锂离子电池组内部过热电池预警与定位系统及方法与流程

本发明锂离子电池组内部过热电池预警与定位系统及方法涉及的是一种锂离子电池组内部过热电池探测与定位装置，尤其是一种针对锂离子电池组内单体电池在使用过程中的过热探测与定位装置。

背景技术：

随着人们对环保的重视，新能源理念被普及并广泛使用，锂离子电池由于能量密度高，重量轻、循环次数高、充放电电压稳定等特点，被广泛应用于各种设备中，尤其在新能源汽车领域，目前几乎所有的新能源汽车均使用锂离子电池作为动力能源。

锂离子电池由于自身属性，在充放电和使用时容易发生热量积聚，在外部散热条件不理想状态下可能发生热失控，锂离子电池的生产过程中也可能在电池内部内部引入缺陷，这些缺陷会导致电池的热稳定性下降，使电池内部化学反应在局部加速，引发电池过热，进而导致热失控，严重的会引发电动车电池组爆炸。随着电动汽车的不断普及，电动车存量越来越多，也出现了越来越多的电动车自燃、爆炸等事故，这些事故有些是因为电池组受到外部撞击，但多数事故在发生前没有征兆，对人们的生命财产安全造成严重威胁。锂离子电池组的热失控事故，其初始事故是电池组内某一节单体电池温度过高发生热失控，单体电池热失控产生的热量对周围其他电池进行加热，周围电池在达到热失控温度后连环发生热失控，这被成为锂离子电池组内电池热失控的多米诺效应，这意味着单个电池的热失控会迅速蔓延到整个电池组。且如今电动车锂离子电池组普遍采用密封设计，为保证能量密度，电池组内电池排列十分紧密，一旦某一节电池过热，热量很容易向周围电池传播，导致锂离子电池组内电池连环热失控。

目前，一旦锂离子电池组内出现热失控单体电池，其降温和灭火都是十分困难的，因为锂离子电池组内的空间十分紧凑，单体电池数目众多，且热失控的蔓延十分迅速，对电池的温度探测和定位十分困难。需要指出，对单个热失控电池进行降温和灭火就是较为困难的，因为电池的热失控是因为电池内部反应的加速进行导致剧烈放热的副反应加速，这种反应不需要外部氧气参与，且反应十分剧烈，一旦热失控发生，使其停止就十分困难。且锂离子电池从温度异常升高开始到热失控发生间隔时间很短，因此需要在锂离子电池温度超过正常工作温度后迅速对过热电池进行定位以方便后续防护措施的实施。因此需要在锂离子电池工作过程中对其进行监测，在其温度过热时发出预警信号，避免锂离子电池发生热失控。对于锂离子电池，其正常工作时的表面温度不会超过60℃，锂离子电池热失控开始时表面温度为110～130℃左右，因此对于锂离子电池的过热探测，这两个温度之间的区域是主要温度探测范围，需要在电池表面温度处于这个两个温度之间时发出过热预警。

现有锂离子电池组过热探测使用的传感器是热电偶、热敏电阻或红外温度传感器。热电偶测温原理是热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属a和金属b)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差，可用测量的电势差来计算温度。热敏电阻工作原理是传感器材料的电阻随温度变化，通过测量传感器电阻值计算温度。例如，公告号为cn107702801a的中国发明专利，公开了一种“锂离子电池热失控早期预警装置”通过安装在电池组内部的红外温度传感器探测电池组内的温度。这种通过红外温度传感器、热敏电阻、热电偶等传感器对电池组温度进行测量的方法存在一些缺陷，由于热电偶和热敏电阻都只能测量点温度，因此对于与热电偶或热敏电阻测温点距离较远位置的温度测控存在滞后，且锂离子电池组从温度异常升高到热失控发生时间很短，这种滞后会导致事故不能被及时察觉。锂离子电池组内空间紧凑，没有空余空间，红外温度传感器无法探测窗口覆盖多个锂离子电池，且红外温度传感器的工作原理决定了其必须与电池保持一定距离，且这段距离中间不能有遮挡，这会导致电池组内必须为红外温度传感器保留大量空余空间，导致锂离子电池组体积变大能量密度减小，因此红外温度传感器不适合用于锂离子电池组内的温度探测。

另外，由于市面的成品热电偶或热敏电阻形状固定，且不可变形，红外温度传感器无法覆盖全部电池，因此与电池的贴合度不高，测量的温度不能很好反映真实的电池表面温度，且由于热敏电阻、热电偶、红外温度传感器的安装必然占据电池组内部空间和影响到电池组的内部结构，因此其安装数量十分有限，无法实现过热锂离子电池的定位。

薄膜式传感器是一种柔性传感器，其形状可以根据使用场景进行设计，体积小、质量轻、厚度小、柔软，可以紧密贴合在被测物体表面进行探测，薄膜式传感器由于探测原理简单，所需能量极小，多数薄膜式传感器可以做到无源工作，且薄膜式传感器非常耐用，可以长时间经受弯曲和振动。因此使用柔性薄膜传感器可以做到不影响电池组内部结构的情况下尽量贴近电池表面，但目前专用于探测温度的薄膜传感器其内部结构较为复杂，生产难度和成本都较高，在单个动力汽车锂电池组中有6000～8000节18650型或21700型单体电池，无法做到一个电池对应一个传感器。而对于薄膜铂电阻温度传感器，其结构和探测原理都较为简单，但是生产难度大，成本高昂，不适合用于锂离子电池组内过热锂离子电池的探测和定位，且目前薄膜铂电阻温度传感器无法做到测点阵列式分布在同一个传感器上，必须一个电池对应一个传感器，则会导致所需接线端子数量巨大，因此传统的薄膜温度传感器难以适用于锂离子电池组中过热锂离子电池的过热探测和定位。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种锂离子电池组内部过热电池预警与定位系统及方法，使用本发明中的柔性薄膜传感器对锂离子电池组内单体电池进行过热探测、预警和定位，以便在单体电池温度过高时可以及时进行处理，防止发展为热失控事故。弥补了目前对于锂离子电池组内部过热电池的探测和定位技术缺失的不足。

本发明是采取以下技术方案实现的：

锂离子电池组内部过热电池预警与定位系统及方法包括传感器装置部分、控制器装置部分、报警装置部分和辅助装置部分；传感器装置部分采用柔性薄膜传感器,是一种基于柔性薄膜传感器的专用于过热探测的新型传感器；控制器装置部分包括单片机、报警控制器、计算机和显示器，所述单片机与报警控制器和计算机相连，计算机与显示器相连；报警装置部分包括led报警灯和蜂鸣器；辅助装置部分包括电源和定值电阻；辅助装置中的电源分别给控制器装置部分以及报警装置部分供电，在电源处连接有定值电阻，用以保护电源不会因短路而损坏。

控制器装置部分的单片机使用stm32系列单片机，本发明中使用的柔性薄膜传感器的探测信号为简单开关通断信号，且数量少，分辨容易，对单片机性能要求不高，单片机与柔性薄膜传感器之间使用扩展io端口连接。

柔性薄膜传感器的结构从上至下依次包括上层基材、上层金属片、中间层、下层金属片和下层基材，上述五层材料通过压合成为最终的柔性薄膜传感器，上层金属片和下层金属片分别与导线相连后连接在正负极上，用于测试两层金属片之间是否短路。

进一步的，上层基材和下层基材使用柔性薄膜传感器中常用的聚酰亚胺薄膜，下层基材的下表面具有涂胶层，用于紧密贴合电池来加强导热。

进一步的，上层金属片和下层金属片采用金属箔，即形成上层金属箔片和下层金属箔片，在每个电池对应处的柔性薄膜传感器内部放置上层金属箔片，只需测量上层金属箔片与下层金属箔片是否短路，则同样起到定位过热点的效果。

进一步的，金属箔仅仅起导热和导电作用，因此也可以使用石墨烯等导热、导电性能好的其他非金属材料代替金属箔。

所述导线可以使用柔性印刷电路或金属导线，根据加工难度和成本可调整，但是必须保证其体积足够小和柔软度可以在不影响电池布局的情况下连接到控制电路板上。

进一步的，中间层使用不同熔点的塑料制成薄膜，控制薄膜的材料和厚度，从而得到多种定温融化的塑料薄膜，可以满足不同温度的过热探测需求。对于探测电池过热可以使用融化温度为70℃左右的塑料薄膜；如果需要探测电池的热失控，则可以选择融化温度为120℃左右的塑料薄膜；需要在温度过高和热失控温度之间探测电池超过某个温度的时间和方位，则可以使用其他融化温度处于70～120℃之间的塑料薄膜。

本发明涉及的柔性薄膜传感器使用时，当电池过热时中间层就会融化，使得上层金属片和下层金属片直接接触短路，通过分辨柔性薄膜传感器内部是否有短路,进而判断是否有电池过热；通过区分特定的一组短路上层金属片和下层金属片，实现过热电池的定位；柔性薄膜传感器可根据需要设置多个，因为电池组内的电池众多，如只配置单个柔性薄膜传感器，则尺寸可能过大，可以通过设置多个柔性薄膜传感器来满足实际需要。

控制器装置部分的单片机与柔性薄膜传感器相连，单片机对短路金属片的位置进行确定，将对应的金属片地址输入计算机，同时向报警控制器发出报警信号指令，并由报警控制器根据所述报警信号指令，控制报警装置部分的led报警灯闪烁及蜂鸣器发出报警声；控制计算机在接收到所述短路金属片的地址信息后，将地址信息相对应的电池位置显示在显示器上。

工作原理：

本发明装置使用时，柔性薄膜传感器紧贴被测锂离子电池表面，由于与电池接触部分的柔性薄膜传感器内部布置有上、下金属片，上、下金属片有导热作用，使柔性薄膜传感器的温度分布与被测锂离子电池的温度分布一致。当被测锂离子电池的某个部分的温度超过中间层定温融化塑料薄膜的融化温度时，中间层融化，使得对应的上、下金属片直接接触短路，通过区分上、下金属片的导通确定电池是否过热。

当被测锂离子电池组内某单体电池温度过高超过接触的柔性薄膜传感器的中间层融化温度时，柔性薄膜传感器对应区域的一组上、下金属片就会导通，单片机在探测到此短路信号后，将报警信号传输给报警控制器，报警控制器启动报警装置，报警装置驱动led报警灯闪烁和启动蜂鸣器发出报警信号，单片机将短路金属箔片的地址输入计算机，计算机通过与储存数据对比计算过热电池位置，计算机将过热电池位置显示在显示屏上。

与现有技术相比较，本发明装置结构合理、使用方便，通过柔性薄膜传感器与被测锂离子电池紧密接触，短路的探测信号十分可靠，因此可以实时将过热信息转变为电信号，实现实时确定电池过热的功能，有效提高了过热探测及时度；柔性薄膜传感器厚度小，形状可以根据被测锂离子电池组内电池的排布进行设计，且柔软可卷绕，有效克服了传统温度传感器用于探测过热信号时覆盖率过低、布局设计困难、侵占电池组内部空间的缺陷，使得被测锂离子电池的过热探测更加准确可靠。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明装置的结构原理简图；

图2是本发明装置的工作流程图；

图3是本发明装置所采用的柔性薄膜传感器的结构剖视图；

图4是本发明装置所采用的柔性薄膜传感器的结构拆分图；

图5是本发明装置所采用的柔性薄膜传感器的接线端示意图；

图6是本发明装置所采用的柔性薄膜传感器的使用状态示意图的主视图；

图7是图6的俯视图；

图8是本发明使用的柔性薄膜传感器的工作流程图；

图中：1、柔性薄膜传感器，2、led报警灯，3、报警控制器，4、蜂鸣器，5、定值电阻，6、电源，7、单片机，8、计算机，9、显示器，10、上层金属片（上层金属箔片），11、导线（内部连线），12、上层基材，13、接线端子，14、中间层，15、下层金属片（下层金属箔片），16、下层基材，17、被测锂离子电池。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明。

参照附图1～2，本发明锂离子电池组内部过热电池预警与定位系统由传感器装置部分、控制器装置部分、报警装置部分和辅助装置部分组成；其中传感器装置部分采用柔性薄膜传感器1；控制器装置部分包括单片机7、报警控制器3、计算机8和显示器9，所述单片机7与报警控制器3以及计算机8相连，计算机8与显示器9相连；报警装置部分包括led报警灯2和蜂鸣器4；辅助装置部分包括电源6和定值电阻5；辅助装置中的电源6分别给控制器装置部分以及报警装置部分供电，其中单片机7使用直流电，在电源6处设置定值电阻5，用以保护电源6不会因短路而损坏。柔性薄膜传感器1结构由上层基材12、上层金属片10、中间层14、下层金属片15和下层基材16五层材料组成，上述五层材料通过压合成为最终的薄膜传感器，上层金属片10和下层金属片15分别与导线11相连后连接在正负极上，用于测试两层金属片之间是否短路。

本发明的柔性薄膜传感器1在使用时紧贴被测锂离子电池17表面，上层金属片10和下层金属片15起导热作用，使柔性薄膜传感器1的温度分布与被测锂离子电池17的温度分布一致。当被测锂离子电池17上某部分的温度超过中间层14的融化温度时，中间层14融化，使得对应的上层金属片10和下层金属片15直接接触短路，通过区分上层金属片10和下层金属片15的导通确定被测锂离子电池17是否过热。报警控制器3在探测到此短路信号后，启动报警装置，报警装置驱动led报警灯2闪烁和启动蜂鸣器4发出报警信号，报警控制器3将短路金属箔片的地址输入计算机8，计算机8通过与储存数据对比计算过热电池位置，计算机8将过热电池位置显示在显示屏9上。

图2展示了本发明装置的定位和预警逻辑图，将柔性薄膜传感器与电池组内各单体电池紧密接触，保证传感器温度与电池温度一致。现假设锂离子电池电池组在工作过程中发生温度异常升高，电池温度超过正常工作温度，报警和定位逻辑包括以下步骤：

1）电池温度超过设定温度，与该过热电池接触的柔性薄膜传感器1内的一组金属箔片之间的中间层定温融化塑料融化，使得这组金属箔片导通，短路信号传递到单片机7；

2）单片机7接收到该短路信号，向报警控制器3发出报警信号，报警控制器3控制led报警灯2闪烁并控制蜂鸣器4发出报警声；

3）单片机7在接收到短路信号后，通过计算得出发生短路的金属箔片的地址，将该地址发送到计算机8；

4）计算机8接收到地址后，通过计算得出对应短路金属箔片的具体位置，将该具体位置显示在显示器9上。

实施例1：

参照附图3～4，在本实施例中，上层金属片10和下层金属片15采用金属箔，即形成上层金属箔片和下层金属箔片。

如图4所示，柔性薄膜传感器的五层材料按照e、f、g、h、i的顺序压合成为一体，其中e层为上层基材12，材料为柔性薄膜传感器中常用的聚酰亚胺薄膜，面积比f、g、h层大，用于保护中间三层，f层由上层金属箔片10和导线11（即内部连线）组成，导线11的一端接上层金属箔片10，另一端与接线端子13相连，上层金属箔片10起到导电作用，内部连线11起到连接金属箔片和接线端子13并导电的作用，g层为中间层14，中间层14由熔化温度不同的塑料薄膜制成，起到隔绝上层金属箔片10和下层金属箔片15的作用，当被测锂离子电池17温度超过中间层14塑料薄膜的熔化温度时，对应位置的塑料薄膜就会融化破洞，使上、下层金属箔片直接接触并导通，h层为下层金属箔片15，其作用与上层金属箔片10相似，但其内部连线的走线必须与上层金属箔片10的内部连线隔开，防止内部连线之间短路，具体的连线方式见图3和图4所示，i层为下层基材16，其形状和材料和上层基材12相同，需要指出内部金属箔片的数量和排布可以根据电池的多寡进行调整，但其内部连线原则为上层金属箔片10均为横向或纵向连接，下层金属箔片15均为纵向或横向连接，两层之间的连线需要区分，便于控制器查找对应接线端子13的地址。

中间层14的定温融化塑料薄膜材料可以根据探测目的选择，对于锂离子电池过热预警，使用融化温度为70～80℃的聚氯乙烯塑料薄膜，对于锂离子电池热失控的探测则使用融化温度为110～120℃的聚乙烯塑料薄膜。

上、下层金属箔片的形状必须相同，且位置必须重合，这是为了保证任何一点过热都可以造成上、下层金属箔片短路。金属箔片的排列规则可以根据锂离子电池组内的锂离子电池排列来设计，其设计原则为使得每个锂离子电池都与柔性薄膜传感器1接触，且与柔性薄膜传感器1接触部位都有金属箔片作为温度感应区。

实施例2：

参照图4，柔性薄膜传感器1内金属箔片的连接可采用金属导线或者柔性印刷电路实现，为使得最终的接线端子最少，方便连接控制电路，柔性薄膜传感器1内部的金属箔片的连接应该如下，上层金属箔片10按照横向连接，下层金属箔片15按照纵向连接，使得每一行或每一列只需要接出一个接线端子13，而每组金属箔片对应两颗电池，这样，对于n个锂离子电池，需要的接线端子数量x为x=[√n]+1；对于汽车锂离子电池组，其内部的锂离子电池单体数量一般在5000～8000节，最多需要的接线端子数目为

x=[√n]+1=[√8000]+1=90。

实施例3：

对于过热锂离子电池的定位，则通过测试短路的横向连线的接线端子与纵向连线的接线端子之间的组合来判断，其实现逻辑如图8所示，对于n行m列的接线端子，其纵向和横向接线端子的组合方式有n×m种，每个锂离子电池都对应其中的一个组合，在控制器中，对上、下层金属箔片的引出接线端子分别编号，纵向连接的上层金属箔片的接线端子编号为1～m，横向连接的下层金属箔片编号为1～n。在工作时，对所有的上层金属箔片引出接线端子连接正极，对所有的下层金属箔片引出接线端子连接负极，电压通过单片机给出，当电池温度正常时，中间层定温融化塑料并不会破裂，则单片机给出的电压由于开路并不会形成电流，当任意一节电池温度过高，则中间层定温融化塑料融化破裂，对应位置的上、下层金属箔片直接接触短路，则单片机可以探测到这个短路导致的电流，此时单片机向报警控制器发出报警信号，报警控制器控制led报警灯和蜂鸣器报警，此时控制保持所有下层金属箔片接正极不变，按照事先设计的编号顺序依次将上层金属箔片的引出接线端子接负极，直到再次出现电流信号，记录该上层金属箔片接线端子的编号，保持该上层金属箔片接线端子接负极，按照事先设计的编号顺序依次将下层金属箔片的引出接线端子接正极，直到再次出现电流信号，记录该下层金属箔片接线端子的编号，单片机将该对应的上、下层金属箔片编号地址传输给计算机，计算机通过与实现储存好的地址对应位置数据库得出该地址对应的电池具体位置，将该位置显示在显示器上。如图5所示，图中k和j区域对应图3、图6中的相应区域，图5是图5、图6中对应区域的局部图，为举例方便，这里使用三行三列进行举例，j区域为下层金属箔片的引出接线端子，k区域为上层金属箔片的引出接线端子，每个接线端子对应自己的编号，j区中的01、02、03表示第一列、第二列、第三列，k区中的01、02、03表示第一行、第二行、第三行，地址对应的行列信息储存在计算机中，这里的实施例为表述方便使用三行三列进行举例，具体实施中根据电池数量和排布行数和列数可以自行调整，假定第一行第三列的电池温度异常升高超过柔性薄膜传感器1的探测设计温度，此时该电池对应区域的上、下层金属箔片短路，根据上面的探测原理，单片机最终的得到的地址为0103，输送到计算机后计算机经过对比数据库得到一行三列的具体位置，显示在显示屏上。

实施例4：

如图5所示，方框j和方框k对应图3、图6中的相应方框，图5是图3、图6中的局部的放大图，j为下层金属箔片的内部连线所对应的接线端子，其地址分别为01、02、03并以此顺序类推，k为上层金属箔片的内部连线所对应的接线端子，其地址分别为01、02、03并以此顺序类推，j区和k区内的接线端子接单片机，单片机按照实施例4中的探测方法进行过热电池对应的金属箔片的地址代号查找。每个地址代号对应与该地址代号代表的一组金属箔片相接触的两个电池，因此电池组内以两个电池为单位组成基本位置，每个基本位置对应一个地址代号，因此本发明的定位精度为两个电池，即可以把过热或热失控的具体方位缩小到具体的两个电池之间。

实施例5：

图6、图7为本发明使用的柔性薄膜传感器的工作状态示意图，图6为该柔性薄膜传感器工作时的主视图，图7为图6的俯视图，图3为该柔性薄膜传感器的剖视图，使用时，该柔性薄膜传感器按照图3中a、b、c、d所示的四条轴和旋转方向进行九十度折叠，则在a、b之间和c、d之间出现两个电池直径的空隙，将一排三个电池放在a轴左侧区域，将六颗电池按照两行三列排布放在a、b轴之间形成的区域，同样，将六颗电池按照两行三列排布放在c、d轴之间形成的区域，将一排三个电池放在d轴右侧区域，如图6和图7所示，最终可以覆盖共六行三列的电池，确保其中每一节电池都可以与柔性薄膜传感器有同样大小和形状的接触面积，这里要指出，这里仅仅是使用六行三列电池进行举例说明，如果电池组内的电池行列数与此例不符，可以通过增加金属箔片行列数的方式进行匹配。

本发明的有益效果为，本发明使用的柔性薄膜传感器为新型传感器，其具有薄膜传感器体积小、重量轻、驱动容易、布置方便等优点，柔性薄膜传感器与电池表面直接紧密接触，使柔性薄膜传感器的温度分布与电池一致，因此当电池温度过高时，柔性薄膜传感器可以迅速升温到与电池温度相当的程度，只要有一个点的温度超过柔性薄膜传感器的设计探测温度，柔性薄膜传感器就可以探测到这个过热点，可以保证过热探测的及时和全面，柔性薄膜传感器的探测原理为探测器中间层为温度升高到一定程度就会融化的塑料薄膜，当柔性薄膜传感器任何一处温度达到中间层熔化温度，对应位置的中间层塑料薄膜就会融化，使得对应位置的塑料薄膜上下的一组金属箔片导通，通过加电压判断是否有上下金属箔片短路可以判断电池组内部是否有过热点，通过确定短路金属箔片的位置可以确定过热点的位置，探测原理简单，探测信号为短路信号，探测信号明显，一片柔性薄膜传感器中可以设置多组金属箔片，这样通过将这些上下金属箔片组适当排列，可以使用72～90个接线数目探测整个电池组内6000～8000节单体电池的过热，探测精度为两个电池，即可以将过热点确定到两个单体电池之间，探测所需的接线数目少，探测范围大，定位精度高，柔性薄膜传感器厚度小，形状可以根据电池组内电池的排布进行设计，且柔软可卷绕，有效克服了传统温度传感器用于探测过热信号时覆盖率过低、布局设计困难、侵占电池组内部空间的缺陷，使得锂离子电池的过热探测更加准确可靠，探测过程是先确定电池组内部电池有过热，再确定过热点具体位置，因此可以先发出警报来提醒人员做好准备，然后提供具体的过热点位置方便进一步处理，预警逻辑设计符合现场处置逻辑。