CN216818437U - 一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种可监测电芯运行状态的无线装置，包括处理器、温度检测单元、压力检测单元、实时时钟单元和无线传输单元；芯包密闭设置在锂电池的金属壳体内；处理器、两温度检测单元、压力检测单元和无线传输单元均设置在芯包表面；温度检测单元检测芯包的表面温度并输出温度检测信号；压力检测单元检测金属壳体内的气压并向处理器输出气压检测信号；实时时钟单元向处理器输出当前时间信息；无线传输单元间隔的将处理器接收到的温度检测信号、气压检测信号和当前时间信息进行无线传输。
Description
技术领域
本实用新型涉及锂离子电池运行监测设备技术领域，尤其涉及一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构。
背景技术
锂离子电池，简称锂电池是以锂合金金属氧化物为正极材料，石墨为负极材料，使用非水电解质的电池。由于锂电池具有携带方便、性能稳定可靠、结构合理等特点，在直流充放电领域具有广泛的应用。目前锂离子电池已广泛应用在智能设备、电动汽车、电动工具、航空航天等领域。对于电动汽车来说，最重要的储能设备就是电池。
在锂离子电池使用过程中，需要对电池的温度和压力状况进行监测。现有的方案通常是监测金属壳体锂电池表面的温度和压力，并将获取的温度和压力信号发送给BMS或者汽车中控；但是这种方式获取的温度和压力情况并不是电池内部的实际温度或者压力，而且采用线缆传输方式，增加了布线环节，占用了宝贵的车内空间。综上所述，提供一种结构紧凑、布线简单、不需额外布线空间的可监测锂电池电芯运行状态的无线装置，是很有必要的。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种能够检测电池内部温度和电池内部压力的无线装置及其锂电池结构。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一方面，本实用新型提供了一种可监测电芯运行状态的无线装置，包括卷绕设置在锂电池金属壳体里的芯包，芯包侧表面与金属壳体内表面间隙设置；还包括处理器(1)、两温度检测单元(2)、压力检测单元(3)、实时时钟单元(4)和无线传输单元(5)；
所述处理器(1)、温度检测单元(2)、压力检测单元(3)、实时时钟单元(4)和无线传输单元(5)均设置在芯包的表面；
温度检测单元(2)的输出端与处理器(1)电性连接；温度检测单元(2)检测芯包的表面温度并向处理器(1)输出温度检测信号；
压力检测单元(3)的输出端与处理器(1)电性连接；压力检测单元(3)检测金属壳体内的气压并向处理器(1)输出气压检测信号；
实时时钟单元(4)的输出端与处理器(1)电性连接，实时时钟单元(4)向处理器(1)输出当前时间信息；
无线传输单元(5)，与处理器(1)通信连接；无线传输单元(5)间隔的将处理器(1)接收到的温度检测信号、气压检测信号和当前时间信息进行无线传输。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述温度检测单元(2)包括温度检测芯片U2；处理器(1)具有若干数据通信接口和通用输入输出接口；温度检测芯片U2的引脚3与+5V电源电性连接；温度检测芯片U2的引脚1接地；温度检测芯片U2的引脚2作为温度检测单元(2)的输出端与电阻R1的一端电性连接，电阻R1的另一端与处理器(1)的一个通用输入输出接口电性连接；温度检测芯片U2的检测部贴合在芯包的侧表面。
优选的，所述压力检测单元(3)包括压力检测芯片U3；压力检测芯片U3的引脚1和引脚2均与+3.3V电源电性连接；压力检测芯片U3的引脚7和引脚8分别与处理器(1)的一路数据通信接口一一对应电性连接，压力检测芯片U3的引脚7和引脚8还与一上拉电阻的一端电性连接，上拉电阻的另一端与+3.3V电源电性连接。
进一步优选的，实时时钟单元(4)包括RTC芯片U5和晶振X1；RTC芯片U5的引脚1与+5V电源电性连接，RTC芯片U5的引脚2分别与电容C1的一端和晶振X1的一端电性连接，RTC芯片U5的引脚3与引脚4均与电容C2的一端和晶振X1的另一端电性连接，电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地；RTC芯片U5的引脚5、引脚6和引脚7分别与处理器(1)的另一路数据通信接口一一对应电性连接。
优选的，无线传输单元(5)包括WIFI模块U4、复位开关S1和复位开关S2；WIFI模块U4的引脚1分别与复位开关S1的引脚2和电阻R4的一端电性连接，复位开关S1的引脚1接地；WIFI模块U4的引脚3与电阻R5的一端电性连接，电阻R4的另一端和电阻R5的另一端均与+3.3V电源电性连接；WIFI模块U4的引脚15和引脚16均接地；WIFI模块U4的引脚18与复位开关S2的引脚1电性连接，复位开关S2的引脚2接地；WIFI模块U4的引脚21和引脚22分别与处理器(1)的一数据通信接口一一对应电性连接。
优选的，还包括地址设置单元(6)，地址设置单元(6)包括多路拨码选择开关SW1；多路拨码选择开关SW1的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4和引脚5分别与处理器(1)的不同的通用输入输出接口一一对应电性连接，多路拨码选择开关SW1的引脚6、引脚7、引脚8、引脚9和引脚10均与+3.3V电源电性连接；多路拨码选择开关SW1的引脚1和引脚10选择性连通、引脚2和引脚9选择性连通，引脚3和引脚8选择性连通，引脚4和引脚7选择性连通，引脚5和引脚6选择性连通。
优选的，还包括电源单元(7)，电源单元(7)包括线性稳压芯片，线性稳压芯片的输入端与一芯包的正极电性连接，线性稳压芯片的输出端输出降压后的电压。
另一方面，本实用新型提供了一种可监测电芯运行状态的锂电池结构，包括中空的金属壳体(81)、至少一个芯包(82)、盖板(83)、若干正极耳(84)和若干负极耳(85)；壳体(81)具有开口部，芯包(82)设置在开口部内；芯包(82)靠近开口部的端面上设置有正极耳(84)与负极耳(85)；盖板(83)盖设在开口处，且正极耳(84)或者负极耳(85)与盖板(83)靠近开口部的一侧端面抵接，正极耳(84)或者负极耳(85)与盖板(83)电性连接；上述的可监测电芯运行状态的无线装置设置在芯包(82)表面上。
优选的，还包括中空的封装部(86)，上述的可监测电芯运行状态的无线装置设置在封装部(86)内；封装部(86)的端面上设置有若干通孔(87)，所述温度检测单元(2)的检测部穿过通孔(87)抵持在芯包的表面；压力检测单元(3)的检测部嵌设在通孔(87)处。
本实用新型提供的一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)通过在电池内部的芯包表面处设置高度集成且紧凑的处理器、温度检测单元、压力检测单元、实时时钟单元和无线传输单元等电路，实现对电池内部芯包的温度和电池内部密封环境下的压力变化情况的检测，更敏感的获取芯包表面温度状况并监控是否有大量气体释放；由于采用了无线信号传输方式，省去了电池与BMS或者与汽车中控之间的物理线束走线；
(2)地址设置单元用于在多个电池或者芯包同时使用时，用于定位和区分不同的电池或者芯包，便于对故障电池或者芯包快速定位；
(3)无线装置的供电直接由芯包提供，无需额外配置供电电源；
(4)本方案还提供了一种封装了芯包及对电芯运行状态无线检测装置的电池结构。
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为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的电路框图；
图2为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的温度检测单元的接线图；
图3为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的压力检测单元的接线图；
图4为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的实时时钟单元的接线图；
图5为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的无线传输单元的接线图；
图6为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的地址设置单元的接线图；
图7为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的电源单元的接线图；
图8为本实用新型一种可监测电芯运行状态的无线装置及其锂电池结构的锂电池的立体图；
图9为图8的***状态立体图。
附图标记说明：1、处理器；2、温度检测单元；3、压力检测单元；4、实时时钟单元；5、无线传输单元；6、地址设置单元；7、电源单元；81、金属壳体；82、芯包；83、盖板；84、正极耳；85、负极耳；86、封装部；87、通孔。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1—7所示，一方面，本实用新型提供了一种可监测电芯运行状态的无线装置，本实用新型提供了一种可监测电芯运行状态的无线装置，包括卷绕设置在锂电池金属壳体里的芯包，芯包侧表面与金属壳体内表面间隙设置；还包括处理器1、温度检测单元2、压力检测单元3、实时时钟单元4和无线传输单元5；
处理器1、温度检测单元2、压力检测单元3、实时时钟单元4和无线传输单元5均设置在芯包的表面；本方案中的芯包是将正极、负极和隔离膜进行卷绕后形成的结构。待芯包整体放入金属壳体后，再向金属壳体内灌封电解液。
温度检测单元2的输出端与处理器1电性连接；温度检测单元2检测芯包的表面温度并向处理器1输出温度检测信号；当然，如果金属壳体内存在多个芯包；可以将温度检测单元2设置在各芯包表面，或者将一个温度检测单元2设置在两个相邻的芯包之间。
压力检测单元3的输出端与处理器1电性连接；压力检测单元3检测金属壳体内的气压并向处理器1输出气压检测信号；压力检测单元3获取金属壳体内的压力变化，如果压力异常升高则表明金属壳体内气体生成量异常，存在潜在的安全隐患。
实时时钟单元4的输出端与处理器1电性连接，实时时钟单元4向处理器1输出当前时间信息；实时时钟单元4用于与世界时间同步，输出当前检测的时间信息；
无线传输单元5与处理器1通信连接；无线传输单元5间隔的将处理器1接收到的温度检测信号、气压检测信号和当前时间信息进行无线传输。无线传输单元5用于与车载BMS或者汽车中控进行无线数据传输，免去线束的布设和维护工作。
如图2所示，图纸展示了一种温度检测单元2的具体接线图。图中，温度检测单元2包括温度检测芯片U2；处理器1具有若干数据通信接口和通用输入输出接口；温度检测芯片U2的引脚3与+5V电源电性连接；温度检测芯片U2的引脚1接地；温度检测芯片U2的引脚2作为温度检测单元2的输出端与电阻R1的一端电性连接，电阻R1的另一端与处理器1的一个通用输入输出接口电性连接；温度检测芯片U2的检测部贴合在芯包的任一表面。温度检测芯片U2选用DS18B20芯片，该芯片的输出端输出数字信号并与处理器1的PA14接口电性连接。处理器1即图示的U1，可选用STM32F103系列单片机或者类似TI公司、ATMEL公司的类似设备实现。
如图3所示，图示展示了一种压力检测单元3的具体接线图。压力检测单元3包括压力检测芯片U3；压力检测芯片U3的引脚1和引脚2均与+3.3V电源电性连接；压力检测芯片U3的引脚7和引脚8分别与处理器1的一路数据通信接口一一对应电性连接，压力检测芯片U3的引脚7和引脚8还与一上拉电阻的一端电性连接，上拉电阻的另一端与+3.3V电源电性连接。压力检测芯片U3选用瑞士MESA公司的产品MS5611气压传感器，该芯片集成了压力传感与模数转换功能，输出数字信号并通过SPI或者IIC总线接口与处理器1的PB6和PB7接口通信。图中采用的二线制的IIC总线接口，为了保持电平稳定，IIC总线接口分别与一4.7千欧的上拉电阻，即电阻R2和R3电性连接。由于电池内部是密封环境，当产生的气体异常增多时，会导致电池内部的压力变化，通过该压力检测单元3可以获取电池内部的压力状态是否发生显著变化。
如图4所示，实时时钟单元4包括RTC芯片U5和晶振X1；RTC芯片U5的引脚1与+5V电源电性连接，RTC芯片U5的引脚2分别与电容C1的一端和晶振X1的一端电性连接，RTC芯片U5的引脚3与引脚4均与电容C2的一端和晶振X1的另一端电性连接，电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地；RTC芯片U5的引脚5、引脚6和引脚7分别与处理器1的另一路数据通信接口即PB0、PB1和PB2一一对应电性连接。实时时钟单元4简称RTC，其具有设置***时钟或者定时器等功能，其工作的频率源由晶振X1提供。RTC芯片U5选用DS1302ZM。该芯片具有由年到秒的时间精度，输出单字节或者多字节的数字时间数据，提供当前测量时刻的世界时间信息。RTC芯片U5的引脚7是时钟输入端，引脚5是复位/片选端；引脚6是串行数据输入/输出端。
如图5所示，无线传输单元5包括WIFI模块U4、复位开关S1和复位开关S2；WIFI模块U4的引脚1分别与复位开关S1的引脚2和电阻R4的一端电性连接，复位开关S1的引脚1接地；WIFI模块U4的引脚3与电阻R5的一端电性连接，电阻R4的另一端和电阻R5的另一端均与+3.3V电源电性连接；WIFI模块U4的引脚15和引脚16均接地；WIFI模块U4的引脚18与复位开关S2的引脚1一端电性连接，复位开关S2的引脚2接地；WIFI模块U4的引脚21和引脚22分别与处理器1的一数据通信接口一一对应电性连接。WIFI模块U4选用ESP—8266—12F，该芯片的工作电源为3.3V，按下复位开关S1则该芯片复位。WIFI模块U4的引脚18，即IO0是一个模式切换功能，悬空为发送模式，按下复位开关S2接地则为下载或者固件升级模式。WIFI模块U4的引脚21和引脚22为兼容TTL的UART接口，直接与处理器1的串行通信接口通信连接。
如图6所示，本方案中的芯包或者电池可能具有多组，从而形成电池簇或者电池模组。为了更好的区分不同位置的芯包，本实用新型还设置了地址设置单元6。地址设置单元6包括多路拨码选择开关SW1；多路拨码选择开关SW1的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4和引脚5分别与处理器1的不同的通用输入输出接口一一对应电性连接，多路拨码选择开关SW1的引脚6、引脚7、引脚8、引脚9和引脚10均与+3.3V电源电性连接；多路拨码选择开关SW1的引脚1和引脚10选择性连通、引脚2和引脚9选择性连通，引脚3和引脚8选择性连通，引脚4和引脚7选择性连通，引脚5和引脚6选择性连通。图示的多路拨码选择开关SW1为五路，根据各拨码的不同位置，有2的5次方，即00000、00001……、11111，共32种不同的组合，即最多支持32组芯包的地址编码方式，该地址编码与上述获得的温度检测信号、气压检测信号和当前时间信息共同组成了当前电池或者芯包的检测信息。实际使用时，可根据实际需要对多路拨码选择开关SW1的拨码的路数以及位置进行设定，以便进行更大容量的扩展。
如图7所示，电源单元7包括线性稳压芯片，线性稳压芯片的输入端与一芯包的正极电性连接，线性稳压芯片的输出端输出降压后的电压。图示的电源分为两级线性稳压，第一级是采用线性稳压芯片K7805M对芯包提供的电压进行一次降压，输出+5V电源，第二级是采用线性稳压芯片LM1117—3.3，进一步输出+3.3V电源。
如图8和图9所示，另一方面，本实用新型还提供了一种可监测电芯运行状态的锂电池结构，具体的，该锂电池结构包括中空的金属壳体81、至少一个芯包82、盖板83、若干正极耳84和若干负极耳85；壳体81具有开口部，各芯包82设置在开口部内；如果有多个芯包82，则相邻的芯包82之间间隔设置，芯包82靠近开口部的端面上设置有正极耳84与负极耳85；盖板83盖设在开口处，且正极耳84或者负极耳85与盖板83靠近开口部的一侧端面抵接，正极耳84或者负极耳85盖板83电性连接；上述的可监测电芯运行状态的无线装置设置在两相邻的芯包82之间。图示的每个芯包82的端面上均设置有一个正极耳84和一个负极耳85。可监测电芯运行状态的无线装置需要做放电解液的保护措施，如密封、绝缘设置。相邻芯包的间隙或者芯包与壳体之间的间隙用于放置上述无线装置。
作为本实用新型的进一步的改进，为了给芯包82上的无线装置提供一定的防护，且便于无线装置的安装与定位，本实用新型还包括中空的封装部86，上述的可监测电芯运行状态的无线装置设置在封装部86内；封装部86的端面上设置有若干通孔87，温度检测单元2的检测部穿过通孔87抵持在芯包82的表面；压力检测单元3的检测部嵌设在通孔87处。封装部86可以适应芯包82与金属壳体81之间或两芯包82之间的间隙，并限制可监测电芯运行状态的无线装置各组件的相对位置。封装部86可以采用粘接方式与芯包82固定。压力检测单元3的检测部对应的通孔87也可以开设在封装部86径向方向的侧表面上。
需要说明的是，本实用新型使用的芯片容易获取，在获取芯片的同时也能得到相应的技术手册，本实用新型不涉及程序上的改进。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可监测电芯运行状态的无线装置，包括卷绕设置在锂电池金属壳体里的芯包，芯包侧表面与金属壳体内表面间隙设置；其特征在于：包括处理器(1)、温度检测单元(2)、压力检测单元(3)、实时时钟单元(4)和无线传输单元(5)；
所述处理器(1)、温度检测单元(2)、压力检测单元(3)、实时时钟单元(4)和无线传输单元(5)均设置在芯包的表面；
温度检测单元(2)的输出端与处理器(1)电性连接；温度检测单元(2)检测芯包的表面温度并向处理器(1)输出温度检测信号；
压力检测单元(3)的输出端与处理器(1)电性连接；压力检测单元(3)检测金属壳体内的气压并向处理器(1)输出气压检测信号；
实时时钟单元(4)的输出端与处理器(1)电性连接，实时时钟单元(4)向处理器(1)输出当前时间信息；
无线传输单元(5)，与处理器(1)通信连接；无线传输单元(5)间隔的将处理器(1)接收到的温度检测信号、气压检测信号和当前时间信息进行无线传输。
2.根据权利要求1所述的一种可监测电芯运行状态的无线装置，其特征在于：所述温度检测单元(2)包括温度检测芯片U2；处理器(1)具有若干数据通信接口和通用输入输出接口；温度检测芯片U2的引脚3与+5V电源电性连接；温度检测芯片U2的引脚1接地；温度检测芯片U2的引脚2作为温度检测单元(2)的输出端与电阻R1的一端电性连接，电阻R1的另一端与处理器(1)的一个通用输入输出接口电性连接；温度检测芯片U2的检测部贴合在芯包的侧表面。
3.根据权利要求2所述的一种可监测电芯运行状态的无线装置，其特征在于：所述压力检测单元(3)包括压力检测芯片U3；压力检测芯片U3的引脚1和引脚2均与+3.3V电源电性连接；压力检测芯片U3的引脚7和引脚8分别与处理器(1)的一路数据通信接口一一对应电性连接，压力检测芯片U3的引脚7和引脚8还与一上拉电阻的一端电性连接，上拉电阻的另一端与+3.3V电源电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种可监测电芯运行状态的无线装置，其特征在于：实时时钟单元(4)包括RTC芯片U5和晶振X1；RTC芯片U5的引脚1与+5V电源电性连接，RTC芯片U5的引脚2分别与电容C1的一端和晶振X1的一端电性连接，RTC芯片U5的引脚3与引脚4均与电容C2的一端和晶振X1的另一端电性连接，电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地；RTC芯片U5的引脚5、引脚6和引脚7分别与处理器(1)的另一路数据通信接口一一对应电性连接。
5.根据权利要求2所述的一种可监测电芯运行状态的无线装置，其特征在于：无线传输单元(5)包括WIFI模块U4、复位开关S1和复位开关S2；WIFI模块U4的引脚1分别与复位开关S1的引脚2和电阻R4的一端电性连接，复位开关S1的引脚1接地；WIFI模块U4的引脚3与电阻R5的一端电性连接，电阻R4的另一端和电阻R5的另一端均与+3.3V电源电性连接；WIFI模块U4的引脚15和引脚16均接地；WIFI模块U4的引脚18与复位开关S2的引脚1电性连接，复位开关S2的引脚2接地；WIFI模块U4的引脚21和引脚22分别与处理器(1)的一数据通信接口一一对应电性连接。
6.根据权利要求2所述的一种可监测电芯运行状态的无线装置，其特征在于：还包括地址设置单元(6)，地址设置单元(6)包括多路拨码选择开关SW1；多路拨码选择开关SW1的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4和引脚5分别与处理器(1)的不同的通用输入输出接口一一对应电性连接，多路拨码选择开关SW1的引脚6、引脚7、引脚8、引脚9和引脚10均与+3.3V电源电性连接；多路拨码选择开关SW1的引脚1和引脚10选择性连通、引脚2和引脚9选择性连通，引脚3和引脚8选择性连通，引脚4和引脚7选择性连通，引脚5和引脚6选择性连通。
7.根据权利要求2所述的一种可监测电芯运行状态的无线装置，其特征在于：还包括电源单元(7)，电源单元(7)包括线性稳压芯片，线性稳压芯片的输入端与一芯包的正极电性连接，线性稳压芯片的输出端输出降压后的电压。
8.一种可监测电芯运行状态的锂电池结构，其特征在于：包括中空的金属壳体(81)、至少一个芯包(82)、盖板(83)、若干正极耳(84)和若干负极耳(85)；壳体(81)具有开口部，各芯包(82)设置在开口部内；芯包(82)靠近开口部的端面上设置有正极耳(84)与负极耳(85)；盖板(83)盖设在开口处，且正极耳(84)或者负极耳(85)与盖板(83)靠近开口部的一侧端面抵接，正极耳(84)或者负极耳(85)与盖板(83)电性连接；如权利要求1—7任一项所述的可监测电芯运行状态的无线装置设置在芯包(82)表面上。
9.根据权利要求8所述的一种可监测电芯运行状态的锂电池结构，其特征在于：还包括中空的封装部(86)，如权利要求1—7任一项所述的可监测电芯运行状态的无线装置设置在封装部(86)内；封装部(86)的端面上设置有若干通孔(87)，所述温度检测单元(2)的检测部穿过通孔(87)抵持在芯包的表面；压力检测单元(3)的检测部嵌设在通孔(87)处。
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