新能源汽车用动力电池包安全性监测系统及监测方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010806822.4
(22)申请日 2020.08.12
(71)申请人 芜湖奇达动力电池系统有限公司
地址 241000 安徽省芜湖市鸠江区九华北
路330号
(72)发明人 赵小婷　肖峰　杨兵　方竹　
倪秀兵　
(74)专利代理机构 芜湖安汇知识产权代理有限
公司 34107
代理人 朱顺利
(51)Int.Cl.
H01M 10/42(2006.01)
H01M 10/48(2006.01)
(54)发明名称
新能源汽车用动力电池包安全性监测系统
及监测方法
(57)摘要
本发明公开了一种新能源汽车用动力电池
包安全性监测系统，包括用于检测动力电池包内
部温度的环境温度传感器、用于检测动力电池包
内部烟雾浓度的烟雾传感器、用于检测动力电池
包内冷却液液面高度的漏液传感器、用于检测液
冷系统进水口处冷却液温度的第一温度传感器
和用于检测液冷系统出水口处冷却液温度的第
二温度传感器。

本发明的新能源汽车用动力电池
包安全性监测系统，能够全方面的对动力电池包
的液冷系统温度、漏液高度、烟雾浓度进行检测，
提高动力电池包的安全预防等级，降低动力电池
包运行风险。

本发明还公开了一种新能源汽车用
动力电池包安全性监测方法。

权利要求书1页 说明书7页 附图4页CN 111969265 A 2020.11.20
C N 111969265
A
1.新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，其特征在于，包括用于检测动力电池包内部温度的环境温度传感器、用于检测动力电池包内部烟雾浓度的烟雾传感器、用于检测动力电池包内冷却液液面高度的漏液传感器、用于检测液冷系统进水口处冷却液温度的第一温度传感器和用于检测液冷系统出水口处冷却液温度的第二温度传感器。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，其特征在于，所述烟雾传感器的工作模式包括连续工作模式和低功耗工作模式，连续工作模式的触发条件包括烟雾浓度达到设定值和请求发送引脚上的电压值达到电压设定值，低功耗工作模式的触发条件包括请求发送引脚上的电压值低于电压设定值。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，其特征在于，所述烟雾传感器布置在动力电池包的上壳体和下壳体之间，且烟雾传感器的位置靠近热失控危险度最高区域及通过热扩散试验测定动力电池包内部热失控危险度最高区域。

4.根据权利要求1至3任一所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，其特征在于，所述动力电池包包括上壳体、下壳体和设置于下壳体内部且与下壳体固定连接的横梁，所述漏液传感器设置于横梁上，横梁具有让漏液传感器插入的安装孔。

5.根据权利要求1至4任一所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，其特征在于，所述动力电池包内部的电池模组呈多排进行布置，且各排布置多个电池模组，所述环境温度传感器布置在第一排电池模组的相邻两个电池模组之间。

6.根据权利要求1至5任一所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，其特征在于，所述液冷系统包括PTC板、设置于PTC板上的液冷管、设置于PTC板与动力电池包的下壳体之间的硅胶泡棉、与液冷管的进水口连接的进水管以及与液冷管的出水口连接的出水管，PTC板与下壳体之间具有间隙。

7.新能源汽车用动力电池包安全性监测方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，由环境温度传感器检测动力电池包内部温度，由烟雾传感器检测动力电池包内部烟雾浓度，由漏液传感器检测动力电池包内冷却液液面高度，由第一温度传感器检测液冷系统进水口处冷却液温度，由第二温度传感器检测液冷系统出水口处冷却液温度。

8.根据权利要求7所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测方法，其特征在于，所述烟雾传感器与电池管理系统电连接，当烟雾传感器检测到烟雾浓度达到设定值，烟雾传感器从低功耗工作模式切换到连续工作模式，并向电池管理系统发送信号。

9.根据权利要求7或8所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测方法，其特征在于，所述漏液传感器与电池管理系统电连接，当动力电池包内的液面高度达到设定值后，电池管理系统发送信号至整车控制单元，整车控制单元控制仪表盘上的警示灯点亮。

10.根据权利要求7至9任一所述的新能源汽车用动力电池包安全性监测方法，其特征在于，所述环境温度传感器与电池管理系统电连接，当环境温度传感器检测到动力电池包内部温度达到设定值后，电池管理系统发送信号至液冷控制模块，液冷控制模块控制液冷系统启动，液冷系统开始工作。

权　利　要　求　书1/1页CN 111969265 A
新能源汽车用动力电池包安全性监测系统及监测方法
技术领域
[0001]本发明属于新能源汽车动力电池技术领域，具体地说，本发明涉及一种新能源汽车用动力电池包安全性监测系统及监测方法。

背景技术
[0002]近年来，随着新能源行业的快速发展，人们对新能源汽车的认知发生改变，新能源汽车也越来越被广大群众认可和青睐；随着电动汽车行业的大规模扩张，安全问题已经成为行业亟待解决的问题。

[0003]动力电池是电动汽车的重要动力来源，动力电池的安全性是电动车发展过程中首先要考虑和解决的问题。

动力电池系统由动力电池模块系统、电池管理系统、热管理系统和电气系统组成。

动力电池系统的安全问题主要是热失控问题和绝缘问题。

动力电池工作后是必然的要发热的，常态下是可控的，但是非常态下会失控。

如果失控，必然发生火灾。

而过热、过充、内短路、碰撞等都是引发动力电池热失控的几个关键因素。

一般而言，热失控发生之后，会往下传播。

比如第一节热失控之后会有传热，开始传播，然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。

鉴于此，在电池包内部，增加有效的安全预防检测措施就变成迫切需要解决的问题。

[0004]然而现有对动力电池系统运行情况的监测主要依靠的是通过监测模组内部温度来衡量。

通过这种方式得到的数据仅仅能够了解模组在工作状态的实时温度，无法全方位的详细了解电池包其他系统的运行状况，这对动力电池系统安全高效运行产生很大影响。

发明内容
[0005]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提供一种新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，目的是提高动力电池包运行安全性。

[0006]为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，包括用于检测动力电池包内部温度的环境温度传感器、用于检测动力电池包内部烟雾浓度的烟雾传感器、用于检测动力电池包内冷却液液面高度的漏液传感器、用于检测液冷系统进水口处冷却液温度的第一温度传感器和用于检测液冷系统出水口处冷却液温度的第二温度传感器。

[0007]所述烟雾传感器的工作模式包括连续工作模式和低功耗工作模式，连续工作模式的触发条件包括烟雾浓度达到设定值和请求发送引脚上的电压值达到电压设定值，低功耗工作模式的触发条件包括请求发送引脚上的电压值低于电压设定值。

[0008]所述烟雾传感器布置在动力电池包的上壳体和下壳体之间，且烟雾传感器的位置靠近热失控危险度最高区域及通过热扩散试验测定动力电池包内部热失控危险度最高区域。

[0009]所述动力电池包包括上壳体、下壳体和设置于下壳体内部且与下壳体固定连接的横梁，所述漏液传感器设置于横梁上，横梁具有让漏液传感器插入的安装孔。

[0010]所述动力电池包内部的电池模组呈多排进行布置，且各排布置多个电池模组，所述环境温度传感器布置在第一排电池模组的相邻两个电池模组之间。

[0011]所述液冷系统包括PTC板、设置于PTC板底部的液冷管、设置于PTC板与动力电池包的下壳体之间的硅胶泡棉、与液冷管的进水口连接的进水管以及与液冷管的出水口连接的出水管，PTC板与下壳体之间具有间隙。

[0012]本发明还提供了一种新能源汽车用动力电池包安全性监测方法，采用上述的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，由环境温度传感器检测动力电池包内部温度，由烟雾传感器检测动力电池包内部烟雾浓度，由漏液传感器检测动力电池包内冷却液液面高度，由第一温度传感器检测液冷系统进水口处冷却液温度，由第二温度传感器检测液冷系统出水口处冷却液温度。

[0013]所述烟雾传感器与电池管理系统电连接，当烟雾传感器检测到烟雾浓度达到设定值，烟雾传感器从低功耗工作模式切换到连续工作模式，并向电池管理系统发送信号。

[0014]所述漏液传感器与电池管理系统电连接，当动力电池包内的液面高度达到设定值后，电池管理系统发送信号至整车控制单元，整车控制单元控制仪表盘上的警示灯点亮。

[0015]所述环境温度传感器与电池管理系统电连接，当环境温度传感器检测到动力电池包内部温度达到设定值后，电池管理系统发送信号至液冷控制模块，液冷控制模块控制液冷系统启动，液冷系统开始工作。

[0016]本发明的新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，能够全方面的对动力电池包的内部环境温度、液冷系统温度、漏液高度、烟雾浓度进行检测，提高动力电池包的安全预防等级，降低动力电池包运行风险。

附图说明
[0017]本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
[0018]图1是本发明新能源汽车用动力电池包安全性监测系统的结构示意图；
[0019]图2是本发明新能源汽车用动力电池包安全性监测系统的控制原理图；
[0020]图3是电池环境温度传感器与液冷系统的控制模块示意图；
[0021]图4是漏液传感器与液冷系统的控制模块示意图；
[0022]图5a是PTC板底部结构示意图；
[0023]图5b是液冷管的结构示意图；
[0024]图5c是PTC板顶部结构示意图；
[0025]图6是进出水管总成图；
[0026]图7是漏液传感器在电池包内安装位置示意图；
[0027]图8是烟雾传感器在电池包内安装位置示意图；
[0028]图中标记为：1、控制线束总成；2、第一接头；3、环境温度传感器；4、GND(电线接地端)；5、第二接头；6、烟雾传感器；7、第一温度传感器；8、第二温度传感器；9、漏液传感器；
10、电池管理系统；11、进水管；12、液冷控制模块；13、出水管；14、液冷管；15、PTC板；16、硅胶泡棉；17、PTC加热线；18、导热硅胶垫；19、四孔管夹；20、五孔管夹；21、安装孔；22、固定孔；23、横梁；24、下壳体；25、电池模组。

具体实施方式
[0029]下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

[0030]如图1至图8所示，本发明提供了一种新能源汽车用动力电池包安全性监测系统，包括用于检测动力电池包内部温度的环境温度传感器3、用于检测动力电池包内部烟雾浓度的烟雾传感器6、用于检测动力电池包内冷却液液面高度的漏液传感器9、用于检测液冷系统进水口处冷却液温度的第一温度传感器7和用于检测液冷系统出水口处冷却液温度的第二温度传感器8。

[0031]具体地说，如图1所示，环境温度传感器3、烟雾传感器6、漏液传感器9、第一温度传感器7和第二温度传感器8与电池管理系统10(BMS)均为电连接，环境温度传感器3、烟雾传感器6、漏液传感器9、第一温度传感器7和第二温度传感器8通过线束与电池管理系统10连接。

环境温度传感器3将随温度变化的电阻信号通过线束传输到电池管理系统10。

烟雾传感器6输出PWM信号，将超过预定值的气溶胶浓度信号通过线束传输到电池管理系统10。

漏液传感器9通过检测液面高度，将随液面高度变化的电阻信号通过线束传输到电池管理系统10。

第一温度传感器7通过检测液冷系统的进水口处的冷却液温度，将随温度变化的电阻信号通过线束传输到电池管理系统10。

第二温度传感器8通过检测液冷系统的出水口处的冷却液温度，将随温度变化的电阻信号通过线束传输到电池管理系统10。

控制线束总成将环境温度传感器3、烟雾传感器6、漏液传感器9、第一温度传感器7和第二温度传感器8与电池管理系统10连接起来，形成集成线束。

通过电池管理系统10控制并检测环境温度传感器3、烟雾传感器6、第一温度传感器7、第二温度传感器8和漏液传感器9的数据，来监测动力电池包内温度及液冷系统的运行，提高动力电池包的运行安全性。

[0032]烟雾传感器6具有两种工作模式，烟雾传感器6的工作模式包括连续工作模式和低功耗工作模式，连续工作模式的触发条件包括烟雾浓度达到设定值和烟雾传感器6的请求发送(RTS，Request To Send)引脚上的电压值达到电压设定值，低功耗工作模式的触发条件包括请求发送(RTS，Request To Send)引脚上的电压值低于电压设定值。

[0033]如图2所示，烟雾传感器6的连续工作模式由电池管理系统10通过烟雾传感器6的请求发送引脚控制或由烟雾传感器6本身使用监控烟雾浓度作为触发条件进行切换。

当烟雾传感器6的请求发送引脚上的电压为高电压时，烟雾传感器6在连续工作模式下，可以提供连续的PWM输出，烟雾传感器6将连续的PWM信号输出至电池管理系统10。

当烟雾传感器6的请求发送引脚上的电压为低电平，烟雾传感器6工作在低功耗工作模式下，烟雾传感器6间断地监视动力电池包内部烟雾浓度，且不提供PWM输出。

一旦烟雾传感器6监测动力电池包内部的烟雾浓度达到设定值后，烟雾传感器6将请求从低功耗工作模式切换到连续工作模式，并向电池管理系统10发出wake-up信号。

[0034]烟雾传感器6在动力电池包内的安装位置，很大程度决定了动力电池包安全检测的有效性和灵敏性。

如图7和图8所示，动力电池包包括上壳体(图中未示出)、下壳体24和电池模组，电池模组布置在上壳体和下壳体24之间，下壳体24为内部中空的结构，下壳体24为水平设置且下壳体24位于上壳体的下方，下壳体24与上壳体固定连接。

烟雾传感器6布置在动力电池包的上壳体和下壳体24之间，且烟雾传感器6的位置靠近热失控危险度最高区域，
热失控现象包括电池模组温度升高、出现烟雾报警等，从而确定烟雾传感器6的布置位置。

将烟雾传感器6布置在靠近热失控危险度最高区域的位置处，以便更好监测动力电池包热失控现象。

[0035]对于烟雾传感器的安装位置的确定，是通过电池包热扩散试验来确定的。

电池包热扩散试验的具体过程如下：在动力电池包的每个电池模组内设置两个温度传感器，温度传感器用于实时监测电池模组的温度，在动力电池包内布置五个烟雾传感器，其中一个烟雾传感器布置在动力电池包的内部中心处，另外四个烟雾传感器呈四点布置，四个烟雾传感器分别布置在动力电池包的第一端、第二端、第三端和第四端，第一端和第二端为动力电池包的长度方向上的相对两端，第三端和第四端为动力电池包的宽度方向上的相对两端；并在动力电池包的内部布置多个摄像头，由摄像头进行摄像，且各个摄像头分别对动力电池包的不同部位进行拍摄，摄像头与控制器相连；然后进行动力电池包的热扩散试验，使用加热装置对动力电池包进行加热，动力电池包在热扩散试验过程中，电池模组内的温度传感器实时采集电池模组的温度数据，烟雾传感器采集动力电池包内的烟雾浓度数据，摄像头对动力电池包进行摄像；当动力电池包被加热到触发热事件后，停止试验，然后观察动力电池包内不同位置的温度传感器采集的温度数据、烟雾传感器采集的烟雾浓度数据及出现烟雾报警情况的先后顺序及严重程度，并作记录，最终确定出动力电池包的热失控危险度最高区域，动力电池包的热失控危险度最高区域为温度传感器采集的温度数据中电池模组温度最高、烟雾传感器采集的烟雾浓度数据中烟雾浓度最高和出现烟雾报警的区域，动力电池包此处热量容易集中，进而可以确定烟雾传感器的安装位置。

[0036]如何准确且有效地确定电池包内烟雾传感器6的位置及数量，关系到在动力电池包发生热失控现象时烟雾传感器6检测数据的准确性和及时性，且在一定程度上能够有效降低整个电池包系统的成本。

[0037]上述确定烟雾传感器位置的方式，有四个优势：一是热扩散试验很好的模拟了动力电池包发生热失控现象时电池包初始、发展、结束过程，很好地展现了电池包热失控状态下的反应；二是在动力电池包内各个位置布置温度传感器，使得动力电池包在做热扩散试验时，各个位置的温度传感器可以全方位实时监测动力电池包内的各处温度，并通过BMS传输到处于实验室外的观察员，使观察员能实时观察动力电池包的各处温度数据；三是在动力电池包各个方位安装烟雾传感器，在动力电池包做热扩散试验温度逐渐上升，上升到一定程度达到着火点，动力电池包内某些零部件会开始冒烟，这时，安装在动力电池包各个方位的烟雾传感器，在烟雾浓度超过200ug/m3时，烟雾传感器切换到连续工作模式，并向电池管理系统10发出wake-up信号。

由报警的烟雾传感器可以初步确定动力电池包大致哪个方位先出现烟雾浓度超标现象，但还是无法精确判断是这个方位的哪个电池模组或零部件发生了此种现象；四是在动力电池包内部布置多个摄像头，在烟雾传感器发出报警信号的同时，实验室外的观察员通过控制器显示的摄像头摄影画面，可以清晰看出动力电池包内部热失控现象现状。

从而确定是哪个电池模组或哪个零部件先发生了热失控现象或发生的热失控现象严重程度。

基于以上四点，本发明采用此种方法确定动力电池包内烟雾传感器的安装位置和数量，以便对动力电池包热失控现象实现全方位的监控及防护。

[0038]如图7和图8所示，动力电池包还包括设置于下壳体24内部且与下壳体24固定连接的横梁23，横梁23是用于固定动力电池包内模组而设置的，横梁23高度主要取决于模组固
定螺栓与模组高度的差值。

漏液传感器9设置于横梁23上，横梁23具有让漏液传感器9插入的安装孔21。

该安装孔21为矩形孔，与漏液传感器9的形状相匹配，横梁23位于下壳体24的内部，横梁23与下壳体24固定连接，横梁23的长度方向与下壳体24的宽度方向(也即动力电池包的宽度方向)相平行，横梁23位于下壳体24的长度方向(也即动力电池包的长度方向)上的一端。

漏液传感器9是通过螺栓固定安装在横梁23上，漏液传感器9具有让螺栓穿过的通孔，横梁23具有让螺栓穿过的固定孔22。

横梁23高度主要取决于模组固定螺栓与模组高度的差值以及漏液传感器9的安装尺寸。

在横梁23上安装漏液传感器9，既避免了常规为了安装漏液传感器9而在下壳体24上焊接安装漏液传感器9的U型支架，也避免了因安装U型支架而占用的动力电池包内部空间。

漏液传感器9是位于动力电池包的底部，漏液传感器9测定内部随动力电池包内冷却液液面高度变化的电阻值，并传送电阻信号给电池管理系统10，电池管理系统10将电阻信号转化为液面高度，当液面高度超过报警液面高度，电池管理系统10将信号传递给整车控制单元，整车控制单元通过仪表上的警示灯来警告车辆驾驶员这一危险。

警示灯的点亮可以简单明确的告知驾驶员，此时动力电池包出现了故障，需及时处理。

[0039]如图7和图8所示，环境温度传感器3位于动力电池包的内部，动力电池包内部的电池模组25呈多排进行布置，且各排布置多个电池模组25，环境温度传感器3布置在第一排电池模组25的相邻两个电池模组25之间。

[0040]如图8所示，环境温度传感器3所处位置是位于在动力电池包内部设置的高压配电盒的上方，高压配电盒连接动力电池包上的对外输出的充放电接口。

因每个电池模组25内部配置两个温度传感器，温度传感器可实时监测电池模组25的温度。

环境温度传感器安装于此处，便于监测动力电池包内部的高压配电盒及充放电接口处的温度。

此时，动力电池包内的电池模组25配置的温度传感器、环境温度传感器3、第一温度传感器7、第二温度传感器8构成一个完整的温控系统，从而可以有效、准确监测动力电池包内的温度。

[0041]动力电池包内部布置有第一排电池模组、第二排电池模组……第n排电池模组，n 为整数且大于2。

第一排电池模组、第二排电池模组……第n排电池模组均包括多个电池模组，第一排电池模组、第二排电池模组……第n排电池模组为沿下壳体24的长度方向依次布置，且第一排电池模组、第二排电池模组……第n排电池模组的所有电池模组为沿下壳体24的宽度方向依次布置，横梁23位于第n排电池模组的下方。

烟雾传感器6与第一排电池模组的所有电池模组处于与下壳体24的宽度方向相平行的同一直线上，第一排电池模组的所有电池模组位于烟雾传感器6的同一侧，烟雾传感器6固定设置在下壳体24上，第二排电池模组……第n排电池模组位于烟雾传感器6的同一侧，第一排电池模组和第二排电池模组所在区域为热失控危险度最高区域。

[0042]如图7和图8所示，在本实施例中，动力电池包内部的电池模组布置有5排，也即n＝5。

[0043]如图5a至图8所示，液冷系统包括PTC(Positive Temperature Coefficient)板、设置于PTC板15上的液冷管14、设置于PTC板15与动力电池包的下壳体24之间的硅胶泡棉16、与液冷管14的进水口连接的进水管11以及与液冷管14的出水口连接的出水管13，PTC板15与下壳体24之间具有间隙，液冷管14与下壳体24之间也具有间隙。

PTC板15为矩形板，PTC 板15为水平设置，PTC板15的长度方向与下壳体24的宽度方向相平行，PTC板15的宽度方向。