CN105280974A - 一种动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，包括检测模块和灭火模块，所述检测模块包括的气敏传感器、烟雾传感器、温度传感器、检测模块电路板；所述气敏传感器、烟雾传感器、温度传感器、分别与检测模块电路板相连；所述灭火模块包括电点火头、S型气溶胶灭火器；所述电点火头与S型气溶胶灭火器相连；电点火头与检测模块的检测模块电路板相连；所述检测模块电路板与电池管理系统的供电模块和传感器CAN总线相连。本发明能够实施在线检测，报警，提醒驾驶员和售后维护人员排查动力锂电池组的内部隐患；功耗低体积小，适合纯电动车或混合动力车需要对动力锂电池箱进行火灾隐患预警及火灾早期抑制的场合。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池漏液报警及灭火技术，具体涉及一种动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置。
背景技术
新能源汽车是我国七大战略性新兴产业之一，2013年财政部、工信部等四部委联合出台《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》，在2013年～2015年对新能源汽车进行推广补贴应用，但是从实施效果来看，新能源汽车的关键问题不在于补贴，而在于电池技术的创新、配套设施建设和消费者的接收程度，其中电池的安全性和可靠性尤为关键。
最近几年动力锂电池的安全性受到的质疑越来越多，纯电动车以及混合动力车的推广应用导致车辆自燃事件增加，仅2015年以来已发生7起新能源公交车起火事件，例如厦门公交车自燃事件导致十几辆车烧毁以及1人死亡的严重后果，给车辆厂家和电池厂家造成较大的损失和负面影响。
2015年8月1日交通运输部实施行业标准JT/T325-2013《营运客车类型划分及等级评定》第1号修改单和JT/T888-2014《公共汽车类型划分及等级评定》第1号修改单新增纯电动公交车标准，其中要求纯电动公共汽车及混合动力公共汽车应配有动力电池箱专用灭火装置。2015年8月6日，工信部发布《关于开展节能与新能源汽车推广应用安全隐患排查治理工作的通知》，通知要求各示范城市要对2009年以来推广应用的节能汽车、新能源汽车、充电基础设施、车辆停放及电池箱存放场地及配套管理措施进行调查。
动力锂电池由多个小电池块串并联而成，电池块内部的电极在充电的活化过程中可能会产生一些气体，导致电池块内压增大，压力达到一定程度会导致外壳破裂，引起电解液泄露；动力锂电池的电解液挥发性较强，易燃，遇水会发生反应产生热量，这个特点导致电池在充电时容易起火，如果充电时只是漏液，在行驶过程中才起火，影响将更加恶劣。动力锂电池的电池块通过外包塑料层绝缘，塑料在受热燃烧时会在电池箱内产生大量烟雾，因此烟雾传感相对于温度传感可以获得更早的火情警报。
动力锂电池箱的灭火难点在于内部空间缝隙较窄，干粉灭火器难以有效覆盖，水系灭火器会引发短路不适用于电池箱，而其它气体灭火器则由于体积和安全的限制，难以安装在汽车上。较为理想的灭火手段是采用S型气溶胶灭火，相比更早一代的K型气溶胶灭火器，S型气溶胶灭火器适用于扑灭电气火，气溶胶微粒不导电，在电池表面无残留，灭火机理包括惰性气体窒息、燃烧反应链阻断和吸热三重效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，能够实时检测动力锂电池箱内电解液泄露挥发气体、烟雾、空气温度，向电池管理系统(BMS)发送传感数据，同时在产生大量烟雾的情况下启动S型气溶胶灭火器抑制动力锂电池火情，功耗低体积小，适合纯电动车或混合动力车需要对动力锂电池箱进行火灾隐患预警及火灾早期抑制的场合。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，包括检测模块和灭火模块，所述检测模块包括的气敏传感器、烟雾传感器、温度传感器、检测模块电路板；所述气敏传感器、烟雾传感器、温度传感器、分别与检测模块电路板相连；所述灭火模块包括电点火头、S型气溶胶灭火器；所述电点火头与S型气溶胶灭火器相连；电点火头与检测模块的检测模块电路板相连；所述检测模块电路板与电池管理系统的供电模块和传感器CAN总线相连。
进一步的，所述气敏传感器采用基于薄膜半导体的气敏传感器，所述基于薄膜半导体的气敏传感器是气敏传感器在集成叉指电极和微加热器的MEMS基片上采用模板法微/纳结构排列技术镀半导体薄膜，然后采用贵金属或碳材料或其复合材料对气敏传感器进行催化修饰，使得气敏传感器对锂电池电解液中的易挥发物质产生选择性响应。
进一步的，所述灭火模块还包括热敏线，热敏线与S型气溶胶灭火器相连，热敏线布置在动力锂电池箱内的顶部盖板或侧壁上，遇高温或明火启动S型气溶胶灭火器。
进一步的，所述检测模块还包括微型风扇，微型风扇与检测模块电路板连接，所述检测模块盒体上有一个进气口和一个出气口，检测模块电路板通电后向微型风扇供电产生盒体内外的气流循环，加速对漏液和烟雾的响应。
进一步的，所述检测模块电路板与电池管理系统的供电模块通过四芯屏蔽线连接，四芯线定义分别为：接地、电源正、通讯正、通讯负，屏蔽层接地。
进一步的，所述检测模块电路板与电点火头通过两芯屏蔽电缆连接，检测模块电路板输出24V直流电可激发电点火头，电点火头进而激发S型气溶胶灭火器。
进一步的，所述检测模块的烟雾传感器采用散射光式烟雾传感器。
由上述方案可知，本发明的动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置通过基于薄膜半导体技术的气敏传感器检测电池箱内是否存在漏液情况，及时发出报警，在进一步恶化之前进行维护处理，如果发生火灾，装置通过烟雾传感触发电控以及热敏线双重方式启动S型气溶胶灭火器，产生大量惰性气体和气溶胶颗粒充满电池箱，在火灾早期抑制燃烧并吸收热量。
本发明动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置具有下述优点：
1、本发明能够实施在线检测动力锂电池箱内的电解液挥发气体浓度、烟雾浓度、空气温度，对漏液、烟雾、高温发出报警，提醒驾驶员和售后维护人员排查动力锂电池组的内部隐患。
2、本发明在火灾发生的早期启动S型气溶胶灭火器，抑制动力锂电池的燃烧蔓延，便于进一步处置。
3、本发明可以在无供电情况下正常启动S型气溶胶灭火器，可靠性高。
4、本发明动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置功耗低、体积小，适用于集成在纯电动、混合动力的民用车辆及公交车电池箱的安全防护。
附图说明
图1为本发明的框架结构示意图；
图2为本发明中基于薄膜半导体技术的气敏传感器、烟雾传感器、温度传感器、微型风扇、检测模块电路板的安装示意图；
图3为本发明基于军用烟火技术的S型气溶胶灭火器、热敏线、电点火头的安装示意图；
图4为本发明检测模块和灭火模块的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，本实施例的一种动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置包括检测模块1和灭火模块2；所述检测模块1包括基于薄膜半导体技术的气敏传感器11、烟雾传感器12、温度传感器13、微型风扇14、检测模块电路板15；所述气敏传感器11、烟雾传感器12、温度传感器13、微型风扇14分别与检测模块电路板15相连；所述检测模块电路板15与电池管理系统(BMS)的DC24V供电和传感器CAN总线相连；所述灭火模块2包括热敏线21、电点火头22、基于军用烟火技术的S型气溶胶灭火器23；所述热敏线21、电点火头22分别与S型气溶胶灭火器23相连，电点火头22与检测模块电路板15相连。
所述基于薄膜半导体的气敏传感器11是指气敏传感器11在集成叉指电极和微加热器的MEMS基片上采用模板法微/纳结构排列技术镀半导体薄膜，然后采用贵金属、碳材料(比如石墨烯、碳纳米颗粒)及其复合材料对气敏传感器11进行催化修饰，使得气敏传感器11对锂电池电解液中的易挥发物质产生选择性响应；所述基于薄膜半导体的气敏传感器11上的半导体敏感薄膜厚度＜2μm，与目前市场上通用的半导体气敏传感器(厚度＞10μm)相比，灵敏度高，响应速度快。
MEMS基片边长3mm，其中插指电极的尺寸为150μm×150μm，插指电极表面覆盖经过催化修饰的半导体薄膜，微加热器将插指电极和半导体薄膜加热到270±10℃，使得其处于最佳工作状态。较小的插指电极可以实现工作温度的快速变化，减少传感器预热时间，并显著降低加热功耗。MEMS基片四角分布四个1mm×1mm的铂垫片，其中两个铂垫片与叉指电极连接，另外两个铂垫片与微加热器连接，四个铂垫片采用金线焊接到传感器外接线柱上，进而通过接线柱焊接固定在检测模块电路板15上。检测模块15向微加热器提供直流3V加热供电，同时通过分压后A/D转换测量插指电极的电阻值进而换算电解液挥发气体浓度。
气敏传感器11对锂电池电解液的响应机理为：电解液中常用的添加剂如苯环类、醇类等物质沸点低、挥发性强，当锂电池电解液发生泄漏时，其会挥发出相应的特征气体，这些特征气体使得半导体薄膜内的载流子浓度或分布发生变化，进而使得半导体薄膜的电阻发生变化，通过测量半导体薄膜电阻的变化可以判断是否有电解液泄露以及电解液泄露量的大小。
所述检测模块1盒体上有一个进气口和一个出气口，检测模块电路板15通电后向微型风扇14供电产生盒体内外的气流循环，加速对漏液和烟雾的响应。
所述烟雾传感器12采用散射光式烟雾探测技术，不受烟雾种类限制，响应速度快。烟雾传感器12的检测室内装有发光器件和受光器件。在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能，检测模块电路板15通过A/D转换测量光电流的大小进而换算烟雾的浓度。
所述热敏线21布置在动力锂电池箱内的顶部盖板或侧壁上，遇高温或明火启动S型气溶胶灭火器23，使得动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置在完全断电情况下也具有灭火功能。
所述S型气溶胶灭火器23激发后持续产生大量惰性气体和气溶胶微粒，填充电池箱内空间，阻断燃烧，并且气溶胶微粒遇热融化，吸收火焰及发热部位的大量热量，适用于扑灭E类电气火。
如图2所示，气敏传感器11和温度传感器13焊接安装在检测模块电路板15上；烟雾传感器12安装在检测模块1的盒体侧板上，通过排线与检测模块电路板15连接；微型风扇14安装在检测模块1的盒体侧板上，通过两根电源线与检测模块15连接；微型风扇14产生检测模块1与外界的气体流动，加快气敏传感器11、烟雾传感器12、温度传感器13的响应速度。本实施例中检测模块1的外形尺寸为120mm*120mm*34mm，重量200g，检测峰值功耗≤5W，平均功耗≤1W；气敏传感器11在集成叉指电极和微加热器的MEMS基片上采用模板法微/纳结构排列技术镀SnO2薄膜，然后采用贵金属钯(Pd)对其进行催化修饰，使得气敏传感器11对锂电池电解液中的苯环类和醇类易挥发物质产生选择性响应；烟雾传感器12每10ms进行一次光散射强度原理的烟雾浓度检测；温度传感器13采用DS18B20，微型风扇14尺寸20mm*20mm*8mm，液压轴承，DC5V供电，使用寿命可达60000h；检测模块电路板15连接到电源管理系统(BMS)的DC24V电源以及传感器CAN总线上，通过CAN协议将采集数据发送到电池管理系统(BMS)，通讯波特率250kbps。
如图3所示，热敏线21和电点火头22嵌入安装在S型气溶胶灭火器23上。热敏线21在高温或遇明火的情况下立即启动，激发S型气溶胶灭火器23；电点火头22与检测模块电路板15连接，检测模块电路板15检测到烟雾浓度较大时，激发电点火头22，对火灾进行早期的抑制扑灭。本实施例中热敏线21的启动温度为170℃，电点火头22的激发电压为DC24V，S型气溶胶灭火器23灭火时间≤30s，灭火效能100g/m3，存储年限10年，30g药剂规格的灭火器体积重量360g，体积小重量轻，方便安装。S型气溶胶灭火器23激发后产生大量N2和CO2气体，以及锶(Sr)盐微粒气溶胶。
如图4所示，检测模块1与灭火模块2安装在动力锂电池箱内的顶部盖板或侧壁上，检测模块1通过四芯屏蔽电缆与电池管理系统(BMS)连接，灭火模块2通过两芯屏蔽电缆与灭火模块连接。本实施例中，检测模块1与灭火模块2安装在动力锂电池箱内的顶部盖板上，四芯屏蔽电缆的规格为RVVP4*0.3，两芯屏蔽电缆的规格为RVVP2*0.3。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，包括检测模块(1)和灭火模块(2)，其特征在于：所述检测模块(1)包括的气敏传感器(11)、烟雾传感器(12)、温度传感器(13)、检测模块电路板(15)；所述气敏传感器(11)、烟雾传感器(12)、温度传感器(13)、分别与检测模块电路板(15)相连；所述灭火模块(2)包括电点火头(22)、S型气溶胶灭火器(23)；所述电点火头(22)与S型气溶胶灭火器(23)相连；电点火头(22)与检测模块(1)的检测模块电路板(15)相连；所述检测模块电路板(15)与电池管理系统的供电模块和传感器CAN总线相连。
2.根据权利要求1所述的动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，其特征在于：所述气敏传感器(11)采用基于薄膜半导体的气敏传感器。
3.根据权利要求1或2所述的动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，其特征在于：所述灭火模块(2)还包括热敏线(21)，热敏线(21)与S型气溶胶灭火器(23)相连，热敏线(21)布置在动力锂电池箱内的顶部盖板或侧壁上，遇高温或明火启动S型气溶胶灭火器(23)。
4.根据权利要求3所述的动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，其特征在于：所述检测模块(1)还包括微型风扇(14)，微型风扇(14)与检测模块电路板(15)连接，所述检测模块(1)盒体上有一个进气口和一个出气口，检测模块电路板(15)通电后向微型风扇(14)供电产生盒体内外的气流循环。
5.根据权利要求4所述的动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，其特征在于：所述烟雾传感器(12)采用散射光式烟雾传感器。
6.根据权利要求5所述的动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，其特征在于：所述检测模块电路板(15)与电池管理系统的供电模块通过四芯屏蔽线连接，四芯线定义分别为：接地、电源正、通讯正、通讯负，屏蔽层接地。
7.根据权利要求6所述的动力锂电池漏液报警及灭火一体化装置，其特征在于：所述检测模块电路板(15)与电点火头(22)通过两芯屏蔽电缆连接，检测模块电路板(15)输出24V直流电可激发电点火头(22)，电点火头(22)进而激发S型气溶胶灭火器(23)。
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