一种锂电池热失控监测预警装置及方法与流程

1.本发明涉及新能源汽车动力电池技术领域，具体而言，涉及一种锂电池热失控预警监测及方法。

背景技术：

2.随着新能源汽车的普及，人们对于新能源汽车也越来越关注，锂电池凭借其具高容量，高输出电压，高充电率，高能量密度,自放电低和循环特性优良等诸多优势，已经成为车用动力电池的主流选择。但是，其电极材料的高活性与电解质材料的易燃性决定锂电池发生热失控的风险始终存在。
3.在实际过程中,锂电池单体热失控的发生本质上是电解质的剧烈副反应，是一个渐进的过程。在热失控发生的初期,由于锂电池自身的结构特点，电压作为电池的主要输出外参数,往往没有明显变化，伴随着电解质电解液溶剂降解反应，锂电池内部会逸出气体，内部气压和温度升高；随着热失控的进一步加剧，锂电池内部产生大量气体和烟雾，温度和气压达到峰值，直至电池起火燃烧。目前的锂电池热失控预警装置中，主要是通过电压、表面温度以及电池包内的气体、烟雾等特征来进行预警，而实际上这些外显的特征信号往往滞后于电池的内部特征，当发现时已经处于危险阶段，极有可能发生火灾等安全事故。因此在锂电池热失控发生的早期去监控其内部的特征，获得稳定可靠的信号来实现更早的预警有着重要意义。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种锂电池热失控监测预警装置，包括壳体以及设置壳体内的鼓风扇、pcba电路板、co传感器、红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器和温度传感器；
5.所述pcba电路板上集成有控制单元，所述控制单元与所述co传感器、红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器、温度传感器电连接；其中co传感器、红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器、温度传感器分别用于检测壳体内空气中的co浓度、co2浓度、烟雾浓度、气压和温度；
6.所述壳体位于电动汽车的锂电池包内；所述壳体包括上壳体和下壳体，所述下壳体上设有进气口、出气口，鼓风扇固定于所述下壳体上，所述鼓风扇并将外界的空气从进气口吸入并使吸入的空气在壳体内流动后从出气口排出。
7.进一步地，所述壳体内还设有通风板和导流板，所述通风板位于所述鼓风扇上方，所述导流板位于所述通风板和pcba电路板之间，所述通风板和导流板用于使从所述进风口进入的空气一部分从所述出气口流出，另一部分垂直向上流通。
8.进一步地，所述烟雾传感器为气溶胶激光粉尘传感器，所述烟雾传感器固定于所述导流板上，所述烟雾传感器的激光发射方向垂直于导流板上的空气流通方向。
9.本发明还提供一种基于上述的锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测
预警方法，包括：
10.s1.控制单元控制co传感器处于持续性工作状态，控制鼓风扇处于周期性工作状态，控制红外co2传感器、温度传感器、气压传感器、烟雾传感器处于休眠状态，并实时采集co传感器的检测数据；
11.s2.基于co传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态；
12.若判定锂电池处于热失控初始阶段，则发出一级预警信号，同时控制红外co2传感器、温度传感器、气压传感器、烟雾传感器、鼓风扇进入持续性工作状态；
13.s3.控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段；
14.若控制单元判断锂电池进入热失控加剧阶段，则发出二级预警信号。
15.进一步地，所述步骤s2中基于co传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态，具体包括：
16.控制单元监测到co浓度值达到第一阈值时，则判定锂电池进入热失控初始阶段。
17.进一步地，所述步骤s2中基于co传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态，具体包括：
18.控制单元监测到co浓度值随时间的变化率超第一阈值时，则判断锂电池进入热失控初始阶段。
19.进一步地，所述步骤s3中控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段，具体包括：
20.控制单元若检测到红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器及温度传感器的至少任一检测数据超过相应的设定阈值，且co传感器的检测数据超过第二阈值，则判定锂电池进入热失控加剧阶段并由控制单元发出二级预警信号；
21.其中，co浓度的第二阈值高于第一阈值。
22.进一步地，所述步骤s3中控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段之后，所述方法还包括：
23.s4.若在t时间内未检测到红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器及温度传感器的至少任一检测数据超过相应的设定阈值，且co的检测数据未发生变化，则解除一级预警模式并返回步骤s1。
24.进一步地，所述的一级预警信号和/或二级预警信号通过信号灯、声控警报的至少一种方式预警。
25.本发明提供的一种锂电池热失控监测预警装置及方法的有益效果为：该监测预警装置将多个传感器集成于pcba电路板上，提高了装置的集成度，保证了监测预警可靠性。
26.该监测预警装置内设有鼓风扇，鼓风扇工作时可搅动电池包内气体，加快了气体的置换，使各传感器能快速地响应，从而能更快速地预警；
27.该监测预警装置的红外co2传感器、烟雾传感器、温度传感器及气压传感器在锂电池正常工作时处于休眠模式，而鼓风扇处于周期性工作模式，这样不仅大大降低了该装置的功耗，而且延长烟雾传感器激光器和鼓风扇的使用寿命。
28.该监测预警方法利用锂电池热失控初期电解液泄漏会产生co气体的浓度变化特点和后期其他信号气体及环境参数变化特点，设置了分级预警工作模式，为车内人员遭遇
锂电池发生热失控起火问题之前预留了充足的反应时间。
附图说明
29.图1是本发明实施例一种锂电池热失控监测预警装置的立体结构示意图。
30.图2是图1中下盖体1的立体结构图。
31.图3是图1中通风板6的结构示意图。
32.图4是本发明实施例一种锂电池热失控监测预警装置的壳体内的空气流道示意图。
33.图5是本发明实施例一种锂电池热失控监测预警方法流程图。
34.上述图中：1-下盖体，11-进气口，12-出气口，2-上盖体，3-鼓风扇，4-pcba电路板，41-烟雾检测模块，42-红外co2检测模块，5-导流板，6-通风板，61-第一通孔，62-第二通孔，63-第三通孔。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
36.请参考图1至图4，一种锂电池热失控监测预警装置，包括壳体以及设置壳体内的鼓风扇3、pcba电路板4。
37.所述壳体为中空矩形，壳体包括上盖体2和下盖体1，上盖体2通过螺钉连接于下盖体1上，所述下盖体1上设有进气口11、出气口12，且下壳体1两侧均设有连接耳，连接耳用于将壳体整体连接于电动电车的锂电池包内。
38.鼓风扇3和pcba电路板4之外，所述壳体内还设有烟雾传感器41、红外co2传感器42、导流板5、通风板6，其中，鼓风扇3设置于下盖体1上，所述通风板6设置于鼓风扇3上方，导流板5设置于通风板6上方，所述pcba电路板4设置于导流板5上方，pcba电路板4上集成有控制单元，烟雾传感器41和红外co2传感器42均固定于pcba电路板4下方。且烟雾传感器41固定于所述导流板5上，红外co2传感器固定于pcba电路板4下表面。
39.pcba电路板4下方还设有气压传感器、温度传感器以及co传感器(气压传感器、温度传感器以及co传感器均贴附于pcba电路板4下表面)，烟雾传感器41、co2传感器42、气压传感器、温度传感器、co传感器均以及鼓风扇3均与控制单元电连接。co传感器、红外co2传感器42、烟雾传感器41、气压传感器、温度传感器分别用于检测壳体内空气中的co浓度、co2浓度、烟雾浓度以及壳体内的气压和温度，并将检测数据发送至控制单元；优选地，所述红外co2检测模块为ndir气体传感器，所述的co传感器为mems(微机电系统)的金属氧化物co传感器。
40.进一步地，通风板6和导流板5用于使从所述进风口进入的气体一部分从所述出气口流出，另一部分垂直向上流通。具体地，所述通风板6上设有三组通孔，分别为第一通孔61、第二通孔62和第三通孔63，所述鼓风扇3用于将壳体外(锂电池包内)空气经过所述导流板5抽至壳体内，一部分气流进行气体中烟雾浓度值检测，最终从出气口流出，另一部分气流在通风板引导下，沿竖直方向向pcba电路板方向流动，从而使设置于pcba电路板上的传感器能快速感测到气体中的co2浓度、co浓度、温度及气压变化，从而提高装置的响应速度。
具体地，鼓风扇3将壳体外气体从进气口抽至壳体内后，气体由第一导气孔61进入通风板6上方，且使经过导流板5后由第二通孔2向下进入通风板6下方，经过鼓风扇3，一部分直接由出气口排出，形成第一空气流道，其中烟雾传感器41固定于导流板5上，第一空气流道的气体经过烟雾传感器41的检测区域，可获取空气中的烟雾颗粒浓度值；另外，由鼓风扇3驱动气体的另一部分气体由通风板6上的第三通孔63向上扩散，穿过导流板5，扩散至pcba电路板4下方，使pcba电路板4下方的co2传感器42、气压传感器、温度传感器、co传感器能快速响应空气中的co2浓度、co浓度、温度及气压。
41.进一步地，所述烟雾传感器41为气溶胶激光粉尘传感器，所述烟雾传感器41固定于所述导流板5上，所述烟雾传感器41的激光发射方向垂直于第一空气流道。
42.所述pcba电路板4上的控制单元还与电动汽车的中央控制器相连，所述控制单元用于根据各传感器感测到的数据判断锂电池的状态，向中央控制器发送相应的预警信息。
43.在电动车的实际使用中，锂电池包热失控的发生本质上是电解质的剧烈副反应，是一个渐进的过程。在热失控发生的初始阶段，由于电池自身的结构特点，电压作为电池的主要输出外参数，往往没有明显变化。当电池电芯受损，电解液开始泄露，泄露的电解液溶剂发生降解反应，电池内部会逸出气体(典型的如co气体)；随着热失控的发生进入加剧阶段，电池内部产生大量气体和烟雾，温度和气压达到峰值，直至电池起火燃烧。从电池开始出现故障直到电池着火是热失控主动预警的黄金时间段，而在这个黄金时间段提供稳定可靠的预警信号至关重要。
44.请参考图5，本发明还提供一种基于上述锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测预警方法，该方法包括如下步骤：
45.s1.控制单元控制co传感器处于持续性工作状态，控制鼓风扇处于周期性工作状态，控制红外co2传感器、温度传感器、气压传感器、烟雾传感器处于休眠状态，并实时采集co传感器的检测数据；
46.需要说明的是，本实施例中鼓风扇采用周期性工作模式，具体的工作频率可以为1min工作8s、1min工作15s、或者1min工作20s等，可以根据具体工作场景进行设置，本方案对此不作限定。
47.具体实施时，红外co2传感器，可以使用红外气体传感器替代传统的气敏传感器，满足现实监测的同时，提高安全监测的时效性、可靠性。另外，烟雾传感器为气溶胶激光粉尘传感器。
48.需要说明的是，经大量现场实验测试发现，在电池出现电解液泄漏或者电芯破损等其它异常初期，还未产生热失控燃烧反应，会首先产生一定的co气体，co2处于一个相对稳定的浓度，此时并没有烟雾产生，温度和气压变化也不是特别明显，因此，本实施例中，会首先控制co传感器处于持续性工作状态，控制鼓风扇处于周期性工作状态，控制红外co2传感器、温度传感器、气压传感器、烟雾传感器处于休眠状态，将对co浓度值的监控作为判断锂电池热失控进入初始阶段的重要手段。
49.s2.基于co传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态；
50.若判定锂电池处于热失控初始阶段，则发出一级预警信号，同时控制红外co2传感器、温度传感器、气压传感器、烟雾传感器、鼓风扇进入持续性工作状态；
51.本实施例中，考虑到热失控发生是一个渐进的过程，各种现象和参数变化并不是
同时发生，为了节约能耗，延长各传感器及相关部件的使用寿命，在判定锂电池进入热失控初始判断阶段之前，将红外co2传感器、烟雾传感器、温度传感器和气压传感器统一控制处于休眠状态，当然，需要说明的是，相比较而言，红外co2传感器和烟雾传感器功耗较高，在其它实施例中，也可以仅仅控制这两个传感器暂时处于休眠状态，温度传感器和气压传感器始终处于正常工作状态。
52.步骤s2中控制单元实时获取各个传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态，具体包括：
53.控制单元监测到co浓度达到第一阈值时，则判定锂电池进入热失控初始阶段；
54.在锂电池的电解液发生泄漏或者其他异常时，电解液发生分解或者与空气反应，会首先释放co气体，引起co浓度的变化，因此，通过对co浓度的监测，可以在锂电池出现故障的初期发出一级预警信号，可以通过信号灯的方式给车内人员警醒。
55.进一步地，还可以在控制单元监测到co浓度随时间的变化率超这第一阈值时，则判断锂电池进入热失控初始阶段。
56.可以理解的是，锂电池热失控的发生是一个非常剧烈的过程，一旦发生，气体的浓度会发生急剧的变化，因此，可以进一步地通过监测co浓度随时间的变化率来进行热失控的判定。
57.s3.控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段；
58.若控制单元判断锂电池进入热失控加剧阶段；则控制单元向电动汽车的中央控制器发出二级预警信号；
59.上述步骤s3中控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段，具体包括：
60.控制单元若检测到红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器及温度传感器的至少任一检测参数超过相应的设定阈值，且co传感器的检测数据超过第二阈值，则判断锂电池进入热失控加剧阶段并由控制单元发出二级预警信号；
61.其中，co浓度的第二阈值高于第一阈值。
62.二级预警信号可以通过声控警报来提醒车内人员弃车逃离。
63.进一步地，所述步骤s3中，控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段之后，所述方法还包括：
64.s4.若在t时间内未检测到红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器及温度传感器的至少任一检测数据超过相应的设定阈值，且co的检测数据未发生变化，则解除一级预警模式且返回步骤s1。
65.可以理解，多种传感器的联合使用，能够有效避免热失控的误报。
66.本发明的电动汽车锂电池热失控监测预警装置及方法具有如下优点：
67.1)可靠性高：该预警装置通过co2、co、温度、气压传感器和烟雾传感器5种传感器集成联用，集成度高，体积小，监测预警可靠性更高。
68.2)快速响应：该预警监测装置内设有鼓风扇，鼓风扇在工作时，搅动锂电池包内气体，加速气体置换，使各传感器对气体能快速响应，可实现更快速预警。
69.3)提前报警：该方法利用锂电池热失控初期电解液泄漏会产生co气体的浓度变化
特点和后期其他信号气体及环境参数变化特点，设置了分级预警工作模式，为车内人员在遭遇锂电池发生热失控起火问题之前预留了充足的反应时间。
70.4)寿命长、功耗低：该方法通过工作逻辑控制红外co2传感器、烟雾传感器、温度传感器及气压传感器在锂电池正常工作时处于休眠模式，而鼓风扇处于周期性工作模式，这样不仅大大降低了该装置的功耗，而且延长烟雾传感器激光器和鼓风扇的使用寿命
71.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
72.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
73.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种锂电池热失控监测预警装置，其特征在于，包括壳体以及设置壳体内的鼓风扇、pcba电路板、co传感器、红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器和温度传感器；所述pcba电路板上集成有控制单元，所述控制单元与所述co传感器、红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器、温度传感器电连接；其中co传感器、红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器、温度传感器分别用于检测壳体内空气中的co浓度、co2浓度、烟雾浓度、气压和温度；所述壳体位于电动汽车的锂电池包内；所述壳体包括上壳体和下壳体，所述下壳体上设有进气口、出气口，鼓风扇固定于所述下壳体上，所述鼓风扇并将外界的空气从进气口吸入并使吸入的空气在壳体内流动后从出气口排出。2.根据权利要求1所述的一种锂电池热失控监测预警装置，其特征在于，所述壳体内还设有通风板和导流板，所述通风板位于所述鼓风扇上方，所述导流板位于所述通风板和pcba电路板之间，所述通风板和导流板用于使从所述进风口进入的空气一部分从所述出气口流出，另一部分垂直向上流通。3.根据权利要求1所述的一种锂电池热失控监测预警装置，其特征在于，所述烟雾传感器为气溶胶激光粉尘传感器，所述烟雾传感器固定于所述导流板上，所述烟雾传感器的激光发射方向垂直于导流板上的空气流通方向。4.一种基于权利要求1所述的锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测预警方法，其特征在于，具体包括以下步骤：s1.控制单元控制co传感器处于持续性工作状态，控制鼓风扇处于周期性工作状态，控制红外co2传感器、温度传感器、气压传感器、烟雾传感器处于休眠状态，并实时采集co传感器的检测数据；s2.基于co传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态；若判定锂电池处于热失控初始阶段，则发出一级预警信号，同时控制红外co2传感器、温度传感器、气压传感器、烟雾传感器、鼓风扇进入持续性工作状态；s3.控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段；若控制单元判断锂电池进入热失控加剧阶段，则发出二级预警信号。5.根据权利要求4所述的一种基于上述锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测预警方法，其特征在于，所述步骤s2中基于co传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态，具体包括：控制单元监测到co浓度值达到第一阈值时，则判定锂电池进入热失控初始阶段。6.根据权利要求4所述的一种基于上述锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测预警方法，其特征在于，所述步骤s2中基于co传感器的检测数据，判断锂电池当前工作状态，具体包括：控制单元监测到co浓度值随时间的变化率超第一阈值时，则判断锂电池进入热失控初始阶段。7.根据权利要求5或6所述的一种基于上述锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测预警方法，其特征在于，所述步骤s3中控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段，具体包括：
控制单元若检测到红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器及温度传感器的至少任一检测数据超过相应的设定阈值，且co传感器的检测数据超过第二阈值，则判定锂电池进入热失控加剧阶段并由控制单元发出二级预警信号；其中，co浓度的第二阈值高于第一阈值。8.根据权利要求7所述的一种基于上述锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测预警方法，其特征在于，所述步骤s3中控制单元实时监测各个传感器的检测数据，并判断锂电池是否进入热失控加剧阶段之后，所述方法还包括：s4.若在t时间内未检测到红外co2传感器、烟雾传感器、气压传感器及温度传感器的至少任一检测数据超过相应的设定阈值，且co的检测数据未发生变化，则解除一级预警模式并返回步骤s1。9.根据权利要求4所述的一种基于上述锂电池热失控监测预警装置的锂电池热失控监测预警方法，其特征在于，所述的一级预警信号和/或二级预警信号通过信号灯、声控警报的至少一种方式预警。

技术总结

本发明提供一种锂电池热失控监测预警装置及方法，该装置包括壳体以及设置壳体内的鼓风扇、PCBA电路板、CO传感器、红外CO2传感器、烟雾传感器、气压传感器以及温度传感器；壳体位于锂电池包内，PCBA电路板上集成有控制单元，控制单元通过各传感器来检测锂电池在发生热失控过程中电池包内的气体状态。该预警装置通过5种传感器的协同工作来监测电池热失控过程，保证了可靠性，同时通过多级预警机制使电动汽车驾驶人员充分了解锂电池工作状态，在锂电池出现异常情况时，为车内人员避险提供足够反应时间。反应时间。反应时间。