基于多源信息检测的新能源汽车动力电池系统自动灭火装置及控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车动力电池系统安全技术领域，具体涉及一种基于多源信息检测 的新能源汽车动力电池系统自动灭火装置及控制方法。
背景技术
锂离子电池在工作时，随着内部复杂电化学反应的进行，热量会逐渐积聚。一旦隔膜 发生破裂，正负极材料发生内短路，将会短时间内造成热量无法排出，演变成热失控。同时新能源汽车行驶时若发生刺穿或者碰撞，将导致锂离子电池隔膜瞬间破裂直接触发热失控。据不完全统计，自2015年至今我国发生新能源汽车锂离子电池燃烧爆炸事故74起， 造成56人死亡、143人受伤，直接经济损失高达3亿元。
新能源汽车一旦发生热失控，轻则造成财产损失，重则造成人员伤亡。尤其是大巴车， 若是不能有效地控制动力电池系统热失控，车上乘员短时间内无法逃生，将会造成重大安 全事故。因此。新能源汽车上必须配备动力电池系统自动灭火装置。
新能源汽车动力电池的热失控过程可以分为以下几个阶段：第一阶段，温度逐渐上升， 并到达SEI膜分解温度，大概在70℃；第二阶段，温度持续上升，电池产热严重，隔膜逐 渐破裂，大概在120-130℃，并逐渐释放烟雾和特征气体(如CO、CH4等)；第三阶段，电 池内部反应剧烈发生，不需要外加条件就能自发进行，热量在短时间内急剧上升并且电解 液开始溅出，最终造成爆炸或起火。目前，新能源汽车上配备的自动灭火装置，采用的传 感器比较单一，通常以温度传感器为主。温度的变化不能精准地表示出电池热失控所处状 态，因此，这种方案的采集精度较差，判断精度低，容易造成电池热失控误判或者漏判。
中国专利“一种电池箱专用自动灭火装置”利用吸气式火灾探测器进行动力电池热失控 的检测，其存在不足之处：没有说明如何利用采集到的数据进行热失控阶段的判断，即没 有一种精确的热失控的预测模型，只说明了在热失控发生后进行灭火，没有说明如何判断 热失控，这样的结果就是容易造成热失控的误判(提前喷灭火剂，造成动力电池系统损坏) 或漏判(火灾已经发生来不及灭火，容易造成重大安全事故)。
中国专利“一种电池热失控检测系统及其检测方法”通过热失控探测器及火焰传感器进 行热失控监测，其存在不足之处：没有说明如何通过温度、气体、烟雾信息判断热失控是 否发生，所以无法准确获得电池热失控的状态；并且采用火焰传感器进行判断热失控是否 已经发生，热失控是一个热量积聚的过程，若已经发展成了明火，说明热失控早已发生并 且发展到了最后阶段，此时火势已经无法阻止，只能延缓，十分危险。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于多源信息检测的新能源汽车动力 电池系统自动灭火装置及其控制方法，解决极端工况下动力电池系统发生热失控之后不能 及时预警和进行控制的问题。
本发明装置的技术方案为：一种基于多源信息检测的动力电池系统自动灭火装置，包 括压力开关(12)、总电磁阀(14)、容器阀(15)、灭火瓶(16)、集流体(18)、三通阀(20)、 集成式传感器(23)、控制器(40)、手动报警开关(4)、分电磁阀(19)；
所述压力开关(12)、总电磁阀(14)均安装在容器阀(15)上，容器阀(15)安装在 灭火瓶(16)头部，灭火瓶(16)内部充填有灭火剂，容器阀(15)与集流体(18)相连， 集流体(18)与三通阀(20)一端连接，三通阀(20)另外两端分别连接分电磁阀(19)、 灭火管，灭火管与电池包(24)连通，电池包(24)内设置集成式传感器(23)，用于监测 电池包内的热失控状态；
所述控制器(40)与手动报警开关(4)、压力开关(12)、总电磁阀(14)、分电磁阀(19)和集成式传感器(23)分别连接，控制器(40)设置两级阈值，电池热失控状态达 到一级阈值后，手动报警开关(4)开始报警，电池热失控状态达到二级阈值后，总电磁阀 (14)与热失控对应分电磁阀(19)开启实现对动力电池系统的自动灭火。
进一步，该装置还包括与控制器(40)相连的故障代码显示屏(2)。
进一步，所述手动报警开关(4)上安装有蜂鸣器、LED灯与手动灭火开关；正常工作时蜂鸣器不工作且LED灯显示绿色，一级预警时蜂鸣器间歇性鸣叫且LED灯显示黄色， 二级预警时蜂鸣器持续性鸣叫且LED灯显示红色，并且无论何时按下手动灭火开关，控制 器(40)都会接收到信号并下达灭火指令。
进一步，该装置还包括与控制器(40)相连的整车电源(6)和蓄电池(8)。
进一步，所述容器阀(15)通过灭火铜管(51)与集流体(18)相连，集流体(18) 通过集流体支架(42)的螺栓连接固定在主机下盖(30)上，集流体(18)将灭火剂均匀 地通向五个三通阀(20)，三通阀(20)的另一端连接内部灭火管(21)，内部灭火管(21) 一端由金属薄膜隔开连接分电磁阀(19)，内部灭火管(21)另一端连接外部灭火管(22)， 外部灭火管(22)通向电池包(24)外壳上的灭火口，集成式传感器(23)布置在电池包 (24)内，并通过集成式传感器传输线束(25)连接至控制器(40)；通过分电磁阀传输线 束(26)连接至控制器(40)，通电时分电磁阀(19)前端的金属尖刺能够刺穿三通阀(20) 的金属薄膜，从而灭火剂释放至有火灾险情的电池包，实现对电池包的定向精准灭火。
进一步，所述集成式传感器(23)包括数据处理模块(44)，数据处理模块(44)分别与集成式传感器通讯模块(43)、监测电池包内热失控的传感器相连。
进一步，所述传感器包括温度传感器(45)、气体传感器(46)和烟雾传感器(47)；
将数据处理模块(44)处理的数据通过集成式传感器传输线束(25)传输至控制器(40)； 数据处理模块(44)通过温度信息传输线束(48)连接温度传感器(45)，用于监测电池包 (24)内的温度；数据处理模块(44)通过气体信息传输线束(49)连接气体传感器(46)，用于监测电池包(24)内的气体浓度；数据处理模块(44)通过烟雾信息传输线束(50) 连接烟雾传感器(47)，用于监测电池包(24)内的烟雾浓度。
进一步，所述压力开关(12)在监测到有气体释放时，改变压力开关的通断状态，从断路变为通路；灭火瓶(16)横卧设置，灭火瓶(16)下方设有灭火瓶下支架(37)，灭火 瓶下支架(37)通过螺栓固定在主机下盖(30)上，灭火瓶(16)上方布置有灭火瓶上压 板(36)，灭火瓶上压板(36)通过螺栓与灭火瓶下支架(37)固定，灭火瓶(16)的瓶口 下方布置有灭火瓶口支撑架(38)，实现将灭火瓶(16)的六个自由度完全固定，灭火瓶(16) 底部与主机下盖(30)之间设有弹性橡胶垫，方便装配，同时防止灭火瓶(16)移动。
进一步，所述主机下盖(30)上面布置有腰孔，根据实际装车需要固定在纯电动车上； 主机下盖(30)通过铆接或者螺栓连接的形式与主机上盖(27)实现密封固定，且主机上盖(27)与主机下盖(30)的连接处安装有密封条(28)；拉手(29)布置在主机上盖(27) 两侧，并通过铆接或螺栓连接的形式与主机上盖(27)形成固定连接；主机下盖(30)的 一侧最下层是等间距分布的集成式传感器接插件(35)，该接插件用于连接集成式传感器传 输线束(25)，实现控制器(40)与集成式传感器(23)的通讯；集成式传感器接插件(35) 上方是等间距分布的内部灭火管(21)；内部灭火管(21)上方布置有电源转换接插件(31)， 用于连接整车电源传输线束(7)，实现整车电源(6)连接，给控制器(40)提供电能；电 源转换接插件(31)一侧布置有手动报警开关接插件(32)，用于连接报警开关传输线束(5)， 实现控制器(40)与手动报警开关(4)的通讯；手动报警开关接插件(32)一侧布置有故 障代码显示屏外壳(33)，采用透明材质，能够包裹故障代码显示屏(2)并实现固定。
本发明方法的技术方案为：一种基于多源信息检测的动力电池系统自动灭火的控制方 法，包括以下步骤：
S1：自动灭火装置通电，若整车正常工作，则由整车供电；若整车处于下电状态，则由蓄电池(8)供电，并执行S2；
S2：自动灭火装置开始自检，如果任意部件存在故障，则故障代码显示屏(2)显示故 障代码；如果各部件状态正常，则执行S3；
S3：集成式传感器(23)开始采集电池包(24)内热失控状态，包括温度数据、气体数据、烟雾数据，并执行S4；
S4：对采集得到的数据进行微分处理，得到温度变化率、气体变化率、烟雾变化率，执行S5；
S5：判断采集到的温度数据是否达到温度一级阈值、判断采集到的温度变化率是否达 到温度变化率一级阈值；若热失控状态没达到一级阈值，则重复S3；
S6：电池状态参数到达一级阈值后，手动报警开关(4)的蜂鸣器间歇性鸣叫，且LED灯显示黄色，提醒驾驶员，提前疏散乘客；
S7：集成式传感器(23)继续监测电池包内热失控状态，根据采集到的温度变化率、气体变化率和烟雾变化率，与温度变化率二级阈值、气体变化率二级阈值和烟雾变化率二级阈值对比，判断电池包状态参数是否到达二级阈值，有无马上起火的危险；若热失控状态没有达到二级阈值，则重复S7；
S8：电池热失控状态参数到达二级阈值后，手动报警开关(4)的蜂鸣器持续性鸣叫， 且LED灯显示红色，提醒驾驶员与乘客马上有序下车，防止收到伤害，并执行S9；
S9：控制器(40)下达灭火指令，总电磁阀(14)开启，热失控的电池包(24)所对 应的分电磁阀(19)开启，并执行S10；
S10：灭火剂(17)从灭火瓶(16)释放，通过灭火铜管(51)到达集流体(18)，再 通过内部灭火管(21)和外部灭火管(22)到达指定电池包(24)，并执行S11；
S11：灭火剂(17)触发压力开关(12)的通断，并输出信号至控制器(40)；
S12：控制器(40)记录集成式传感器(23)采集到的数据并存储，等待后期检查与热失控原因分析。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明公开的一种基于多源信息检测的新能源汽车动力电池系统自动灭火装置及 控制方法，通过集成式传感器，同时监测温度数据、气体数据、烟雾数据，多参数耦合之 后综合判断，避免了单一类型的传感器探测带来的延时性高、数据不精确的问题，显著地 提高了本发明的自动灭火装置对热失控的预判精度。
(2)本发明公开的一种基于多源信息检测的新能源汽车动力电池系统自动灭火装置及 控制方法，通过设置二级阈值，阈值都是针对某款具体的电芯经过多次实验分析得到，一 级阈值能够在电池热失控刚刚发生的时候提前预警，二级阈值能够在电池热失控发展后期 及时下达灭火指令，并且手动报警开关无论何时驾驶员按下按钮都能灭火，因此本发明的 自动灭火装置具有长效预警、高效控制的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图 作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的自动灭火装置整体示意图；
图2为本发明实施例提供的自动灭火装置外部结构图；
图3为本发明实施例提供的自动灭火装置内部结构图；
图4为本发明实施例提供的集成式传感器结构示意图；
图5为本发明实施例提供的控制器功能模块图；
图6为本发明实施例提供的电源转换逻辑图；
图7为本发明实施例提供的自动灭火装置预警及灭火的控制方法流程图。
其中：1-控制模块，2-故障代码显示屏，3-故障代码传输线束，4-手动报警开关，5-手 动报警开关传输线束，6-整车电源，7-整车电源传输线束，8-蓄电池，9-蓄电池传输线束， 10-控制器调试模块，11-压力开关传输线束，12-压力开关，13-总电磁阀传输线束，14-总电 磁阀，15-容器阀，16-灭火瓶，17-七氟丙烷灭火剂，18-集流体，19-分电磁阀，20-三通阀， 21-内部灭火管，22-外部灭火管，23-集成式传感器，24-电池包，25-集成式传感器传输线束， 26-分电磁阀传输线束，27-主机上盖，28-密封条，29-拉手，30-主机下盖，31-电源转换接 插件，32-手动报警开关接插件，33-故障代码显示屏外壳，34-铆钉/螺栓连接孔，35-集成式 传感器接插件，36-灭火瓶上压板，37-灭火瓶下支架，38-灭火瓶口支撑架，39-控制器支架，40-控制器，41-蓄电池支架，42-集流体支架，43-集成式传感器通讯模块，44-集成式传感器 数据处理模块，45-温度传感器，46-气体传感器，47-烟雾传感器，48-温度信息传输线束， 49-气体信息传输线束，50-烟雾信息传输线束，51-灭火铜管，52-集成式传感器通讯线束。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实 施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、3所示，本发明一种基于多源信息检测的新能源汽车动力电池系统自动灭火装 置，包括电气系统、机械结构系统和灭火系统。所述电气系统包括控制模块1、故障代码 显示屏2、手动报警开关4、整车电源6、蓄电池8、压力开关12、总电磁阀14、分电磁阀 19、集成式传感器23、电源转换接插件31、手动报警开关接插件32以及集成式传感器接 插件35，所述机械结构系统包括集流体18、三通阀20、主机上盖27、主机下盖30和内部 灭火管21，所述灭火系统包括容器阀15、灭火瓶16、七氟丙烷灭火剂17。
手动报警开关4通过手动报警开关传输线束5与控制器40相连，手动报警开关4上安装有蜂鸣器、LED灯泡与手动灭火开关，正常工作时蜂鸣器不工作且LED灯显示绿色， 一级预警时蜂鸣器间歇性鸣叫且LED灯显示黄色，二级预警时蜂鸣器持续性鸣叫且LED 灯显示红色，并且无论何时按下手动开关，控制器40都会接收到信号并下达灭火指令；整 车电源6通过整车电源传输线束7与控制器40相连，在整车工作时给装置供电；蓄电池8 通过蓄电池传输线束9与控制器40相连，在整车熄火时给整车供电，蓄电池8设置在主机 下盖30上，通过蓄电池支架41的螺栓连接实现固定；压力开关12通过压力开关传输线束 11与控制器40相连，气体释放后输出信号给控制器40；总电磁阀14通过总电磁阀传输线 束13与控制器40相连，通电后进行动作刺穿薄膜，实现管道的流通。
压力开关12、总电磁阀14均安装在容器阀15上，容器阀15安装在灭火瓶16头部，能够在灭火剂充填完毕之后实现密封，灭火瓶16内部充填有灭火剂，优选为无色无味且不损坏动力电池的七氟丙烷灭火剂17；总电磁阀14在接收到电信号时能刺穿容器阀15的金属薄膜，实现灭火剂的释放；压力开关12在监测到有气体释放时，改变压力开关的通断状态，从断路变为通路；灭火瓶16横卧设置，灭火瓶16下方设有灭火瓶下支架37，灭火瓶 下支架37通过螺栓固定在主机下盖30上，灭火瓶16上方布置有灭火瓶上压板36，灭火 瓶上压板36通过螺栓与灭火瓶下支架37固定，灭火瓶16的瓶口下方布置有灭火瓶口支撑 架38，实现将灭火瓶16的六个自由度完全固定，灭火瓶16底部与主机下盖30之间设有 弹性橡胶垫，方便装配，同时防止灭火瓶16移动。
容器阀15通过灭火铜管51与集流体18相连，连通灭火瓶16与集流体18，将灭火瓶16释放的灭火剂传输到集流体18，流体18通过集流体支架42的螺栓连接固定在主机下盖30上，将灭火剂均匀地通向五个三通阀20，三通阀20装在集流体18上，一端连接集流体 18，一端连接内部灭火管21，一端由金属薄膜隔开连接分电磁阀19，分电磁阀19安装在 三通阀20上，且通过分电磁阀传输线束26连接至控制器40，通电时能够刺穿三通阀20 的金属薄膜(分电磁阀前端有一个金属尖刺，在电磁阀通电后，金属尖刺会往前移动从而 刺穿三通阀的金属薄膜)，从而灭火剂释放至有火灾险情的电池包，实现对电池包的定向精 准灭火，内部灭火管21一端连接三通阀20，一端连接外部灭火管22，外部灭火管22通向 电池包24外壳上的灭火口，集成式传感器23布置在电池包24内，并通过集成式传感器传 输线束25连接至控制器40，用以监测电池包内的热失控状态。
如图4所示，集成式传感器23内部包括集成式传感器通讯模块43，集成式传感器通讯模块43通过集成式传感器通讯线束52连接至数据处理模块44，能够将数据处理模块44处理的数据通过集成式传感器传输线束25传输至控制器40；数据处理模块44通过温度信息传输线束48连接温度传感器45，用于监测电池包24内的温度；数据处理模块44通过 气体信息传输线束49连接气体传感器46，用于监测电池包24内的气体浓度；数据处理模 块44通过烟雾信息传输线束50连接烟雾传感器47，用于监测电池包24内的烟雾浓度。
如图2所示，主机下盖30上面布置有腰孔，根据实际装车需要固定在纯电动车上；主 机下盖30通过铆接或者螺栓连接的形式与主机上盖27实现密封固定，且主机上盖27与主 机下盖30的连接处安装有密封条28；拉手29布置在主机上盖27两侧，并通过铆接或螺栓连接的形式与主机上盖27形成固定连接，方便搬运；主机下盖30的一侧最下层是等间 距分布的集成式传感器接插件35，该接插件用于连接集成式传感器传输线束25，实现控制 器40与集成式传感器23的通讯；集成式传感器接插件35上方是等间距分布的内部灭火管 21；内部灭火管21上方布置有电源转换接插件31，用于连接整车电源传输线束7，实现整 车电源6连接，给控制器40提供电能；电源转换接插件31一侧布置有手动报警开关接插 件32，用于连接报警开关传输线束5，实现控制器40与手动报警开关4的通讯；手动报警 开关接插件32一侧布置有故障代码显示屏外壳33，采用透明材质，可以是亚克力材质或 透明树脂，能够包裹故障代码显示屏2并实现固定。
如图5所示，控制器40的功能包括数据输入、综合处理、决策输出，数据输入功能包括：温度数据、烟雾数据、气体数据、灭火瓶压力数据、手动报警开关灭火指令，综合处 理功能包括：传感器数据处理、故障自检、压力开关数据处理、显示处理、报警指令、灭 火指令、运行记录，决策输出功能包括：手动报警开关是否报警、故障代码显示内容、总 电磁阀是否打开、分电磁阀是否打开。
如图6所示，本发明的电源切换策略如下：当新能源汽车上电行驶或工作时，整车电 源提供电能，控制器40识别到整车电源6，整车电源6给自动灭火装置供电并给内置蓄电池8充电；在整车下电时，控制器40无法识别到整车电源6，自动灭火装置的电能由内置 蓄电池8提供，自动灭火装置开始工作，集成式传感器采集数据，控制器40对采集到的数 据进行判断，若没有险情，则继续以超低功耗正常工作，若判断有险情，则下达灭火指令， 开始灭火。
如图7所示，一种基于多源信息检测的新能源汽车动力电池系统自动灭火控制方法， 具体步骤如下：
S1：自动灭火装置通电，若整车正常工作，则由整车供电；若整车处于熄火状态，则由蓄电池8供电，并执行S2；
S2：自动灭火装置开始自检，如果任意部件存在故障，则控制器40输出指令给故障代 码显示屏2并显示故障代码；如果各部件状态正常，则执行S3；
S3：集成式传感器23开始采集电池包24内热失控状态，包括温度数据W、气体数据Q、烟雾数据Y，并执行S4；
S4：对采集得到的数据进行微分处理，得到温度变化率
S5：判断温度数据W是否达到一级阈值W’、温度变化率判断是否达到一级阈值
S6：电池热失控到达一级阈值后，手动报警开关4的蜂鸣器间歇性鸣叫，且LED灯显示黄色，提醒驾驶员，提前疏散乘客，防止热失控的进一步发展；
S7：集成式传感器23继续监测电池包内热失控状态，设置
S8：电池热失控到达二级阈值后，手动报警开关4的蜂鸣器持续性鸣叫，且LED灯显示红色，提醒驾驶员与乘客马上有序下车，防止收到伤害，并执行S9；
S9：控制器40下达灭火指令，总电磁阀14开启，热失控的电池包24所对应的分电磁阀19开启，并执行S10；
S10：灭火剂17从灭火瓶16释放，通过灭火铜管51到达集流体18，再通过内部灭火管21和外部灭火管22到达指定电池包24，并执行S11；
S11：灭火剂17触发压力开关12的通断，并输出信号至控制器40；
S12：控制器40记录集成式传感器23采集到的数据并存储，等待后期检查与热失控原 因分析。
综上，本发明的一种基于多源信息检测的新能源汽车动力电池系统自动灭火装置及控 制方法，自动灭火装置内部设有控制器，控制器与集成式传感器相连进行数据输入，且与 电磁阀相连输出指令，集成式传感器探测电池包内的温度数据、气体数据、烟雾数据，控 制器设置两级阈值，电池热失控状态达到一级阈值后，手动报警开关开始报警，电池热失 控状态达到二级阈值后，总电磁阀与热失控对应分电磁阀开启，灭火剂从灭火瓶经过灭火 铜管，到达集流体与三通阀，最终通过灭火管输送到电池包内。本发明具有热失控预判精 度高、长效预警、高效控制的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示 例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结 构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语 的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离 本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发 明的范围由权利要求及其等同物限定。
