一种用于电池包的烟雾探测器卧式迷宫

1.本发明涉及烟雾探测器相关技术领域，具体涉及一种用于电池包的烟雾探测器卧式迷宫。


背景技术：

2.随着新能源的大力推广和普及，储能设备和电动汽车里面广泛使用模块化的电池包。屡屡发生的电池自燃、爆炸事件都将电池的安全问题提上日程。目前业内的通用做法是使用电池管理系统即bms系统来进行监控，但仍然有不少事故发生，主要原因是锂电池热失控产生的原因和条件很复杂，仅仅依靠监控电池电压电流和温度的方法已经不能满足电池热失控的监控要求。典型的电池热失控分为几个步骤和特点：气体析出、电解液挥发、开始冒烟、起火并冒烟、有可能爆炸。析出气体的种类和浓度和与电池类型、电池电量以及各种环境因素相关，但是电解液挥发和烟雾的产生相对恒定，而且可以被烟雾探测器精准检测。因此检测非气体颗粒对于提前预警十分有帮助，一旦发生预警，主控平台可以采取措施以降低进一步失控的风险，比如切断电源、降温甚至启动消防系统等。
3.针对电池热失控的监测问题，烟雾探测器作为一种常规的火灾检测手段可以提前到电解液挥发阶段和烟雾阶段检测到电池状态变化，从而将信息发送到电池控制系统或者行车电脑系统中去，有效地检测电池热失控状态，提前预警并采取防范措施。现有的用于消防的光电式烟雾探测器技术解决锂电池热失控火灾问题的难点在于以下几点：1）现有的烟雾探测器尺寸比较大，而电池包内空间比较狭小，因此无法直接将现有的烟雾探测器安装进电池包内；2）传统的采用单红外的单发单收前向散射的设计虽然简单易用，但最大的问题在于对于水蒸气和黑烟的识别问题，因为水汽和黑烟会大量吸收红外线导致漏报。而在电池包中正常使用或者热失控过程中都会有水蒸气或者类水汽的电解液挥发生，如果不能做到正常监测将会有问题。另外电池的包装材料如果燃烧或者阴燃也会有黑烟产生，如果不能做到正常监测将会有问题；3）传统的单发单收方案由于光路长，且电路检测灵敏度不够导致对稀薄烟雾的灵敏度会降低，然而电池热失控的早期产生的电解液挥发和烟雾本身就是少量的，如果能尽量提前检测到问题对于避免热失控事故非常有帮助，这对传统方案是个大挑战；4）用于室内的消防用途的烟雾探测器其工作温度范围一般在-10℃~ 55℃范围，然而用于锂电池包的场景至少需要-40℃~ 85℃的温度范围，甚至更高，这对光学器件的稳定性以及可靠性要求更高。
4.因此，设计一款用于电池包的监控锂电池热失控问题的烟雾探测器需要针对上述问题统一考虑并进行创新。


技术实现要素：

5.为了解决上述内容中提到的问题，本发明提供了一种用于电池包的烟雾探测器卧
式迷宫，其采用卧式结构，体积轻薄，便于安装在电池包内，采用双发单收的前后向散射相结合的光学结构，提高了对黑烟检测的准确性，防止漏报。
6.其技术方案是这样的：一种用于电池包的烟雾探测器卧式迷宫，其包括pcb电路板，其特征在于：所述pcb电路板上安装有接收管、第一发光管和第二发光管，所述接收管、第一发光管和第二发光管与pcb电路板平行设置，且三者的主光轴也与pcb电路板平行；所述接收管与第一发光管构成前向散射结构，所述接收管与第二发光管构成后向散射结构；所述第一发光管选用红光或者红外光发射管，所述第二发光管选用蓝光或者绿光或者黄光或者红光或者红外光发射管。
7.进一步的，所述后向散射结构的光路上设置有反射板，所述反射板用于将第二发光管发射的光线反射到接收管中；所述第二发光管选用蓝光或者绿光或者黄光或者红光或者红外光发射管。所述反射板提供了一种人为的强制反射面，给后向散射通路提供了一个恒定的无烟本底信号，该信号可以被自校准并用于辅助黑烟、水汽和稀薄气体的判定。
8.进一步的，所述卧式迷宫的特点在于光学器件无论是表贴式还是插针式安装，其主光轴平行于pcb电路板，因此迷宫的高度取决于卧式安装的光学器件高度，通过选用合适的器件可以控制迷宫高度在15mm以内，典型值为9mm~12mm。
9.进一步的，所述第二发光管位于接收管和第一发光管之间，且三者位于180
°
的半圆内；所述第一发光管与接收管构成前向散射，光路主轴之间的夹角α为120
°
~160
°
，所述第二发光管与接收管构成后向散射，光路主轴之间的夹角β为20
°
~60
°
。
10.进一步的，所述接收管、第一发光管和第二发光管的两侧均设置有光路限制机构。这些光路限制机构保证第一发光管的光路上不会有遮挡，保证无烟时接收管没有散射光信号；第二发光管光路上的反射板不在第一发射管及其光路限制机构构成的光路上，不会影响第一发光管的前向散射光学通路。
11.进一步的，所述pcb电路板平行安装于烟雾探测器的安装平面的内壁上或者垂直安装于烟雾探测器的安装平面的内壁上。无论哪种安装方式，优先将第一发光管和第二发光管的光学发线方向朝向地心方向，有利于迷宫中的灰尘或者凝露在重力作用下排出迷宫。
12.进一步的，不安装所述第二个发光管，这样迷宫变为最经典的单发单收模式，而且是前线散射模式，空缺出来的第二发光管及其光学限定机构位置可以作为一个额外的烟雾通道使用。
13.进一步的，所述接收管、第一发光管和第二发光管的光轴相交处为检测区域。因此烟雾探测器的进烟通道有两个：一是检测区域及其下方的区域，二是穿过于检测区域并垂直于pcb电路板的贯通烟雾探测器的进烟通路，从而保证烟雾可以从多个方向进入烟雾探测器的检测区域。
14.进一步的，烟雾探测器外壳中部水平设置有隔板，所述隔板上方设置pcb电路板，所述隔板下方设置进气、集气空间。隔板将进气进烟空间的水汽和凝露与上方区域隔离，有效保护pcb电路板免受水汽干扰。
15.本发明的有益效果为：1、本发明中接收管、第一发光管和第二发光管与pcb电路板平行设置，且三者的主
光轴也与pcb电路板平行，实现较薄的卧式迷宫结构设计，由于烟雾探测器的高度取决于pcb电路板上器件的高度，进而使得烟雾探测器能够在至少一个维度上做薄，从而满足电池包内部狭小空间的需求。
16.2、本发明通过接收管与第一发光管构成前向散射结构，接收管与第二发光管构成后向散射结构，从而形成一个双发单收的前后向散射相结合的光学结构，提高了对黑烟检测的准确性，防止漏报。
17.3、本发明通过在后向散射结构的光路上设置有反射板，反射板将第二发光管发射的光线反射到接收管中，使得后向散射在无烟时已经具备恒定的背景或本底信号，此时如果是出现浓的黑烟和水汽的情况，由于黑烟和水汽大幅吸收光源导致本底信号减少量大于烟雾后向散射信号增量从而导致总接受信号变小，此时如果是薄的烟雾，本底信号减少量可能与烟雾后向散射信号增量相当，导致总接受信号不变或者略微减少，但此时信号的噪声比无烟情况的噪声要高，因为无烟本底信号的噪声只取决于电路自身的噪声，而当有烟雾哪怕是稀薄烟雾进入时其信号的波动会变大，体现在均方根噪声变大，通过这个简单的办法可以判断稀薄烟雾。
18.4、本发明通过将第二发光管位于接收管和第一发光管之间，且三者位于180
°
的半圆内，从而缩小了面积和体积，进一步将烟雾探测器的体积做小，满足电池包内部狭小空间的需求。
19.5、本发明通过不安装第二发光管，从而第二发光管及其光路限制机构可以作为一个额外的烟雾通道使用。
20.6、本发明通过将pcb电路板平行安装于烟雾探测器的安装平面的内壁上或者垂直安装于烟雾探测器的安装平面的内壁上，无论哪种安装方式，优先将第一发光管和第二发光管的光学发线方向朝向地心方向，有利于迷宫中的灰尘或者凝露在重力作用下排出迷宫。
21.7、本发明在烟雾探测器外壳中部水平设置有隔板，所述隔板上方设置pcb电路板，所述隔板下方设置进气、集气空间。隔板将进气进烟空间的水汽和凝露与上方区域隔离，有效保护pcb电路板免受水汽干扰。
附图说明
22.图1为本发明的第一种卧式迷宫及其光学布局的示意图；图2为本发明的第二种卧式迷宫及其光学布局的示意图；图3为本发明pcb电路板的安装示意图；图4为图3的侧视示意图。
具体实施方式
23.下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
24.以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。
25.传统的标准光电式烟雾探测器通常需要有一个叫做迷宫的功能组件，所谓的迷宫
通常有三个作用：一是防止外部环境光线干扰光电器件特别是接收管；二是提供一个恒定的光学腔体，消除内部光线的反射或者限定在一定范围内；三是允许烟雾进出迷宫并汇集于感烟敏感区域。迷宫通常是烟雾探测器的核心部分，其设计的好坏一定程度上决定了烟雾探测器的性能，也是各大烟雾探测器厂家着重研究的领域。标准的光电式烟雾探测器还有一个叫做防虫网的组件，所谓的防虫网顾名思义即防止昆虫进入迷宫的网状组件，有可能与迷宫集成在一起也有可能设计单独的组件。但是电池包中的空间属于密闭空间或者半密闭空间，其环境比较“纯净”，没有环境光干扰，也没有昆虫进入，即使有环境光和昆虫等干扰，也可以通过外包装的机械结构来避免，因此可以简化迷宫的设计。而且电池内部空间比较小，一旦产生烟雾会迅速充斥整个空间，因此不需要像传统的烟雾探测器迷宫那样针对烟雾的导流和聚集进行特殊处理。但是这并不意味着针对电池热失控保护的烟雾探测器迷宫设计就更简单，因为需要在体积受限的情况保证其探测性能。
26.烟雾探测器的尺寸取决于电池包电芯的规格，烟雾探测器有可能与电池电芯平行安装也可能垂直安装，但无论怎么安装总需要有一个维度尽可能地小，以减少整体体积。国标gb/t 34013-2017电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸中规定了各种用于电动汽车的动力的蓄电池单体规格尺寸。各型号圆柱形电池的直径在18mm~32mm之间，高度在65mm~134mm之间；各型号方形电池的三维尺寸1在12mm~86mm之间，尺寸2在65mm~217mm之间，尺寸3在80mm~396mm之间；各型号软包电池的三维尺寸1没有标出，可以看出比较薄，尺寸2在100mm~228mm之间，尺寸3在85mm~342mm之间。特斯拉使用的是传统的18650、较新的21700以及最新的4680电芯，均为圆柱形电芯，21700电芯的尺寸为直径21mm、高度70mm，其他的同理；比亚迪的最新刀片电池即长电芯方案，增大电芯的长度至电池包的尺寸，电芯很薄可以插入到电池包里面从而提高能量密度以及电池包的散热水平。考虑到电芯之间的串并联、电池包的电池管理电路、电池包的保护外壳机构等因素，用于电池包的烟雾探测器尺寸也需要尽可能地小，至少在一个维度的尺寸上需要做到尽可能小以方便安装。因此，如果能将烟雾探测器的尺寸做小，特别是在一个方向的尺寸做小有助于减少电池包的体积利用率并提高能量密度，也有助于机构装配。结合电池电芯尺寸和相关非烟雾探测器的尺寸，总的烟雾探测器模块在3d结构的至少一个方向上的尺寸需要越小越好，考虑到机械装配和零件厚度等问题，整体控制为20mm以内（典型值15~18mm）将会方便使用，其中迷宫器件净高度控制在15mm以内(典型值9~12mm)。
27.本发明提供的一种用于电池包的烟雾探测器卧式迷宫，其包括pcb电路板，所述pcb电路板上安装有接收管、第一发光管和第二发光管，所述接收管、第一发光管和第二发光管与pcb电路板平行设置，且三者的主光轴也与pcb电路板平行。上述实现较薄的卧式迷宫结构设计，由于烟雾探测器的高度取决于pcb电路板上器件的高度，进而使得烟雾探测器能够在至少一个维度上做薄，从而满足电池包内部狭小空间的需求。
28.所述接收管与第一发光管构成前向散射结构，所述接收管与第二发光管构成后向散射结构，从而形成一个双发单收的前后向散射相结合的光学结构，提高了对黑烟检测的准确性，防止漏报。
29.如图1所示的一个实施例：第一发光管11的引脚101、第二发光管12的引脚102以及接收管2的引脚201将对应的器件贴装于pcb电路板4上，这里的引脚为示意图，优选贴片式器件以方便安装，如果不是贴片式器件则优选尺寸小的引脚器件，器件引脚弯折后贴装到
pcb电路板4上。pcb电路板4一般两面贴装，将光学器件单独贴在图示一侧，另一侧贴装非光学器件，连接器（未在图1中画出）可以安装于任何一侧，取决于机械高度，pcb电路板4的螺丝孔6用于固定pcb电路板4到对应的机构件上。第一发光管11的主光轴记为a，第二发光管12的主光轴记为c，接收管2的主光轴记为b。第一发光管11的主光轴a与接收管2的主光轴b形成的夹角记为α，第二发光管12的主光轴c与接收管2的主光轴b形成的夹角记为β。光学设计上优先将三个主光轴相交于一点，以该点为圆心形成一个球状的检测区域5，即烟雾在这个区域里面的散射会被检测到，pcb电路板4上与检测区域5重合的区域需要挖空。第一发光管11优选长波段如红外波或者红光，第二发光管12优选短波长如蓝光，如果蓝光的一致性不好也可选用其它波段如绿光、黄光、红光和红外光，但第二发光管12的波段不大于第一发光管11。
30.对上述方案进行进一步改进，所述后向散射结构的光路上设置有反射板，所述反射板用于将第二发光管发射的光线部分地反射到接收管中。反射背景值设置为接收通道信号量程的10%~50%，为接收通路提供了固定的无烟本底信号，有烟信号将在此本底信号上波动。上述结构使得后向散射在无烟时已经具备恒定的背景或本底信号，此时如果是出现浓的黑烟和水汽的情况，由于黑烟和水汽大幅吸收光源导致本底信号减少量大于烟雾后向散射信号增量从而导致总接受信号变小；此时如果是薄的烟雾，本底信号减少量可能与烟雾后向散射信号增量相当，导致总接受信号不变或者略微减少，但此时信号的噪声比无烟情况的噪声要高，具体计算噪声的方法可以使用均方根噪声的方法，即计算过去n个数据的均方根噪声，假设采集信号x表达为方根噪声，假设采集信号x表达为，
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，
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，n一般是在过去1到15秒内的采样数。无烟本底信号的噪声只取决于电路自身的噪声，而当有烟雾哪怕是稀薄烟雾进入时其信号的波动会变大，体现在均方根噪声变大，通过这个简单的办法可以判断稀薄烟雾。同样的方法不适用于第一反射管，因为稀薄的烟雾的信号有可能低于数据采样电路的本底噪声而被截止，因此很难检测出来。
31.如图2所示的一个实施例：第二发光管12选用红光或者红外光发射管，优选与第一发光管11一样的红外管，反射板314用于将第二发光管12的发射光一定程度上反射到接收管2，反射板314的存在不干扰第一发光管11和接收管2的光学通路，只是起到将第二发光管12的一部分光线反射到接收管2，对反射板314的要求是发射的光线强度达到接收管10%~50%的接收范围，并且反射板314只是提供反射作用，在实际使用中相当于本底信号，可以被校准，因此对工艺要求不高，反射板314可以与其他机构件连接一起，也可以与烟雾探测器侧壁机构连在一起。因此当第二发光管12点亮时，不管有没有烟总有一个恒定的光经反射板314反射到接收管2，图2中光线e从第二发光管12发出经反射板314反射后照射到接收管2。而当第一发光管11点亮时，如果没有烟进入时，接收管2没有任何信号。因此第一发光管11与接收管2构成的依然是经典的前向散射，优选采用红外光能够提供较好的温度一致性；而二发光管12与接收管2构成的后向散射不同于经典设计，人为地增加了发射板314，且第二发光管12选用红光或者红外光发射管，红光或者红外光发射管的温漂和稳定性更好，并且可以与第一发光管共享同一电源，较使用蓝光发光管可以减少一个供电电源，因为同样的驱动电流下蓝光发光管需要更高的驱动电压。上述结构形成的双组合判断方式，第一发光管11和接收管2构成的前向散射结构用于常规检测，而第二发光管12、接收管2以及反射
板314构成的具备恒定反射的后向散射结构提供了一种稳定的检测黑烟、水蒸气以及稀薄烟雾的方法。
32.如图1和图2所示的实施例中均为：所述第二发光管位于接收管和第一发光管之间，且三者位于180
°
的半圆内；所述第一发光管与接收管构成前向散射，光路主轴之间的夹角α为120
°
~160
°
，相当于散射角度20
°
~60
°
，所述第二发光管与接收管构成后向散射，光路主轴之间的夹角β为20
°
~60
°
，相当于散射角度120
°
~160
°
。上述结构缩小了光学器件布局的面积和体积，进一步将烟雾探测器的体积做小，满足电池包内部狭小空间的需求。
33.所述接收管、第一发光管和第二发光管的两侧均设置有光路限制机构。从而保证无烟时第一发光管发出的光不会经内部机构反射到接收管上，有烟时烟雾颗粒产生的散射光照射到接收管上；保证无烟时第二发光管发出的光会经反射板发射回接收管形成本底信号，当有烟时烟雾颗粒产生的散射和本底信号同时变化。如图1和图2所示的实施例中均为：第一发光管11两边具有限制其光学角度的机构304和305，第二发光管12两边具有限制其光学角度的机构306和307，接收管2两边具有限制其接收角度的机构308和309；经典的设计思路是第一发光管11及其光学限制机构304和305构成的发光角内不会有其他机构的干扰，特别是机构308和309不在发光角内，这样避免第一发光管11的光线直接照反射进入接收管2中；同理，第二发光管12及其光学限制机构306和307构成的发光角内不会有其他机构的干扰，特别是机构308和309不在发光角内，这样避免第二发光管12的光线直接照射或者反射进入接收管2中。这里的机构件304、305、306、307、308和309均为示意图，优选与烟雾探测器壳体等塑料件注塑成一体件，有利于提高机械强度和抗震动性能，以机构件304和305为例，它的作用是限定第一发光管11的光学发射角度范围，因此具体设计可以是紧贴光学器件的机构件也可以是e字型或者梳齿状朝向光电器件的内壁，属于本领域内常规做法，不做赘述。
34.所述pcb电路板上还安装有n个发光管，所述n个发光管分别与接收管构成前向散射结构或者后向散射结构，n为自然数。第一反射光、第二发射管和接收管也可以是集成的多合一器件，因此本方案不仅仅局限于双发单收的光学器件布局。
35.烟雾探测器采用极简设计，其外壳和机构件越少越好。图3首先是图1和图2的pcb电路板4的安装示意图，pcb电路板4有两种安装模式：平行于安装平面安装（图3-(a)）或者垂直于安装平面安装（图3-(b)）。优选方式为平行安装于烟雾探测器的安装平面的内壁上并将光学器件面朝地心方向，其有益效果有两个：一是烟雾探测器相对于安装平面的高度取决于光学器件的高度，这样烟雾探测器可以做的很薄；二是光学器件朝向或者偏向地心有利于水汽和凝露的排出。
36.进一步的，图3是整个烟雾探测器的两个实施例：烟雾探测器的主体被限制在由长l宽w高h所构成的长方体范围内，选取其中一个面作为安装平面，该安装平面外延平面上设有安装孔10，用于将烟雾探测器固定于电池包的某处，安装孔10可以根据安装需求在四个方向上放置。
37.图3-(a)是将pcb电路板4平行于安装平面安装的模式，pcb电路板4使用螺丝固定于安装平面上，pcb电路板4右侧有连接器41用于与车机或者bms系统通讯，这是个车规的连接器。因此整个pcb电路板4的高度取决于光学器件的高度，根据上述选型并考虑到机构件的厚度，烟雾探测器迷宫的高度可以被限制于15mm以内，典型值为9mm~12mm。考虑到车规连
接器的尺寸比较大，烟雾探测器的高度实际高度也可能取决于连接器高度，但整体高度一定小于20mm，如选取molex连接器347933330800的话，整体高度可能在16mm左右，因为连接器本身连带电路板和引脚就有13mm高,尽量选取小型的连接器。考虑连接器以及器件的排布，烟雾探测器的长度l可以控制70mm以内，典型值为50mm~60mm；如果pcb电路板4上下宽度控制在30mm以内，则烟雾探测器的主体宽度w可以控制在70mm以内，典型值为40mm~50mm。pcb电路板4固定于安装平面上，其光学部分朝向地心方向有利于排出凝露及灰尘，避免累积于光学器件上造成测量误差。穿过于检测区域5并垂直于pcb电路板4的部分可以成为一个连通烟雾探测器前后的进烟通路，烟雾探测器外壳处采用百叶状的透气不透光结构。连接器41位于pcb电路板4上且露出于一侧的外壳。烟雾探测器设置上盖板81，中间的隔板85将烟雾探测器主体分为上下两个部分，检测区域5处开孔，下方是进气和集气空间，上方为电路板和器件空间，机构上隔潮防止凝露流入电路区域。隔板85上半部分位于电路板左右两侧且垂直于电路板的外壳为外壳82和外壳83，前面且平行于电路板的外壳为外壳88；对应于隔板85下半部分的壳体为外壳87、外壳86和外壳89；模块的下壳为外壳84。这些外壳组件只是为了方面描述而做的标示，实际产品需要结合具体设计尽量减少机构件的数量，将其中一个或多个机构组合成一个整体，有助于提高机构的振动可靠性且方便组装。
38.图3-(b)是将pcb电路板4垂直于安装平面安装的模式，pcb电路板4使用螺丝固定于中间隔板85上，pcb电路板4右侧有连接器41用于与车机或者bms系统通讯，这是个车规的连接器。与图3-(a)的开孔方式不同在于电路板旋转后。穿过于检测区域5并垂直于pcb电路板4的部分可以成为一个连通烟雾探测器前上下的进烟通路，烟雾探测器外壳处采用百叶状的透气不透光结构。连接器41位于pcb电路板4上且露出于一侧的外壳。烟雾探测器设置上盖板81，中间的隔板85将烟雾探测器主体分为上下两个部分，检测区域5处开孔，下方为进气和集气空间，上方为pcb电路板4和器件空间，机构上隔潮防止凝露流入电路区域。隔板85上半部分位于电路板左右两侧且垂直于电路板的外壳为外壳82和外壳83，前面且垂直于电路板的外壳为外壳88；对应于隔板85下半部分的壳体为外壳87、外壳86和外壳89；模块的下壳为外壳84。隔板85的下半部分壳体外壳87、外壳86、外壳89和外壳84的一个或多个均可以设计成百叶状的透气不透光结构，有助于烟气导入和在重力的作用下沥水和甩掉凝露。
39.图4是图1和图2的光学布局和电路板加上烟雾探测器外壳后的示意图，其中，图4-(a)对应图1和图3-(a)，图4-(b)对应图2和图3-(a)。
40.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。