一种用于监测电动自行车电池安全的监测装置的制作方法

本发明涉及锂离子电池安全监测领域，特别涉及一种用于监测电动自行车电池安全的监测装置。

背景技术：

随着锂离子电池在电子产品、电动自行车、新能源汽车等领域的广泛应用，现在移动设备、车辆的电力驱动几乎已经都在锂电化。而由于锂离子电池的固有特性，其在遭遇过充电、过放电、挤压、穿刺、过载、内部短路等问题时，可能发生起火燃烧。因锂电池起火造成的火灾数量呈上升趋势。尤其在电动自行车上应用的锂电池，因其数量庞大、电池储能多、质量参差不齐，又常在楼道、车棚等无人看守的场所充电，因其失火造成火灾蔓延、人员伤亡的事故屡见报端，社会影响恶劣。

针对锂离子电池的安全管理，通常电池内部拥有充电过压保护、放电欠压保护、过载保护、温度保护等保护措施。这些措施能够在电池遭遇非正常充放电行为时施加干预。

在专利申请cn201510434492.x中，也公开了一种智能锂电池控制防盗系统。该技术在智能手机上设置有app电池控制系统，通过蓝牙与电池内部的管理电路无线通讯，实时监测电池运行状态，通过实时监测电池对外供电电流输送状态，来判断锂电池是否被卸载，电池在没有经过手机app授权的情况下，脱离电动车，控制单元检测不到负载存在，即认为脱离了电动车将会关闭电池系统本身的充放电功能，直到手机app进行解锁。申请这项专利的深圳公司在2017年即开始依托上述技术推行一套名为“智锂狗”的电池云端控制管理系统，将电池状态监测数据和位置数据用电池内置的无线通信模块上传至云端服务器，实现电池定位、防盗的同时，还开发了电池安全预警、维修保养提醒的功能。

在专利申请cn201910272428.4中，也公开了一种电动车安全监测系统，将电池监测单元安装于对应的电动车电池包内，采集对应的电动车电池的电压、剩余电量以及温度等数据，同时行驶轨迹监测及电动车的定位信息也进行监测，并通过无线装置上传到云端数据库，用户通过用户端，即手机app进行实时查看数据。

上述技术方案，能在一定程度上能够将电池故障(如过热、充电过压、一致性差)的电动车电池进行远程预警和定位，便于提醒相关人员注意电池使用安全、及时维护保养以及防盗。然而，很多电池起火事故，是由于电池组成电芯的内部短路，从而造成突发的电池热失控。此时电池系统在数秒内迅速起火燃烧，甚至发生燃爆。通过电池来供电的通讯、监测管理电路，由于迅速掉电，无法及时将警情送出。对于电池系统突发失控起火，云端系统是无法准确判断的。对于云端而言，仅能在一定时间后发现已经无法接收到电池包定时心跳数据。因为云端无法接收数据还可能是由于电池板通讯模块欠费停机、无线链路中断、电池低压保护等多种原因所致，监测系统若判定为电池起火将产生大量的误报警现象。

因而，当前应用的多种技术手段，均无法起到电池失控起火后的及时报警作用，即相关人员无法及时有效发现电池起火从而迅速响应、降低损失及影响。

技术实现要素：

为了克服当前技术下，电动自行车电池内置的智能监测管理系统无法及时报警的问题，本发明提供了一种用于监测电动自行车电池安全的监测装置，所述监测装置包括：微处理器单元、电源管理单元以及报警装置，所述监测装置设置有独立电池。

优选地，所述监测装置还包括：无线通信单元和位置采集模块。

优选地，所述报警装置为警报声或者与云平台无线通信报警。

优选地，所述无线通信方式为nb-iot或4gcat1。

优选地，所述监测装置被封装在阻燃或绝热结构中。

优选地，所述电动自行车电池可与所述监测装置供电，当所述电动自行车电池断电时，所述独立电池与所述监测装置供电。

优选地，所述监测装置通过can总线或者smbus总线读取所述电动自行车电池系统内部的监测数据。

优选地，所述监测数据包括电动自行车电池各级组成电芯的电压、最高最低电压差、温度、最高最低温度差以及回路电流。

优选地，所述监测装置通过自带温度传感器对所述电动自行车电池进行外部温度的监测。

优选地，所述温度传感器为非接触式红外温度传感器或热电偶热电阻接触式温度传感器。

本发明提供了一种用于监测电动自行车电池安全的监测装置，所述监测装置包括：微处理器单元、电源管理单元以及报警装置，所述监测装置设置有独立电池。由于设置有独立电池，在电动自行车电池起火电源故障的情况下，独立电池仍然可以继续为监测装置供电，监测装置可以迅速完成报警。

进一步地，应用时靠近但不紧贴在电动自行车电池外表面，并设计成微小型结构。该装置可在电动自行车电池突然失控起火时，继续工作，发现并向云端进行火灾报警和电池定位,同时还兼具电池防盗、维修提醒、安全预警等功能。

本发明另一个方案解决上述技术问题，采用的技术方案是，在电动自行车电池外部，附带一套包含微处理器单元、无线通信模块、位置采集模块、温度采集模块、电池通信接口和备用锂电池的电子系统，并将其封装在耐短时热冲击的绝热结构内。

本发明另一个方案所给出的技术方案中，电动自行车电池系统内部无需再内置无线通信模块、定位模块，仅需通过改装后的通用接口将电池管理系统原本已经具备的各组成电芯实时电压、电流、温度监测数据通过导线传输出来。相关监测数据、电池定位信息由外置电子系统上的无线通信模块上传至云端服务器。通常行业应用成熟的can总线或者sm总线方案连接电池系统与外部设备。

本发明另一个方案所给出的技术方案中，监测装置日常使用时，通过在与电池连接的通讯接口上增加电源供应端口，来进行监测装置的电源供应。在电池热失控发生系统掉电时，监测装置自身的备用电池，可继续给监测装置供电一段时间，实现火灾发生瞬间及之后一段时间内数据的采集和回传报警。根据备用电源所需备用时长，选择低容量低成本锂电池即可实现外置系统的低成本持续供电。

本发明另一个方案所给出的技术方案中，监测装置除通过读取电池内部各电芯监测数据外，还持续应用ntc、红外温度、烟雾等传感器对电池外部进行监测，微处理器通过采集内外部数据综合判断并上传电池热失控告警信息，降低误报警几率。

应用本发明，在现有电池监测技术方案防盗、预警、大数据管理的基础上，增加了电池失控之时及之后一段时间内的数据采集、火灾判断及远程报警定位功能。从而为电池用户、相关运营方、安全监管人员提供更加有价值和时效性的事故警报信息及位置信息，帮助相关人员快速赶到定位位置进行应急处置，达到止灾减损、降低不良社会影响的突出效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例采用的技术方案，下面将对实施例作简单地附图说明。

图1是本发明提供的监测装置的一种实施例的原理框架图。

图2是本发明一种实施例中的监测装置的结构图。

附图中各部件的标记如下：1、防火隔热外壳，2、微处理器，3、温度采集单元，4、测温探孔，5、通讯供电接口，6、电源管理单元，7、锂离子电池，8、贴片式nb-iot模块，9、外置天线，10、天线接口

具体实施方式：

本发明的核心是在提供一种用于监测电动自行车电池安全的监测装置，解决了目前电动自行车电池内置的智能监测管理系统无法及时报警的问题。

下面结合附图对本发明的较佳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。

本发明提供了一种用于监测电动自行车电池安全的监测装置，监测装置包括：微处理器单元、电源管理单元以及报警装置，监测装置设置有独立电池。由于设置有独立电池，在电动自行车电池起火电源故障的情况下，独立电池仍然可以继续为监测装置供电，监测装置可以迅速完成报警。报警装置可以为警报声或者与云平台无线通信报警。

电动自行车电池的外部，连接一块可由电池包供电的可以耐候短时高温冲击的电子系统，实现电池起火后的确认、定位和数据上传云端，从而为事故应急处理提供准确的信息。该电子系统在电池未失控时，还可监测上传电池内部状态及位置信息，实现预警、防盗、保养提醒等管理功能。

进一步地，应用时靠近但不紧贴在电动自行车电池外表面，并设计成微小型结构。该装置可在电动自行车电池突然失控起火时，继续工作，发现并向云端进行火灾报警和电池定位,同时还兼具电池防盗、维修提醒、安全预警等功能。

监测装置被封装在阻燃或绝热结构中，检测装置作为小型电子系统，除天线接口10、与电池的通讯供电接口5及监测电池温度的非接触测温探孔4外，其余部分为防火隔热外壳1。外壳外部采用铝箔玻纤材料包裹，仅在接口和测温口位置露出耐高温线缆及测温探孔。以此增加在电池包热失控发生后监测装置的存活时间。存活时间需满足能将火灾信息及火灾位置信息送出至云端服务器。

优选地，所述监测装置还包括：无线通信单元和位置采集模块。优选地，所述无线通信方式为nb-iot或4gcat1。在本发明的实施例中，监测装置由低成本微处理器2作为核心控制mcu，型号stm32f030rct6。由于检测装置上传的监测数据较少，无线通信带宽需求不高，而gprs网络工信部已经不再鼓励应用，本实施例应用了型号为bc20的贴片式nb-iot模块8来实现监测数据向服务器端的传输，贴片无线模块使用天线连接线与外置天线9连接。对于5g覆盖并不完善的区域，实施时也可采用cat1(4g的一种)无线模块进行替代，同样具备低成本、低功耗等优势。

由于本例使用的bc20nb-iot模块自带gnss卫星定位功能，可无需采用专门的gps/北斗定位采集模块。本系统实施时也可以应用分别独立的nb-iot模块和卫星定位模块来实现定位追踪与无线传输功能，带有lbs基站定位的无线传输模块也可以作为城市内位置信息的提供方。

在一种实施例中，监测装置通过自带温度传感器对电动自行车电池进行外部温度的监测。温度传感器可以为微型贴片非接触式红外温度传感器或热电偶热电阻接触式温度传感器。为了保障在电池起火燃爆时，监测装置不因加速度和温度冲击造成过早损坏，本实施例的监测装置设计为不与电池进行紧贴，而是拥有一定间隙且为小型紧凑化结构。因而，对于电池外部起火的温度监测，本实施例采用了一种红外非接触温度采集单元3，应用测温传感器型号为mlx90632sld-dcb-000，该器件采用3mmx3mmx1mm贴片式封装，mcu可直接使用i²c接口进行温度数据的读取，在热特性动态变化的环境以及空间受限的情况下作用效果较好。非接触测温方式便于安装，减少结构限制，本实施例采用了贴片式非接触测温芯片有利于检测装置小型化，若空间允许，可以应用更低成本的直插式非接触测温传感器。尽管还可引用ntc、热电偶等温度采集线来采集电池外表面温度以追求更低的成本，但电池热失控瞬间的冲击足可能造成接触效果下降，依靠温度传导的接触式温度采集可靠性下降。

在另一种实施例中，监测装置通过can总线或者sm总线(一种简化的i²c数据总线)读取电动自行车电池系统内部的监测数据。监测数据包括电动自行车电池各级组成电芯的电压、最高最低电压差、温度、最高最低温度差以及回路电流。

监测装置使用通讯供电接口5与所监测电池进行连接。接口中包含数据通讯总线及供电线。监测装置与所监测电池的连接接口中，总线应用的是锂电池系统常见的can总线，读取锂电池管理系统(bms)中的电池电压、电流、温度等丰富信息。该监测装置对于已有can总线输出的电池包，可以直接搭配应用而无需在电池包生产时内置，对于已经生产应用的电池包具备较好的升级改装兼容性。对于部分应用sm总线的锂电池，也可通过改进接口总线进行适配。

监测装置在监测电动自行车电池正常时，通过所监测电动自行车电池接口总线中的电源线对装置的电源管理单元6进行总的电源输入。由电源管理单元6中的电源转换器件，分别输出不同电压对设备中微处理器、无线模块、测温传感器等供电，并对自身所包含的小容量锂离子电池7进行浮充。

在一种实施例中，电动自行车电池可与监测装置供电，当电动自行车电池断电时，独立电池与监测装置供电。电动自行车电池电容量较大，在平时的监控中可持续向监测装置供电，在断电情况下再切换到独立电池供电。

当监测电动自行车电池对监测装置断电时，监测装置可由其独立电池供电。所采用锂离子电池7为当前蓝牙耳机常用的扣式锂离子电池，型号lir854，直径8mm，厚度5.4mm,适配外部监测装置的小体积应用。电池标称容量23mah，在电池包断电后对监测装置的供电能力超过5分钟。电池内置在监测装置壳体内且不与壳体内表面直接接触，防止监测电池热失控对监测装置的热冲击造成内置锂电池的热失控。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。