CN112018289A - 一种新能源汽车动力电池防护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新能源汽车动力电池防护结构，包括设于电池仓上的调压机构和防火机构，所述调压机构和防火机构均连接至中央控制器，所述调压机构包括标准件、差压传感器、泄压阀和过滤器，所述防火机构包括连接电池仓的灭火器和设于电池仓内部的至少一个复合探测单元，所述的复合探测单元包括微处理器以及与微处理器通信连接的温度传感器、烟雾传感器和CO传感器；本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种新能源汽车动力电池防护结构，对电池仓内的气密性和火情进行多方位监测和实时监测，在出现火情时及时预警及报警，避免漏报及减少误报，及时自动灭火，并有效的控制住火情，维护电池仓内的气压稳定。

Description

一种新能源汽车动力电池防护结构
技术领域
本发明属于新能源电池安全技术领域，具体涉及一种新能源汽车动力电池防护结构。
背景技术
由于电池比能量大、无记忆效应、放电性能好、制造成本较低、循环寿命长、绿色环保、安全性能较高等，锂电池应用领域广阔，电池种类也多样化，主要市场为3C数码、储能电池、动力电池等领域。在结构上，锂离子电池主要包括外壳、正极、负极、电极引线、电解质、隔膜等，其中正极材料—般为过渡金属氧化物制成，隔膜起隔离正负极作用，负极材料般为各种碳素材料制成，电解液起到正负电极之间传导离子，其成分主要有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯等，这些有机溶剂闪点都比较低，易着火。灾害形成过程体现在：造成内部短路：过充电、热撞击时锂离子在会在电池负极聚集形成枝晶，致使隔膜破裂，锂电池内部发生短路；产生大电流：内部短路形成大电流，会使温度上升、隔膜融化，短路程度扩大，形成恶性循环；电气故障或高速撞击致使外部短路，这时电池外部负荷过低，瞬间大电流放电，造成巨大的热量；出现高温高压：在大电流作用下电解液被电解，生成气体，使电池内气压增强，可能造成电池外壳破裂；导致燃烧或***：高温高压时，正极发生氧化反应析出金属锂，如果外壳破裂，金属锂与空气接触则引起燃烧，电解液被引燃，单电池热失控，引起电池组热失控，导致火灾或***。
锂离子动力电池是由多个单体锂离子电池组合而成,当位于其中的一小块电池发生热失控时，能引起电池组的连锁反应，由于电池箱保温效果、密封性能良好，如果在箱体内起火，对于如今的大容量锂离子动力电池来说，将会使箱内温度剧增，造成的后果不堪设想，如发现异常状态，需要操作人员及时采取切断电源，停止升温的措施，如出现火焰时，还要用上手持灭火装置灭火，由于人工的疏忽或操作不当，容易造成事故。
此外，电池***主要是由电池组和电气回路两部分组成，因此电池包是绝对不能够进水的，一旦进水则会引起电池组或电气回路短路而引发火灾，轻则使整个电池包报废，造成经济损失，重则造成整个车辆焚毁，甚至危及乘客人身安全，其损失不可估量。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种新能源汽车动力电池防护结构，对电池仓内的气密性和火情进行多方位监测和实时监测，在出现火情时及时预警及报警，避免漏报及减少误报，及时自动灭火，并有效的控制住火情，维护电池仓内的气压稳定。
本发明的目的是这样实现的：
一种新能源汽车动力电池防护结构，包括电池仓和设于电池仓内均匀排布的至少一个由电池模组组成的电池模组，还包括设于电池仓上的调压机构和防火机构，所述调压机构和防火机构均连接至中央控制器，所述调压机构包括标准件、差压传感器、泄压阀和过滤器，所述电池仓和标准件对称连接至差压传感器，所述差压传感器通过电磁阀组连接至泄压阀，所述泄压阀通过过滤器连接至气源；
所述防火机构包括连接电池仓的灭火器和设于电池仓内部的至少一个复合探测单元，所述的复合探测单元包括微处理器以及与微处理器通信连接的温度传感器、烟雾传感器和CO传感器，所述灭火器和微处理器均连接至中央控制器，所述温度传感器和烟雾传感器设于电池模组上。
优选的，所述电池仓包括上箱盖、下箱体、支撑板和电池模组，所述电池模组通过防护组件设于电池仓内，所述下箱体通过支撑板与汽车连接，所述防护组件包括木衬条和减振抗冲垫，所述电池模组的单体电池依次通过木衬条和减振抗冲垫连接电池仓的内壁。
优选的，所述电池模组由6-12个方形磷酸铁锂电池单体并联而成，所述电池模组设4-12个，所述的4-12个电池模组的相邻模组之间通过串联方式形成汽车电源***。
优选的，所述电池仓的两端均设有吊耳，所述电池仓的侧壁上还连接有电气附件，所述电池仓通过M12螺栓连接支撑板固定于车身地板的正下方。
优选的，所述减振抗冲垫的内部均匀排列有蜂窝状六角形薄壁空心柱体，所述相邻的柱体之间设有空气腔。
优选的，所述灭火器采用气溶胶作灭火剂，所述中央控制器通过电触发的方式控制灭火器喷射灭火剂。
优选的，所述灭火器管道通过喷管连接至电池仓的内部，所述电池仓的内部、对应电池模组处设有与喷管连接的喷头。
优选的，所述复合探测单元还包括有与微处理器连接的电源电路和报警电路，所述微处理器通过JTAG接口与中央控制器的处理芯片进行通信，实现在线调试和监测处理芯片内部数据。
优选的，所述温度传感器、烟雾传感器和CO传感器经ZigBee终端节点采集ZigBee数据采集网络下所有终端节点的数据，并通过ZigBee协调器发送至微处理器，微处理器对接收到的数据进行预处理之后，经GPRS数据网络传送至中央控制器。
优选的，所述报警电路连接至报警器，所述温度传感器还连接有数据采集仪表和TFT液晶屏，所述液晶屏设于驾驶位的中控台内。
优选的，所述中央控制器和微处理器均采用型号为STM32作为处理器芯片，所述中央控制器和微处理器均采用RS485串口实现数据通信，所述复合探测单元通过RS485总线连接至中央控制器。
优选的，在标准件和电池仓体积相同的前提下，温度对电池仓内介质气体的泄露量的影响满足：
ΔP=ΔP0[1+(T-T0-273)/(T0+273)]；
其中，ΔP为温度为T时压差传感器测得的电池仓内的压降值，ΔP0为设定温度T0下标准件内的标准压降值。
优选的，所述电源电路采用包括DC/DC转换器和稳压器，DC/DC转换器的转换模式为电流同步降压，输入电压4.5-36V，输出电流为3A，固定工作频率500kHz，将24V降至5V后，通过降压型稳压器将5V降至3.3V。
优选的，所述的防火机构中，在某一时间内电池仓内第i个电池模组发生火灾的概率S与从该处的温度传感器测得的温度值之间满足：S=∑（Ti-δT）2/n；
其中Ti表示第i（i=1,2,…，n）个温度传感器所采集到的覆盖范围内的温度值，δT表示电池仓内各个温度传感器测得的温度的平均值，n表示电池仓内温度传感器的个数。
优选的，所述的防火机构内，根据电池仓内相应位置的温度、烟雾和CO浓度值，设定温度T、烟雾W和CO浓度值C，温度上升量ΔT、烟雾上升量ΔW和CO上升量ΔC，设定火灾预警的阈值为A，火灾发生的阈值为B，则有
1）当T/W/C≥A时，微处理器发出火灾预警信号；
2）在1）的基础上，当ΔT/ΔW/ΔC≥B时，微处理器发出报警并传送给中央控制器，当ΔT/ΔW/ΔC＜B时，返回预警状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种新能源汽车动力电池防护结构，通过调压机构，如果两个容腔内都没有泄漏的情况，差压传感器显示的压力差值为零，即无泄漏状平衡状态，如果被检测的电池仓产生了泄漏，那么平衡被破坏，则传感器上显示的压力值就会变化，差压传感器就会将压力差值以电信号的方式反馈出来，中央控制器则启动充气装置向电池仓内充入介质气体以保持电池仓内的气压稳定。
2、本发明提供的一种新能源汽车动力电池防护结构，电池模组和侧部均的底部采用纵向、横向木衬条和减振橡胶块安装在电池仓内的支架上，单体电池间固定采用木质吊架结构和紧固木楔结构实现连接，能隔离汽车行进过程中对蓄电池的冲击作用，也可以抑制蓄电池的振动。
3、本发明提供的一种新能源汽车动力电池防护结构，防火机构包括由温度传感器、烟雾传感器和微处理器组成的对电池仓内的环境信息的采集及数据储存的前端工作和中央处理器和灭火器组成的火灾识别、预警及灭火的后端工作，通过设置在电池仓内不同位置的复合探测单元保证获取的信息的准确性，在火灾发生初期及时有效辨别并进行预处理工作并报警，避免电池仓内火灾的蔓延。
4、本发明提供的一种新能源汽车动力电池防护结构，电池仓内的介质气体介质是空气，与温度的影响有很大联系，在电池仓和标准件两者一样的条件下，对称设置的电池仓和标准件以及与之连接的电磁阀组的对称性可消除外界温度变化带来的两者之间的差异，以便于差压传感器准确测量出电池仓内的气密性。
5、本发明提供的一种新能源汽车动力电池防护结构，电池仓内某个电池模组某个位置的温度升高速度越快，幅度越高，该位置发生火灾的概率越大，电池仓内各个位置的温度区别越小，电池模组着火的可能性越小。
附图说明
图1是本发明一种新能源汽车动力电池防护结构示意图。
图2是本发明电池仓示意图。
图3是本发明调压机构示意图。
图4是本发明防火机构示意图。
图5是本发明复合探测单元原理图。
图6是本发明图2的内部结构示意图。
图7是本发明防护组件示意图。
图中：1、电池仓；101、上箱盖；102、下箱体；103、电池模组；104、吊耳；105、支撑板；106、电气附件；2、中央控制器；3、调压机构；31、标准件；32、差压传感器；33、泄压阀；34、过滤器；4、防火机构；41、灭火器；42、复合探测单元；421、温度传感器；422、烟雾传感器；423、CO传感器；424、ZigBee协调器；425、微处理器；5、防护组件；51、木衬条；52、减振抗冲垫；53、空心柱体；54、空气腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1，一种新能源汽车动力电池防护结构，包括电池仓1和设于电池仓1内均匀排布的至少一个电池模组103，包括设于电池仓1上的调压机构3和防火机构4，所述调压机构3和防火机构4均连接至中央控制器2，中央控制器采用型号为STM32作为处理器芯片，通过RS485串口实现数据通信，调压机构3和防火机构4对电池仓内的气密性和火情进行多方位监测和实时监测，在出现火情时及时预警及报警，避免漏报及减少误报，及时自动灭火，并有效的控制住火情，维护电池仓内的气压稳定。
结合图3，所述调压机构3包括标准件31、差压传感器32、泄压阀33和过滤器34，所述电池仓1和标准件31对称连接至差压传感器32，所述差压传感器32通过对称设置的电磁阀组连接至泄压阀33，所述泄压阀33通过过滤器34连接至气源，如果两个容腔内都没有泄漏的情况，差压传感器显示的压力差值为零，即无泄漏状平衡状态，如果被检测的电池仓产生了泄漏，那么平衡被破坏，则传感器上显示的压力值就会变化，差压传感器就会将压力差值以电信号的方式反馈出来，中央控制器则启动充气装置向电池仓内充入介质气体以保持电池仓内的气压稳定，若电池仓内在发生火灾时，电池仓内的气压增大，向中央控制器发生预警信号，通过调压机构向外抽气以保持电池仓内气压稳定。
实施例2
在实施例1的基础上，在标准件和电池仓体积相同的前提下，温度对电池仓内介质气体的泄露量的影响满足：ΔP=ΔP0[1+(T-T0-273)/(T0+273)]；其中，ΔP为温度为T时压差传感器测得的电池仓内的压降值，ΔP0为设定温度T0下标准件内的标准压降值。
电池仓内的介质气体介质是空气，在电池仓和标准件两者一样的条件下，对称设置的电池仓和标准件以及与之连接的电磁阀组的对称性可消除外界温度变化带来的两者之间的差异，以便于差压传感器准确测量出电池仓内的气密性。
实施例3
结合图1和图4，一种新能源汽车动力电池防护结构，包括电池仓1和设于电池仓1内均匀排布的至少一个电池模组103，包括设于电池仓1上的调压机构3和防火机构4，所述防火机构4包括连接电池仓1的灭火器41和设于电池仓1内部的至少一个复合探测单元42，通过设置在电池仓内不同位置的复合探测单元保证获取的信息的准确性，由复合探测单元完成火灾信息采集和处理，减轻控制器的负担，通过RS485总线的方式传输给火灾报警中央控制器，在火灾发生初期及时有效辨别并进行预处理工作并报警，避免电池仓内火灾的蔓延。
结合图5和图6，所述的复合探测单元42包括微处理器425以及与微处理器425通信连接的温度传感器421、烟雾传感器422和CO传感器423，所述灭火器41和微处理器425均连接至中央控制器2，所述温度传感器421、烟雾传感器422和CO传感器423覆设于电池模组103上，传感器分别布置在电池仓的两个长边，所述温度传感器421、烟雾传感器422和CO传感器423经ZigBee终端节点采集ZigBee数据采集网络下所有终端节点的数据，并通过ZigBee协调器424发送至微处理器425，微处理器425对接收到的数据进行预处理之后，经GPRS数据网络传送至中央控制器2，ZigBee终端节点由芯片CC2530连接传感器组成，ZigBee数据采集网络下所有终端节点采集到的数据，通过协调器发送至微处理器，STM32处理器对接收到的数据进行预处理之后，经GPRS数据网络传送至中央处理器，利用多个环境参数的采集、传输、处理，来提前判别是否将会有火灾发生。***以粮仓内部环境参数如温度、CO浓度、烟雾浓度等为监测对象，对采集到的数据采用数据融合的算法处理，判别是否有火灾发生得出相应的决策。
电池在燃烧时温度、烟雾、声音、火焰等特征参量发生变化，但在燃烧前期声音、火焰特征量的变化不明显，温度和烟雾浓度特征参量在整个电池燃烧过程中均有明显变化，温度传感器采用型号为pt100的热电阻温度传感器，利用其热电阻的阻值和温度值具有良好的线性关系的特质，可以通过热电阻的阻值变化计算出温度的变化：RT=R0(AT2+BT+1),T表示温度，R0表示温度为0时的阻值，A、B为相关系数，将检测到的温度信号输入数据采集仪，经数据采集仪放大、转换、数据线性处理后使用串口输出可通过串口直接与中央控制器连接对数据进行处理运算。
烟雾传感器的型号为支持RS485通信的KM75B71，选用液晶屏作为***的显示器，外接电源的电压一般在12V到24V之间，通过两个压降电路：先采用RT7272型DC/DC转换器，转换模式为电流同步降压，输入电压4.5-36V，输出电流为3A，固定工作频率500kHz，先将24V降至5V，然后再通过降压型稳压器将5V降至3.3V，烟雾传感器与中央控制器进行通信实现数据传输。
所述复合探测单元42还包括有与微处理器425连接的电源电路和报警电路，所述微处理器425通过JTAG接口与中央控制器2的处理芯片进行通信，实现在线调试和监测处理芯片内部数据,通过JTAG调试接口与中央控制器的处理芯片进行通信，实现在线调试和监测处理芯片内部数据等功能，在处理芯片或者上述***电路出现故障时能有效定位，及时排除故障，所述中央控制器和微处理器均采用型号为STM32作为处理器芯片，所述中央控制器2和微处理器425均采用RS485串口实现数据通信，所述复合探测单元42通过RS485总线连接至中央控制器。
防火机构包括由温度传感器、烟雾传感器和微处理器组成的对电池仓内的环境信息的采集及数据储存的前端工作和中央处理器和灭火器组成的火灾识别、预警及灭火的后端工作，通过设置在电池仓内不同位置的复合探测单元保证获取的信息的准确性，在火灾发生初期及时有效辨别并进行预处理工作并报警，避免电池仓内火灾的蔓延。
实施例4
在实施例3的基础上，所述的防火机构中，在某一时间内电池仓内第i个电池模组发生火灾的概率S与从该处的温度传感器测得的温度值之间满足：S=∑（Ti-δT）2/n；其中Ti表示第i（i=1,2,…，n）个温度传感器所采集到的覆盖范围内的温度值，δT表示电池仓内各个温度传感器测得的温度的平均值，n表示电池仓内温度传感器的个数。
电池仓内某个电池模组某个位置的温度升高速度越快，幅度越高，该位置发生火灾的概率越大，电池仓内各个位置的温度区别越小，电池模组着火的可能性越小。
实施例5
所述的防火机构内数据采集节点的流程如下，根据电池仓内相应位置的温度、烟雾和CO浓度值，设定温度T、烟雾W和CO浓度值C，温度上升量ΔT、烟雾上升量ΔW和CO上升量ΔC，设定火灾预警的阈值为A，火灾发生的阈值为B，则有
1）当T/W/C≥A时，微处理器发出火灾预警信号；
2）在1）的基础上，当ΔT/ΔW/ΔC≥B时，微处理器发出报警并传送给中央控制器，当ΔT/ΔW/ΔC＜B时，返回预警状态。
实施例6
所述灭火器41采用气溶胶作灭火剂，所述中央控制器2通过电触发的方式控制灭火器41喷射灭火剂，在中央控制器检测当ΔT/ΔW/ΔC≥B时，确定火灾的发生，中央控制器通过控制阀向灭火器发出灭火指令，所述灭火器管道通过喷管连接至电池仓的内部，所述电池仓的内部、对应电池模组处设有与喷管连接的喷头，根据相应复合探测单元42的反馈，通过喷头向该位置喷射灭火剂，实现针对性的快速预处理，同时通过调压机构保持电池仓内的气压平衡，避免电池仓***。
实施例7
结合图2和图7，所述电池仓1包括上箱盖101、下箱体102、支撑板105和电池模组103，所述电池模组103通过防护组件5设于电池仓1内，所述下箱体102通过支撑板105与汽车连接，所述电池仓1的两端均设有吊耳104，所述电池仓1的侧壁上还连接有电气附件106，所述电池仓1通过M12螺栓连接支撑板105固定于车身地板的正下方，所述防护组件5包括木衬条51和减振抗冲垫52，所述电池模组103的单体电池依次通过木衬条51和减振抗冲垫52连接电池仓1的内壁，所述电池模组103由6-12个方形磷酸铁锂电池单体并联而成，所述电池模组103设4-12个，所述的4-12个电池模组103的相邻模组之间通过串联方式形成汽车电源***，所述减振抗冲垫52的内部均匀排列有蜂窝状六角形薄壁空心柱体53，所述相邻的空心柱体53之间设有空气腔54。
电池模组和侧部均的底部采用纵向、横向木衬条和减振橡胶块安装在电池仓内的支架上，单体电池间固定采用木质吊架结构和紧固木楔结构实现连接，能隔离汽车行进过程中对蓄电池的冲击作用，也可以抑制蓄电池的振动。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新能源汽车动力电池防护结构，包括电池仓（1）和设于电池仓（1）内均匀排布的至少一个电池模组（103），其特征在于：还包括设于电池仓（1）上的调压机构（3）和防火机构（4），所述调压机构（3）和防火机构（4）均连接至中央控制器（2），所述调压机构（3）包括标准件（31）、差压传感器（32）、泄压阀（33）和过滤器（34），所述电池仓（1）和标准件（31）对称连接至差压传感器（32），所述差压传感器（32）通过对称设置的电磁阀组连接至泄压阀（33），所述泄压阀（33）通过过滤器（34）连接至气源；
所述防火机构（4）包括连接电池仓（1）的灭火器（41）和设于电池仓（1）内部的至少一个复合探测单元（42），所述的复合探测单元（42）包括微处理器（425）以及与微处理器（425）通信连接的温度传感器（421）、烟雾传感器（422）和CO传感器（423），所述灭火器（41）和微处理器（425）均连接至中央控制器（2），所述温度传感器（421）、烟雾传感器（422）和CO传感器（423）覆设于电池模组（103）上。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车动力电池防护结构，其特征在于：所述电池仓（1）包括上箱盖（101）、下箱体（102）、支撑板（105）和电池模组（103），所述电池模组（103）通过防护组件（5）设于电池仓（1）内，所述下箱体（102）通过支撑板（105）与汽车连接，所述防护组件（5）包括木衬条（51）和减振抗冲垫（52），所述电池模组（103）的单体电池依次通过木衬条（51）和减振抗冲垫（52）连接电池仓（1）的内壁。
3.根据权利要求2所述的一种新能源汽车动力电池防护结构，其特征在于：所述电池模组（103）由6-12个方形磷酸铁锂电池单体并联而成，所述电池模组（103）设4-12个，所述的4-12个电池模组（103）的相邻模组之间通过串联方式形成汽车电源***。
4.根据权利要求2所述的一种新能源汽车动力电池防护结构，其特征在于：所述电池仓（1）的两端均设有吊耳（104），所述电池仓（1）的侧壁上还连接有电气附件（106），所述电池仓（1）通过M12螺栓连接支撑板（105）固定于车身地板的正下方。
5.根据权利要求2所述的一种新能源汽车动力电池防护结构，其特征在于：所述减振抗冲垫（52）的内部均匀排列有蜂窝状六角形薄壁空心柱体（53），所述相邻的空心柱体（53）之间设有空气腔（54）。
6.根据权利要求1所述的一种新能源汽车动力电池防护结构，其特征在于：所述灭火器（41）采用气溶胶作灭火剂，所述中央控制器（2）通过电触发的方式控制灭火器（41）喷射灭火剂。
7.根据权利要求1所述的一种新能源汽车动力电池防护结构，其特征在于：所述复合探测单元（42）还包括有与微处理器（425）连接的电源电路和报警电路，所述微处理器（425）通过JTAG接口与中央控制器（2）的处理芯片进行通信，实现在线调试和监测处理芯片内部数据。
8.根据权利要求7所述的一种新能源汽车动力电池防护结构，其特征在于：所述温度传感器（421）、烟雾传感器（422）和CO传感器（423）经ZigBee终端节点采集ZigBee数据采集网络下所有终端节点的数据，并通过ZigBee协调器（424）发送至微处理器（425），微处理器（425）对接收到的数据进行预处理之后，经GPRS数据网络传送至中央控制器（2）。
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