对所述第一气味信号进行处理与决策运算；

端口组件，与所述核心监测模块通信连接，所述端口组件用于对外通信以及与所述电池系统电连接；所述端口组件形成为接插件，所述接插件包括如下接口：电源正、电源负、CANH、CANL、CANG、唤醒、开关量输入/输出、驱动输出；

电源转换模块，所述电源转换模块与所述端口组件电连接；

所述气味检测组件还用于检测封装所述电池系统的材料在温度升高时产生的气味，并生成第二气味信号；封装所述电池系统的材料包括绝缘材料，所述绝缘材料为聚四氟乙烯、PVC、聚烯烃、尼龙、聚氨酯、PI或PET；

所述气味检测组件为传感器阵列，所述传感器阵列的数量为多个，每个所述传感器阵列中有多个气味传感器，每个所述传感器阵列中包括的所述多个气味传感器为同种类，不同所述传感器阵列采用的所述气味传感器不同，所述传感器阵列与核心监测模块集成为一体；

所述电源转换模块将整车端的12/24V电转换成所述核心监测模块以及所述气味传感器适配的电源；

所述监测系统还包括：

多个分布气味检测组件，与所述核心监测模块通信连接，并分别相对于所述电池系统设置于不同于所述气味检测组件的所在位置的不同位置。

优选地，所述电池机构包括：

电池箱，所述电池系统、所述监测装置和/或所述监测系统设置于所述电池箱内；

电池管理系统，设置于所述电池箱体内并包括采样装置，所述监测装置和/或所述监测系统与所述采样装置通信连接。

优选地，所述监测装置和/或所述监测系统与所述采样装置集成为一体。

第二方面，本申请提供一种车辆，所述车辆包括上所述的电池机构。

优选地，所述电池系统包括所述监测系统，所述车辆还包括：

整车控制器，与所述监测系统通信连接，并用于对整车和所述电池机构作出安全决策；

组合仪表，与所述监测系统通信连接，显示所述电池机构的工作状态和报警状态。

本申请利用气味检测组件对电池的电解液的气味进行检测，一旦出现电池单体外包装破损的情况，电解液会泄漏，并挥发到环境中以及与环境中的其余物质发生化学反应，如此便会被气味检测组件检测到，从而可以提前数天甚至数月发现电池系统出现事故的隐患，进而起到了预防电池系统热失控的作用，减少热失控出现的几率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了监测装置的示意图；

图2示出了电池箱的轴测图的示意图；

图3示出了电池箱及电池系统的爆炸图的示意图；

图4示出了监测装置的接线与通信关系的示意图；

图5示出了监测系统与整车的各控制器的连接关系的示意图。

附图标记：

100-监测装置；110-接插件；120-电源转换模块；130-核心监测模块；140-传感器阵列；

200-电池系统；300-电池箱；310-箱体；320-上盖；330-采样装置；400-分布传感器阵列；500-低压插件；

600-监测系统；700-整车控制器；800-组合仪表；900-电池管理单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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申请中的具体含义。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

根据本申请的第一方面提供一种监测装置100，包括气味检测组件、核心监测模块130和端口组件，以下将结合图1具体描述前述部件的结构和工作原理。

在实施例中，监测装置100用于监测电池，例如锂离子电池。为了明确监测装置100的原理，以下将首先对锂离子电池所在的电池系统200发生热失控的原因进行说明。具体而言，前述电池系统200发生热失控的原因，可以分为以下两类。

第一类原因是锂离子电池本身出现问题。锂离子电池的单体为密封的结构，锂离子电池包括软包电池、方壳电池、圆柱形电池三类，它们的内部通常均包括正负极片、用于隔开正负极片的隔膜以及电解液。

因此，根据以上所提到的锂离子电池的结构特点，“锂离子电池本身的问题”实际上可以总的理解为锂离子电池密封失效，根据密封失效的原因不同则又可归纳为如下4种情形。

情形一：制造缺陷使得电池密封失效。具体到具体的锂离子电池的类型则例如为软包装电池极耳处开胶、方壳电池焊缝砂眼以及圆柱电池滚槽封口失效等，这些失效情况均导致了电池内部与周围环境或者大气联通。

情形二：由于电池使用温度过高(例如大于50-60℃)、或者过充过放导致电解液的电化学分解，形成“产气”现象，这使得电池内部压力增大，最终电池外包装涨破，导致电池泄漏。

情形三：由于制造过程中引入的粉尘颗粒、充放电过程导致的锂枝晶生长，可能造成电池出现内部短路或者微短路，从而导致发热和内部压力增大，进而冲破电池外包装，造成电池密封失效。

情形四：外力作用导致电池外壳破损，或者直接刺穿电池导致电池短路。

以上提到的电池单体外包装的破损会使得电池内部或者外部产生一系列的化学反应，带来较为严重的危害。首先，电池内部的易燃电解液的部分会挥发到环境中，造成起火隐患的同时，也会因电解液干涸导致电池性能下降。其次，空气中的水分子由此进入电池中，会分解电解液中的六氟磷酸锂，产生有害的HF(即氟化氢)气体。接着，空气中的氧气会和充满电的负极反应，消耗活性锂并发热。最后部分液体电解液流到电池外部，会造成金属腐蚀或形成盐桥，导致电池系统200的绝缘遭到破坏，引发电路短路等事故。

然而，本申请意识到，某一个电池外包装的破损，往往并不会马上导致电池出现热失控。甚至在情形一和情形二者两种情形下，电池系统200还可以“正常”工作相当长时间(数天甚至数月)。所以这类潜在问题特别不容易被发现，这也导致背景技术部分所提及的现有技术所采用的温度、烟雾传感器等对此均没有响应，因此无法起到预防热失控的作用。

对此，在本实施例中，气味检测组件用于检测电池系统200的电解液的气味，并生成第一气味信号。核心监测模块130与气味检测组件通信连接，接收第一气味信号，并对第一气味信号进行处理与决策运算。

根据以上描述，这里的“电解液的气味”应被理解为包括电解液所包括的物质挥发所产生的气味以及电解液所包括的物质与其余物质发生化学反应所产生的产物的气味(例如上述HF)。

如此，本实施例利用气味检测组件对电池的电解液的气味进行检测，一旦出现电池单体外包装破损的情况，电解液会泄漏，并挥发到环境中以及与环境中的其余物质发生化学反应，如此便会被气味检测组件检测到，从而可以提前数天甚至数月发现电池系统200出现事故的隐患，进而起到了预防电池系统200热失控的作用。

特别优选的是，气味检测组件为传感器阵列140，并且数量可以为至少一个例如多个。传感器阵列140可以包括多个不同种类或者同种类的气味传感器。设置多个传感器阵列140和多个气味传感器可以确保气味检测组件对气味检测的全面性，进而增加监测装置100的监测准确性。

例如设置多个传感器阵列140，每个传感器阵列140中有多个气味传感器，每个传感器阵列140中包括的多个气味传感器为同种类，但不同传感器阵列140采用的气味传感器不同；或者例如设置一个传感器阵列140，传感器阵列140中包括的多个气味传感器为不同种类。

利用气味传感器对气味的灵敏响应的特性，采用以上设置的监测装置100同样具有灵敏响应的特点。作为示例，下表为锂离子电池的电解液常见的溶剂组分，这些组分为本实施例中气味传感器针对性监测的组分。

在实施例中，核心监测模块130内设置有检测电路和核心监测板，利用前述气味传感器对电解液的气味产生的明显的电流或者电压变化所形成的第一气味信号，经过放大和滤波电路处理，输出到核心监测板，如果超过设定的阈值，核心检测板则通过无线或者有线的形式向外发送报警信号。

这里的过无线或者有线的形式可以通过端口组件实现，例如有线端口或者无线端口。在实施例中，例如可以采用有线端口，端口组件可以形成为接插件110，接插件110可以与核心监测模块130通信连接，用于对外通信，即核心监测模块130还用于与其余控制器例如下述各个控制器进行数据传输，这将在后续的描述中说明。此外，端口组件可以形成为接插件110。接插件110可以包括如下接口：电源正(POW+)、电源负(GND)、CANH、CANL、CANG、唤醒、开关量输入/输出、驱动输出。也就是说，接插件110还可以用于连接电源。

具体而言，监测装置100还可以包括电源转换模块120，电源转换模块120与接插件110电连接，电源转换模块120为气味传感器和核心监测模块130供电。例如电源转换模块120将整车端的12/24V电转换成核心监测模块130以及气味传感器等适配的电源。

进一步地，电池系统200发生热失控的第二类原因为外部连接电路出现问题。事实上，电动汽车的事故70％以上都是由于电路系统的故障导致的。电路的连接点可能因为螺栓松动、插件锈蚀以及虚焊等原因造成局部电阻增大，导致在电流经过时异常发热，造成局部高温。因为电动汽车的电流通路上往往都包覆着塑料和橡胶类等绝缘材料，高温会灼烤这些绝缘材料，使之熔化、烧毁，产生刺鼻的气味，进而导致绝缘失效，引发短路事故，最终造成电池或者电路系统失火。在电动车的安全事故中，这类原因占比很高。

虽然背景技术部分未提及，但以往的技术是通过在关键连接点设置温度探头来预防。但是电动车的电路复杂，电气连接点很多，温度探头只能覆盖少数连接点。本申请意识到，因为电池系统200往往设计成IP67的防护等级，绝缘材料被灼烤时发出的刺鼻气味，往往难以被司乘人员及时发现。这些都贻误了发现潜在隐患的时机，最终导致起火事故的发生。

电路连接点接触不良的程度和通过电流大小，决定了异常高温的温度。而不同的温度下，绝缘材料被灼烤至绝缘失效的时间也差别很大，与第一类热失效的情况类似的是，这类失效所需的时间从数分钟到数月都有可能。

对此，气味检测组件还用于检测封装电池系统200的材料在温度升高时产生的气味，并生成第二气味信号。例如，根据封装电池系统200的材料在温度升高时产生的气味设置对应这些气味的气味传感器，从而获取对应这些气味的第二气味信号。前述封装电池系统200的材料可以包括绝缘材料，如塑料和橡胶类等材料，例如聚四氟乙烯、PVC、聚烯烃、尼龙、聚氨酯、PI、PET等等。

由于气味传感器对绝缘材料灼烧时产生的气味有敏感响应，当电路发生局部过热时，能够敏感地“嗅”到焦糊味，从而能够远在绝缘失效之前，提前发现电路上的安全隐患，预防事故的发生。优选地，传感器阵列140可以与核心监测模块130集成为一体，也可以单独成组，搭配核心监测模块130进行分布式排列。

本实施例还提供一种监测系统600，监测系统600包括上的监测装置100。这里可以参见图4，监测系统600还可以包括多个分布传感器阵列400，多个分布传感器阵列400可以与上述核心监测模块130通信连接，并分别相对于电池系统200设置于不同于上述气味检测组件的所在位置的不同位置。具体而言，分布传感器阵列400可以与上述气味检测组件具有同样的结构，即形成为传感器阵列140，但区别在于，这些气味传感器阵列140可以设置于下述电池系统200的各处，这样可以进一步提高监测系统600进行监测的全面性。

本实施例还提供一种电池机构，包括上述电池以及包括如上的监测装置100和/或如上的监测系统600。在以下的示例中，将以电池机构包括监测系统600为例进行说明。

如图2和图3所示，电池机构可以包括电池箱300，电池箱300包括电池箱300体和上盖320，电池系统200、监测装置100和/或监测系统600例如监测系统600被封装于电池箱300内。电池机构还可以包括电池管理系统，电池管理系统可以设置于电池箱300体内并包括采样装置330例如采样板，监测装置100和/或监测系统600例如监测系统600与采样装置330通信连接。

在实施例中，具体地，电池箱300可以为防护等级IP67以上的封闭箱体310，内装有电池系统200、采样装置330即电池电压温度采集板(LECU)以及监测系统600。参见图4，装在电池箱300上面的低压插件500用于电池箱300内LECU、监测系统600的供电以及通讯等电信号的连接。采样装置330是电池管理系统(BMS)的重要组成部分，为电池管理电源提供单体电池电压和温度信息。监控系统中的传感器阵列140可以根据需要布置在例如电池箱300的一个或多个位置。作为一种示例，监测装置100和/或监测系统600例如监测系统600可以与采样装置330集成为一体，做成“电池电压温度气味采集板”布置在箱体310中。

本实施例还提供一种车辆，车辆包括如上的电池系统200。电池系统200包括监测系统600，车辆还包括整车控制器700和组合仪表800。参见图5，整车控制器700可以与监测系统600通信连接，并用于对整车和电池做出安全决策；组合仪表800可以与监测系统600通信连接，显示电池系统200的工作状态和报警状态。监测系统600与各控制器(即整车控制器700、组合仪表800和上述电池管理单元900)之间可以通过CAN通讯或者开关量的输入/输出进行数据的交互，或者串口通讯方式实现交互。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是在本申请的创新构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种电池机构，其特征在于，所述电池机构包括电池系统以及包括监测装置和/或监测系统，所述监测系统包括监测装置，用于监测所述电池系统，所述监测装置还用于与包括采样装置的电池管理系统的采样装置电连接，所述监测装置包括：

气味检测组件，用于检测所述电池的电解液的气味，并生成第一气味信号；

核心监测模块，与所述气味检测组件通信连接，接收所述第一气味信号，并对所述第一气味信号进行处理与决策运算；

端口组件，与所述核心监测模块通信连接，所述端口组件用于对外通信以及与所述电池系统电连接；所述端口组件形成为接插件，所述接插件包括如下接口：电源正、电源负、CANH、CANL、CANG、唤醒、开关量输入/输出、驱动输出；

电源转换模块，所述电源转换模块与所述端口组件电连接；

所述气味检测组件还用于检测封装所述电池系统的材料在温度升高时产生的气味，并生成第二气味信号；封装所述电池系统的材料包括绝缘材料，所述绝缘材料为聚四氟乙烯、PVC、聚烯烃、尼龙、聚氨酯、PI或PET；

所述气味检测组件为传感器阵列，所述传感器阵列的数量为多个，每个所述传感器阵列中有多个气味传感器，每个所述传感器阵列中包括的所述多个气味传感器为同种类，不同所述传感器阵列采用的所述气味传感器不同，所述传感器阵列与核心监测模块集成为一体；

所述电源转换模块将整车端的12/24V电转换成所述核心监测模块以及所述气味传感器适配的电源；

所述监测系统还包括：

多个分布气味检测组件，与所述核心监测模块通信连接，并分别相对于所述电池系统设置于不同于所述气味检测组件的所在位置的不同位置。

2.根据权利要求1所述的电池机构，其特征在于，所述电池机构包括：

电池箱，所述电池系统、所述监测装置和/或所述监测系统设置于所述电池箱内；

电池管理系统，设置于所述电池箱体内并包括采样装置，所述监测装置和/或所述监测系统与所述采样装置通信连接。

3.根据权利要求2所述的电池机构，其特征在于，所述监测装置和/或所述监测系统与所述采样装置集成为一体。

4.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求1至3中任一项所述的电池机构。

5.根据权利要求4所述的车辆，其特征在于，所述电池系统包括所述监测系统，所述车辆还包括：

整车控制器，与所述监测系统通信连接，并用于对整车和所述电池机构作出安全决策；

组合仪表，与所述监测系统通信连接，显示所述电池机构的工作状态和报警状态。

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