CN114628807A - 一种动力电池包及其排气和散热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动力电池包，包括箱体，设置在箱体内的多个电池单体和动力电池散热和排气组件；所述动力电池散热和排气组件包括控制器、探头采集模块、风机驱动模块和报警模块；探头采集模块包括多个温度传感器和烟雾传感器；所述控制器用于接收所述探头采集模块的温度和烟雾浓度的电压数字信号，如果接收的温度采集电压值超过第一基准电压值，蜂鸣器报警，并驱动排风扇同向转动；当接收的烟雾浓度采集电压值大于第二基准电压值时，蜂鸣器报警，并驱动风机使位于一侧的排风扇正向转动，另一侧的排风扇反向转动；还公开了所述动力电池包的散热控制方法。

Description

一种动力电池包及其排气和散热控制方法

技术领域

本发明属于动力电池安全技术领域，具体涉及一种基于传感器的动力电池包及其排气和散热控制方法。

背景技术

锂离子电池因其在重量和能量方面的独特优势被大力推荐作为电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)的动力源，但其在过高或过低温度下的不良性能，以及在充放电时的安全问题，可能会限制其实际应用。特别是在高温下锂离子电池会产生可燃性气体，如果不及时有效的排出，一旦被引燃，会对整个电池包造成不可估量的后果。有效且合理的排气***，对于电池包乃至整车都有举足轻重的意义。

目前针对车用锂离子电池的安全管理，主要由两方面，其一是针对动力电池发生热失控后对温度控制的技术，一般为液冷、风冷、相变材料和热管冷却；三种方式在温度控制方面各有优劣；其二是针对电池发生热失控后对产生的混合气体的处理技术，车辆在受到外界撞击或者过充过放导致电池发生热失控的过程中，在电池内部发生一系列化学反应，先是在90℃～120℃，SEI膜发生分解，产生乙烯、二氧化碳等气体；接着是负极材料和电解液反应，除了产生乙烯之外还有丙烯；然后是正极活性物质分解放出氧气；最后是电解液和氧气反应，产生剧烈的燃烧现象。

电池包内部的气体如果不加以妥善处理，电池的安全问题始终是一大隐患。目前大多数的排气设备都是采用泄压阀门，缺点就在于阀门的被动性，需要压力差才能将阀门顶开，在压力增大的同时，电池单体产生的气体会在电池包内部有一个堆积的过程，该过程是发生起火的高危期，如何避免可燃性气体在电池包内部的堆积，是电池包排气装置要解决的核心问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于传感器的动力电池包及其排气和散热控制方法，所述动力电池包集散热与排气功能于一体，在电池温度上升初期，控制器控制排风扇同向转动，在电池包内部形成强对流，起到散热作用，在电池泄气阶段，控制一侧的排气扇正向运转，相对侧的排气扇反向运转，将吹来的可燃性气体卷吸走，排出电池包。同时在烟雾传感器上设置可调节灵敏度的电位器，从而根据需要调节烟雾传感器对烟雾的灵敏度。

一种动力电池包，包括箱体，设置在箱体内的多个电池单体和动力电池散热和排气组件；

所述箱体相对的两个侧壁上分别开有通风口；

所述动力电池散热和排气组件包括控制器、探头采集模块、风机驱动模块和报警模块；

所述控制器用于接收所述探头采集模块的温度和烟雾浓度的电压数字信号，当接收的电池包的温度对应的温度采集电压值超过预设的第一基准电压值时，控制蜂鸣器报警，并驱动风机使排风扇同向转动；当接收的烟雾浓度采集电压值大于预设的第二基准电压值时，控制报警模块的蜂鸣器报警，并驱动风机驱动模块使使位于一侧的排风扇正向转动，另一侧的排风扇反向转动；

所述风机驱动模块包括多个与所述控制器连接的电机，每个电机连接一台排风扇，用于根据所述控制器的指示驱动排风扇转动；所述排风扇分别设置于未设置通风口的箱体相对的两个侧壁上；

所述探头采集模块包括多个烟雾传感器、多个温度传感器以及模数转换单元，用于采集电池包内的温度和烟雾浓度，将采集到的模拟信号放大，并分别转换为温度采集电压值和浓度采集电压值传送至所述控制器；所述烟雾传感器分别设置在有排风扇的两个侧壁上；所述温度传感器设置在箱体的盖板上，所述温度传感器的探头向下朝向电池方向；所述模数转换单元分别与烟雾传感器和温度传感器电连接，其输出端连接所述控制器；

所述报警模块用于根据所述控制器的指示控制蜂鸣器报警；

所述探头采集模块、风机驱动模块和报警模块分别与所述控制器电连接。

进一步的，所述烟雾传感器上还设置有电位器，用于调整模拟信号的放大倍数，从而调整烟雾传感器对烟雾的灵敏度。

进一步的，每两个所述电池单体之间设置有隔板用于阻隔电池单体之间的热量传递，所述隔板采用气凝胶。

进一步的，所述动力电池散热和排气组件还包括复位模块、稳压模块和显示模块；

所述复位模块用于实现所述控制器的上电复位和按键复位功能；

所述稳压模块，外接12V直流电源，用于向所述控制器输出5V的稳压电源；

所述显示模块用于显示所述探头采集模块输出的温度采集电压值、浓度采集电压值，以及预设的第一、第二基准电压值。

进一步的，所述排风扇位于的箱体侧壁的底槽内壁上，所述烟雾传感器位于所述箱体的底槽内部，所述控制器置于箱体底槽角落处。

还公开了一种基于所述动力电池包的排气和散热控制方法，包括：

在电池温度上升初始阶段，利用温度传感器采集电池包内的温度并转换为温度采集电压数字信号传送至控制器，所述控制器将接收到的温度采集电压数字信号与预设的第一基准电压值比较，如果温度采集电压值高于预先设置的第一基准电压值，所述控制器驱动蜂鸣器报警，并驱动电机带动排风扇同向转动，给正在升温的电池降温；

在电池排气阶段，布置在箱体底槽两侧的烟雾传感器采集电池包内的烟雾并转换为烟雾采集电压数字信号传送至控制器，所述控制器将接收到的浓度采集电压数字信号与预设的第二基准电压值比较，如果浓度采集电压值高于所述第二基准电压值，所述控制器驱动蜂鸣器报警，并驱动电机带动一侧的排风扇正向转动，另一侧的排风扇反向转动。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明的基于传感器的动力电池包及其散热控制方法，不仅能够通过控制器控制风机运转从而起到排出电池包内部的可燃性气体的作用，而且在电池温度上升初期还可以作为散热器使用，通过控制器控制在电池包内部形成强对流，给电池降温，集散热与排气与一体，增强了电动汽车应对电池热失控时温升、泄气等危险情况的主动性；

2、本发明区别于传统的电池包箱体泄压阀门设计，改用能够主动检测箱体内烟雾功能的烟雾传感器，且传感器灵敏度可调，能够及时的对电池单体产生的可燃性气体做出反应，驱动报警装置和排气设备，最大限度的降低了可燃性气体在电池包内部堆积的可能性；

3、本发明不涉及昂贵设备，所用材料皆较为便宜，总体造价低，适用性广，在使用过程中，没有其他产物，清洁环保，且驱动电路使用低电压，不会消耗过多能源，具有节能的优点。

附图说明

图1是本发明所述的动力电池包的动力电池散热和排气组件的结构示意图；

图2为本发明所述动力电池包内部烟雾传感器、排气扇和通风口布置示意图；

图3为本发明所述动力电池散热和排气组件的温度传感器布置示意图；

图4为本发明所述排气和散热控制方法流程图。其中，

1：电池单体 2:隔板

S0：通风口 CC0：控制器

S1，S2，S3，S4：排风扇

T1，T2，T3，T4，T5，T6：烟雾传感器

P1，P2，P3，P4：温度传感器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图2所示，一种动力电池包，包括箱体，设置在箱体内的多个电池单体1和动力电池散热和排气组件。每两个所述电池单体1之间设置有隔板2用于阻隔电池单体之间的热量传递，本发明所述的电池单体1为图3所示的电芯，采用气凝胶作为隔板，电芯与电芯之间使用气凝胶隔开。需要说明的是，隔板2不局限于为气凝胶，可将隔板设为云母板，陶瓷纤维，相变材料等其他的物质。

所述动力电池散热和排气组件包括控制器CC0，作用于控制器CC0的探头采集模块、复位模块、稳压模块，和由控制器控制的显示模块、风机驱动模块和报警模块。

所述探头采集模块包括6个烟雾传感器T1，T2，T3，T4，T5，T6和4个温度传感器P1，P2，P3，P4，以及模数转换单元，用于采集电池包内的温度和烟雾浓度，将采集到的模拟信号放大，并分别转换为温度采集电压数字信号和浓度采集电压数字信号传送至所述控制器CC0。所述风机驱动模块包括四个与所述控制器连接的电机，每个电机连接一台排风扇S1，S2，S3，S4。所述报警模块为与所述控制器电连接的蜂鸣器。

所述箱体相对的两个侧壁上分别开有通风口S0，在未设置通风口的箱体两侧的底槽内壁上各设置两个排风扇S1，S2，S3，S4，其中排风扇S1，S2位于同一侧且运转方向相同，排风扇S3，S4位于另一侧且运转方向相同；当四个排风扇都向电池包内部吹风在电池包内部形成强对流给电池降温时，气体可以从两侧通风口流出；在设置有排风扇的两个侧壁上分别设置有三个烟雾传感器T1，T2，T3，T4，T5，T6，每侧的三个所述烟雾传感器位于同侧的两个排风扇之间，且位于所述箱体的底槽内部，两侧的排风扇平行布置，能够最大限度探测到电池包内部的烟雾，且能够及时的将电压信号输出至控制器采集端，以驱动电机作出响应。由于箱体内部有电池和总线及固定器的布置，考虑到温度传感器的长度，为了更好的探测电池包内部的温度情况，本发明将温度传感器P1，P2，P3，P4设置在电池包箱体的盖板上(如图3所示)，探头向下朝向电池方向以探测电池产生的热量。图3只是示例性的显示若干电芯连接在一起，电芯可以纵向排列与电池包内部也可以横向放置于电池包内部，当然具体的排列方式，可以根据电池包的形状做合适的调整。

所述控制器CC0置于电池包箱体底槽角落处，外罩有采用隔热、防火、绝缘材料制成的盒体，避免由于电池包内部发生的起火***事故对控制盒产生的危害，同时避免由于箱体内部产生的高温对控制器内的电路元件的破坏。

所述控制器CC0用于接收所述探头采集模块的温度和烟雾浓度的电压数字信号，将接收的温度采集电压值和预设的第一基准电压值输出到显示电路，并比较两路电压值，当接收的电池包的温度对应的温度采集电压值超过预设的第一基准电压值时，控制蜂鸣器报警，并驱动风机使排风扇同向转动；所述控制器CC0将接收的烟雾采集电压值和预设的第二基准电压值输出到显示电路，并比较两路电压值，当接收的烟雾浓度对应的电压信号大于预设的第二基准电压值时，控制蜂鸣器报警，并驱动风机使位于一侧的排风扇正向转动，另一侧的排风扇反向转动。

所述控制器CC0通过线路与电动汽车的BMS相连，属于电动汽车BMS的一个子模块，BMS对所述控制器CC0所采集的信息进行实时监测，电池包内部温度情况在所述控制器CC0可控范围内时，电动汽车BMS不采取行动，在电池包内部的温度情况超出所述控制器CC0可控范围内时，电动汽车的BMS***会启动电池包内部的热管理方案，对温升情况进行处理，本发明专利不再对电动汽车BMS加以说明。需要注意的是，此处只讲了电池包内部温度的情况，没有提及可燃性性气体的情况，因为本发明专利主要针对电池包内部气体堆积的问题，本发明专利提供的一种主动控制型动力电池内部排气方案，能够将在电池包内部产生的可燃且有毒性气体排出电池包，在电池包内部不存在可燃性气体堆积的情况，对于电池包内部温升的情况，本发明专利所涉及的四个排风扇会对温升起到一定的抑制效果，温升问题的解决主要依赖与电池包内部原有的热管理方案，本发明专利不再赘述。

所述复位模块可以实现上电复位和按键复位功能。上电复位：开始接通5V电源时，通过电容开始充电，等电充满了，RST端电压就为0V；按键复位：按下复位键，RST端电压为(属于高电平)，所述控制器CC0复位，不按则为低电平。

所述稳压模块，外接12V直流电源，再由7805稳压芯片进行稳压为5V输出，用一个发光二极管进行5V电源指示，所述稳压电路中设置有电容元件，防止电路中电压波动。

所述显示模块的数码管驱动芯片采用市售的74HC245型号芯片，1号引脚是方向控制端，当接入高电平时，A端输入，B端输出，当接入低电平时，A端输出，B端输入；2-9号引脚是A端8个端口；10号引脚是接地；11-18号引脚是B端8个端口；19号引脚是使能端；其低电平有效；20号引脚是接VCC电源。

如图4所示，上述动力电池包内部温度的排气和散热控制方法包括如下两个阶段：

在电池温度上升初始阶段，所述探头采集模块中的温度传感器P1、P2、P3、P4探测温度采集电池包内的温度，所述探头采集模块中的模数转换单元将采集到的模拟信号放大，并转换为温度采集电压数字信号传送至所述控制器CC0；所述控制器CC0将接收到的温度采集电压数字信号和预先设定好的第一基准电压值显示在显示器上，并比较两个电压值，如果未超过预设电压值，不做任何操作；当电池温度上升到50℃时，由于动力电池在持续运转并即将升至更高的温度，此时温度采集电压值高于预先设置的第一基准电压值，所述控制器CC0控制蜂鸣器报警，并驱动风机驱动模块驱动四个电机带动排风扇S1，S2，S3，S4同向转动，在电池包内部形成强对流给正在升温的电池降温，同时电池单体1之间的气凝胶隔板2也能阻止一部分热量的传递，最大限度降低电池包内部的温度，最大可能防止热失控的电池单体1将热量传递给周围的电池单体1，对电池包内部的温度传递和温升起到很好的抑制效果。

所谓电池排气是指热失控的电池单体1随温度的升高，内部发生化学反应，随着电池单体1内部压强的增大，产生的气体顶开的电池单体1上设置的泄气阀门，热失控产生的可燃且有毒性气体喷出。

在电池排气阶段，布置在底槽两侧的烟雾传感器T1，T2，T3，T4，T5，T6采集到电池包内部的烟雾，所述探头采集模块中的模数转换单元将采集到的模拟信号放大，并转换为浓度采集电压数字信号传送至所述控制器CC0；所述控制器CC0将接收到的浓度采集电压数字信号和预先设定好的第二基准电压值输出到显示电路上，分别进行电压显示，控制器比较两路电压值，如果浓度采集电压值高于所述第二基准电压值，所述控制器CC0所在的蜂鸣器控制口输出高电平，蜂鸣器报警，并驱动风机驱动模块驱动排风扇S1,S2，正向运转，排风扇S3,S4反向运转，卷吸走电池包内的可燃性气体。

本发明的所述烟雾传感器的灵敏度是可调的，在烟雾传感器探头采集电路上额外设置有电位器，用于改变采集电路对模拟信号的放大倍数，即改变烟雾传感器的灵敏度，本发明将烟雾传感器的灵敏度设置为最高，在探测到最低浓度的烟雾时，通过放大电路对信号的放大，使得输出的数字信号电压值超过设置的第二基准电压值，让所述控制器CC0驱动电机的运转，从而增强传感器检测的及时性，给事故处理有充足时间。

特别指出，在电池单体温度上升初期，四个排气扇的转向相同，目的在于在电池包内部形成强对流，起到散热作用，在电池单体排气阶段，单片机控制一侧的排气扇正向运转，相对侧的排气扇反向运转，使一侧排气扇S1,S2将电池包内部的可燃性气体吹向另一侧，在另一侧由相对侧的排气扇S3,S4将吹来的可燃性气体卷吸走，排出电池包。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动力电池包，包括箱体，其特征在于还包括设置在箱体内的多个电池单体(1)和动力电池散热和排气组件；

所述箱体相对的两个侧壁上分别开有通风口(S0)；

所述动力电池散热和排气组件包括控制器(CC0)、探头采集模块、风机驱动模块和报警模块；

所述控制器(CC0)用于接收所述探头采集模块的温度和烟雾浓度的电压数字信号，当接收的电池包的温度对应的温度采集电压值超过预设的第一基准电压值时，控制蜂鸣器报警，并驱动风机使排风扇(S1，S2，S3，S4)同向转动；当接收的烟雾浓度采集电压值大于预设的第二基准电压值时，控制报警模块的蜂鸣器报警，并驱动风机驱动模块使位于一侧的排风扇(S1，S2)正向转动，另一侧的排风扇(S3，S4)反向转动；

所述风机驱动模块包括多个与所述控制器(CC0)连接的电机，每个电机连接一台排风扇(S1，S2，S3，S4)，用于根据所述控制器(CC0)的指示驱动排风扇转动；所述排风扇分别设置于未设置通风口(S0)的箱体相对的两个侧壁上；

所述探头采集模块包括多个烟雾传感器(T1，T2，T3，T4，T5，T6)、多个温度传感器(P1，P2，P3，P4)以及模数转换单元，用于采集电池包内的温度和烟雾浓度，将采集到的模拟信号放大，并分别转换为温度采集电压值和浓度采集电压值传送至所述控制器(CC0)；所述烟雾传感器分别设置在有排风扇的两个侧壁上；所述温度传感器设置在箱体的盖板上，且所述温度传感器的探头向下朝向电池方向；所述模数转换单元分别与烟雾传感器和温度传感器电连接，其输出端连接所述控制器；

所述报警模块用于根据所述控制器的指示控制蜂鸣器报警；

所述探头采集模块、风机驱动模块和报警模块分别与所述控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，所述烟雾传感器上还设置有电位器，用于调整模拟信号的放大倍数，从而调整烟雾传感器对烟雾的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，每两个所述电池单体(1)之间设置有隔板(2)用于阻隔电池单体之间的热量传递，所述隔板2)采用气凝胶。

4.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，所述动力电池散热和排气组件还包括复位模块、稳压模块和显示模块；

所述复位模块用于实现所述控制器的上电复位和按键复位功能；

所述稳压模块，外接12V直流电源，用于向所述控制器输出5V的稳压电源；

所述显示模块用于显示所述探头采集模块输出的温度采集电压值、浓度采集电压值，以及预设的第一、第二基准电压值。

5.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，所述排风扇位于的箱体侧壁的底槽内壁上，所述烟雾传感器位于所述箱体的底槽内部，所述控制器置于箱体底槽角落处。

6.利用如权利要求1所述的动力电池包的排气和散热控制方法，包括：

在电池温度上升初始阶段，利用温度传感器(P1，P2，P3，P4)采集电池包内的温度并转换为温度采集电压数字信号传送至控制器(CC0)，所述控制器(CC0)将接收到的温度采集电压数字信号与预设的第一基准电压值比较，如果温度采集电压值高于预先设置的第一基准电压值，所述控制器(CC0)驱动蜂鸣器报警，并驱动电机带动排风扇(S1，S2，S3，S4)同向转动，给正在升温的电池降温；

在电池排气阶段，布置在箱体底槽两侧的烟雾传感器(T1，T2，T3，T4，T5，T6)采集电池包内的烟雾并转换为烟雾采集电压数字信号传送至控制器，所述控制器(CC0)将接收到的浓度采集电压数字信号与预设的第二基准电压值比较，如果浓度采集电压值高于所述第二基准电压值，所述控制器(CC0)驱动蜂鸣器报警，并驱动电机带动一侧的排风扇(S1，S2)正向转动，另一侧的排风扇(S3，S4)反向转动。

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