一种惰性气体保护系统的制作方法

1.本发明涉及新能源电动汽车锂电池领域，特别涉及一种惰性气体保护系统。


背景技术：

2.调研数据显示，我国2020年的新能源汽车销售量为136.7万辆，同比增长10.9％，创历史新高；同时光伏及风电的储能电站、新能源车辆换电站(电动汽车及电动自行车)的建设也在逐年增长，对于能量密集的电池包及储能电站的使用安全，成为消费者购买意愿及行业发展的关键因素。与此同时，目前一个令人较为悲观的研究结论是“虽然大多数起火事故由电池引起，但具体的起火原因复杂、仍不明朗”，这使得研究人员很难提出真正行之有效的火灾预警方案，因而也很难完全避免电池问题带来的火灾风险。目前对于此类需求都是采取灭火的方式，缺点是：探测难度大，存在误报的可能；系统一次性使用，灭火系统一旦启动连同热失控的电池包一起失效；系统复杂，维保检测难度大，在车辆使用生命周期内，难以保证系统的可靠性等缺点。
3.本发明，使用氮气隔离易起火的动力电池和外部空气(主要是氧气)，消除燃烧发生的基本条件，进而从根本上杜绝动力电池发生火灾的可能，可有效消除电池热失控的后果。通过试验验证有氮气保护的电池热失控后，无明火、不爆炸，温度显著降低，真正做到防患于未“燃”，显著提升新能源汽车的安全性，促进新能源汽车的进一步推广应用。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种惰性气体保护系统。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
5.根据本发明实施例，提供了一种惰性气体保护系统，包括：
6.氮气制备模块、氮气质量探测模块、电池箱内压力探测模块和系统控制模块；
7.所述氮气制备模块：基于薄膜对气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化，进行氧氮吸附分离，然后端流出氮气；
8.所述氮气质量探测模块：采集和监测管路中气体氧气浓度，近而确定氮气浓度；
9.所述电池箱内压力探测模块：采集和监测电池箱内部压力数据；
10.所述系统控制模块：根据接收的所述氮气质量探测模块、所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块的故障情况；根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力低于阈值时，向电池箱补充氮气；当电池箱内部压力大于阈值时，停止补充氮气。
11.在一些实施例中，所述氮气制备模块包括：空气压缩机、空气过滤器、气水分离器、空气加热器和膜分离器；
12.空气首先经过空气压缩机，然后压缩后空气通过空气过滤器去除气体中的尘埃粒
子，过滤后的空气进入所述气水分离器进行干燥，干燥后的空气进入所述空气加热器进行加热，最后加热后的空气进入膜分离器，输出氮气。
13.在一些实施例中，所述压缩后空气压力范围500kpa至800kpa；所述尘埃粒子直径
14.≥1.0μm；干燥后的空气相对湿度≤20％；所述加热器温度设置为45℃至50℃。
15.在一些实施例中，为保证分离的效率及稳定性，所述膜分离器由包裹在其表面的膜加热器进行加热，保证所述膜分离器工作温度始终为45℃至50℃。
16.在一些实施例中，所述氮气质量探测模块包括：浓度传感器、湿度传感器、第一气压传感器和第一温度传感器；
17.所述湿度传感器的湿度探测范围0％至99％，湿度探测精度
±
3％；所述浓度传感器的氮气浓度探测范围75％至100％，浓度探测精度
±
10％fs；
18.所述第一温度传感器和所述第一气压传感器用于所述氮气质量探测模块自身及系统故障诊断，温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度；气压探测范围50kpa至130kpa，气压探测精度
±
500pa。
19.在一些实施例中，所述电池箱内压力探测模块包括：第二气压传感器和第二温度传感器；
20.所述第二气压传感器的气压探测范围50kpa至120kpa，气压探测精度
±
100pa；所述第二温度传感器的温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度。
21.在一些实施例中，所述系统控制模块包括：自身的压力传感器和自身的温度传感器；
22.所述自身的压力传感器气压探测范围50kpa至125kpa，气压探测精度
±
100pa；所述自身的温度传感器温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度。
23.在一些实施例中，所述根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力低于阈值时，向电池箱补充氮气；当电池箱内部压力大于阈值时，停止补充氮气的具体方法包括：
24.所述系统控制模块利用自身的压力传感器探测大气压力，并根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力减大气压力，低于200pa时，打开分箱阀，向电池箱内部充入氮气；当电池箱内部压力减大气压力，大于等于800pa时，关闭分箱阀，停止充气；控制器依次判断各个电池箱内部与大气压的差值，并根据结果依次轮流向电池箱内部充入氮气。
25.在一些实施例中，所述根据接收的所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述氮气质量探测模块的故障情况的具体方法包括：
26.接收到氮气浓度低于95％，湿度高于20％，则判断制氮过程出现故障或者所述氮气质量探测模块出现故障；
27.接收到氮气质量探测模块上传温度低于
‑
40℃或高于95℃时，所述氮气质量探测模块出现故障。
28.在一些实施例中，所述根据接收的所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述电池箱内压力探测模块的故障情况的具体方法包括：
29.电池箱内压力及系统控制模块的自身探测的压力，连续3小时没有发生变化，或者气压值低于50kpa或者高于120kpa，则判断所述系统控制模块的自身的压力传感器或所述电池箱内压力探测模块的压力传感器发生故障；
30.将所述电池箱内压力探测模块的压力传感器的气压值进行排序，当某一个气压差值超过10kpa时，则判断此传感器故障；
31.所述电池箱内压力探测模块的温度传感器的温度低于
‑
40℃或高于95℃时，所述电池箱内压力探测模块出现故障；
32.电池箱内部压力与大气压差值从800pa变化到200pa的时间小于规定时间系统可能存在漏气；
33.在充气过程中，如果氮气质量探测模块气压值正常，而电池箱内部气压在规定时间内没有达到设定阈值，系统或电池箱气密性可能失效。
34.本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：始终保持电池箱内处于氮气保护状态，其利用车辆大数据监控平台，能够实现算法迭代优化、故障预警、远程故障维保和系统远程升级。
35.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
36.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
37.图1是根据一示例性实施例示出的一种惰性气体保护系统的结构示意图。
具体实施方式
38.以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
39.应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
40.需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执
行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
41.下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述：
42.实施例1：
43.提供了一种惰性气体保护系统，包括：
44.氮气制备模块、氮气质量探测模块、电池箱内压力探测模块和系统控制模块；
45.所述氮气制备模块：基于薄膜对气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化，进行氧氮吸附分离，然后端流出氮气；
46.所述氮气质量探测模块：采集和监测管路中气体氧气浓度，近而确定氮气浓度；
47.所述电池箱内压力探测模块：采集和监测电池箱内部压力数据；
48.所述系统控制模块：根据接收的所述氮气质量探测模块、所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块的故障情况；根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力低于阈值时，向电池箱补充氮气；当电池箱内部压力大于阈值时，停止补充氮气。
49.在一些实施例中，所述氮气制备模块包括：空气压缩机、空气过滤器、气水分离器、空气加热器和膜分离器；
50.空气首先经过空气压缩机，然后压缩后空气通过空气过滤器去除气体中的尘埃粒子，过滤后的空气进入所述气水分离器进行干燥，干燥后的空气进入所述空气加热器进行加热，最后加热后的空气进入膜分离器，输出氮气。
51.在一些实施例中，所述压缩后空气压力范围500kpa至800kpa；所述尘埃粒子直径≥1.0μm；干燥后的空气相对湿度≤20％；所述加热器温度设置为45℃至50℃。
52.在一些实施例中，为保证分离的效率及稳定性，所述膜分离器由包裹在其表面的膜加热器进行加热，保证所述膜分离器工作温度始终为45℃至50℃。
53.在一些实施例中，所述氮气质量探测模块包括：浓度传感器、湿度传感器、第一气压传感器和第一温度传感器；
54.所述湿度传感器的湿度探测范围0％至99％，湿度探测精度
±
3％；所述浓度传感器的氮气浓度探测范围75％至100％，浓度探测精度
±
10％fs；
55.所述第一温度传感器和所述第一气压传感器用于所述氮气质量探测模块自身及系统故障诊断，温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度；气压探测范围50kpa至130kpa，气压探测精度
±
500pa。
56.在一些实施例中，所述电池箱内压力探测模块包括：第二气压传感器和第二温度传感器；
57.所述第二气压传感器的气压探测范围50kpa至120kpa，气压探测精度
±
100pa；所述第二温度传感器的温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度。
58.在一些实施例中，所述系统控制模块包括：自身的压力传感器和自身的温度传感器；
59.所述自身的压力传感器气压探测范围50kpa至125kpa，气压探测精度
±
100pa；所述自身的温度传感器温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度。
60.在一些实施例中，所述根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力低于阈值时，向电池箱补充氮气；当电池箱内部压力大于阈值时，停止补充氮气的具体方法包
括：
61.所述系统控制模块利用自身的压力传感器探测大气压力，并根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力减大气压力，低于200pa时，打开分箱阀，向电池箱内部充入氮气；当电池箱内部压力减大气压力，大于等于800pa时，关闭分箱阀，停止充气；控制器依次判断各个电池箱内部与大气压的差值，并根据结果依次轮流向电池箱内部充入氮气。
62.在一些实施例中，所述根据接收的所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述氮气质量探测模块的故障情况的具体方法包括：
63.接收到氮气浓度低于95％，湿度高于20％，则判断制氮过程出现故障或者所述氮气质量探测模块出现故障；
64.接收到氮气质量探测模块上传温度低于
‑
40℃或高于95℃时，所述氮气质量探测模块出现故障。
65.在一些实施例中，所述根据接收的所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述电池箱内压力探测模块的故障情况的具体方法包括：
66.电池箱内压力及系统控制模块的自身探测的压力，连续3小时没有发生变化，或者气压值低于50kpa或者高于120kpa，则判断所述系统控制模块的自身的压力传感器或所述电池箱内压力探测模块的压力传感器发生故障；
67.将所述电池箱内压力探测模块的压力传感器的气压值进行排序，当某一个气压差值超过10kpa时，则判断此传感器故障；
68.所述电池箱内压力探测模块的温度传感器的温度低于
‑
40℃或高于95℃时，所述电池箱内压力探测模块出现故障；
69.电池箱内部压力与大气压差值从800pa变化到200pa的时间小于规定时间系统可能存在漏气；
70.在充气过程中，如果氮气质量探测模块气压值正常，而电池箱内部气压在规定时间内没有达到设定阈值，系统或电池箱气密性可能失效。
71.实施例中所述的惰性气体保护系统，可以应用在电池箱保护上，同时也，可以应用在储能电站等等，其他所需要的应用场景。
72.实施例2：
73.如图1所示，根据实施例1所述的惰性气体保护系统，应用于电池箱上，具体实施例2包括：
74.氮气制备模块、氮气质量探测模块、电池箱内压力探测模块和系统控制模块；
75.所述氮气制备模块：基于薄膜对气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化，进行氧氮吸附分离，然后端流出氮气；
76.所述氮气质量探测模块：采集和监测管路中气体氧气浓度，近而确定氮气浓度；
77.所述电池箱内压力探测模块：采集和监测电池箱内部压力数据；
78.所述系统控制模块：根据接收的所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块的故障情况；根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力低于阈值时，向电池箱补充氮气；当电池箱内部压力大于阈值时，停止补充氮气。
79.在一些实施例中，所述氮气制备模块包括：空气压缩机，、空气过滤器、气水分离
器、空气加热器和膜分离器；空气压缩机的压力上限0.8mpa，出气量不小于240l/min；
80.空气首先经过空气压缩机，压缩气体由储气罐进行暂存及压力平滑，储气罐内空气压力范围500kpa至800kpa，然后压缩后空气通过空气过滤器去除气体中尘埃粒子直径≥1.0μm的尘埃粒子，其过滤器的滤料主要有玻璃纤维、中细孔聚乙烯泡沫塑料和由涤纶、丙纶、腈纶等制成的合成纤维毡，初阻力≤80pa，过滤后的空气进入所述气水分离器进行干燥，干燥后的空气相对湿度≤20％，干燥后的空气进入所述空气加热器进行加热，所述加热器温度设置为45℃至50℃，最后加热后的空气进入膜分离器，输出氮气。
81.在一些实施例中，为保证分离的效率及稳定性，所述膜分离器由包裹在其表面的膜加热器进行加热，保证所述膜分离器工作温度始终为45℃至50℃。
82.在一些实施例中，膜分离器为中空纤维膜组，是基于气体扩散原理来达到空气分离的目的，由于空气中各组分气体对膜材料的渗透效果是不一致的，因此，可以利用膜两侧气体所产生的压力差，得到不同渗透率的气体，进而达到空气分离目的。利用膜两侧存在的压力差，渗透率高的气体由高压侧向低压侧渗出，进而在膜渗透侧汇集，渗透率低的则滞留在膜的滞留侧，最终达到分离氧、氮的目的。
83.在一些实施例中，所述氮气质量探测模块包括：浓度传感器、湿度传感器、第一气压传感器和第一温度传感器；所述氮气质量探测模块防护等级达到ip68，可承受200kpa气压冲击而不漏气；所述氮气质量探测模块将探测数据及故障自检结果通过can总线上报给系统控制模块。
84.在一些实施例中，氮气质量探测模块具有传感器自适应融合算法，根据传感器使用年限、使用温度、荧光光学浓度传感器的特点，对探测数据进行修正，保证传感器在使用寿命内的探测精度；
85.所述湿度传感器的湿度探测范围0％至99％，湿度探测精度
±
3％；所述浓度传感器的氮气浓度探测范围75％至100％，浓度探测精度
±
10％fs；
86.所述第一温度传感器和所述第一气压传感器用于所述氮气质量探测模块自身及系统故障诊断，温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度；气压探测范围50kpa至130kpa，气压探测精度
±
500pa。
87.在一些实施例中，所述电池箱内压力探测模块包括：第二气压传感器和第二温度传感器；所述电池箱内压力探测模块将探测数据及故障自检结果通过can总线上报给系统控制模块；
88.所述第二气压传感器的气压探测范围50kpa至120kpa，气压探测精度
±
100pa；所述第二温度传感器的温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度。
89.在一些实施例中，所述系统控制模块包括：自身的压力传感器和自身的温度传感器；
90.所述自身的压力传感器气压探测范围50kpa至125kpa，气压探测精度
±
100pa；所述自身的温度传感器温度探测范围
‑
55度至 125度，温度探测精度
±
3度；ip67防护等级；具有两个can通讯接口，可以通过can1接收传感器的探测数据，并将处理结果通过can2发送给车辆控制器(或者行车电脑)；具有本地数据存储功能，可将重要数据存储在本地sd卡中，存储容量不小于16gb；利用车载4g/5g无线传输模块将氮气保护系统安全监测及运行信息传送到云端新能源车联网大数据服务和综合管理平台，实现大数据分析及处理共享；车辆大
数据监控平台可以利用大数据和人工智能技术对海量的监控信息进行数据管理，实现算法迭代、故障预警、远程维保、程序升级的功能。
91.在一些实施例中，系统上电后，系统控制模块控制压缩机启动，向储气罐内加压，储气罐内压力达到800kpa时压缩机停止工作，低于500kpa时，压缩机继续工作；控制电磁阀打开，压缩空间经过过滤、干燥后进入膜分离器，膜分离器输出氮气，在制氮过程中控制模块始终检测空气加热、膜加热的温度，并控制空气及膜分离器温度始终处于45度至50度之间；
92.氮气质量合格时，所述系统控制模块利用自身的压力传感器探测大气压力，并根据接收的电池箱内部压力数据，当电池箱内部压力减大气压力，低于200pa时，打开分箱阀，向电池箱内部充入氮气；当电池箱内部压力减大气压力，大于等于800pa时，关闭分箱阀，停止充气；控制器依次判断各个电池箱内部与大气压的差值，并根据结果依次轮流向电池箱内部充入氮气。所述系统控制模块每隔一个固定时间打开两个排水阀，排出储气罐、空气干燥器积攒的水。
93.在一些实施例中，所述根据接收的所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述氮气质量探测模块的故障情况的具体方法包括：
94.接收到氮气浓度低于95％，湿度高于20％，则判断制氮过程出现故障或者所述氮气质量探测模块出现故障，并通过can数据线上报给行车电脑，提示车辆需要维护保养(车辆任可继续行驶)，并禁止向电池包内充气；
95.接收到氮气质量探测模块上传温度低于
‑
40℃或高于95℃时，所述氮气质量探测模块出现故障。
96.在一些实施例中，所述根据接收的所述氮气质量探测模块和所述电池箱内压力探测模块上传数据，判断所述电池箱内压力探测模块的故障情况的具体方法包括：
97.电池箱内压力及系统控制模块的自身探测的压力，连续3小时没有发生变化，或者气压值低于50kpa或者高于120kpa，则判断所述系统控制模块的自身的压力传感器或所述电池箱内压力探测模块的压力传感器发生故障；
98.将所述电池箱内压力探测模块的压力传感器的气压值进行排序，当某一个气压差值超过10kpa时，则判断此传感器故障，并向行车电脑提示，车辆需要维保；其中，所述某一个气压差值是某一电池箱内气压及控制模块自身传感器气压值，与多个电池箱的气压中位值进行比较(或相减而来)。
99.所述电池箱内压力探测模块的温度传感器的温度低于
‑
40℃或高于95℃时，所述电池箱内压力探测模块出现故障，向行车电脑汇报车辆需要维保；
100.电池箱内部压力与大气压差值从800pa变化到200pa的时间小于规定时间(不同车型有差异)系统可能存在漏气，向行车电脑汇报车辆需要维保；
101.在充气过程中，如果氮气质量探测模块气压值正常(制氮过程正常，阀门打开时氮气气压大于等于120kpa)，而电池箱内部气压在规定时间内(不同车型有差异)没有达到设定阈值(电池包与大气压差值达到800pa)，系统或电池箱气密性可能失效，向行车电脑汇报车辆需要维保。
102.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。