一种用于电池包的烟雾探测器迷宫及基于迷宫的光学设计

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迷宫及基于迷宫的光学设计。


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，电池包是由很多电芯组成的包装，典型的电芯类型如磷酸铁锂和三元锂。2021年北京大红门储能电站的爆炸事件以及屡屡发生的电动车自燃事件都将电池热失控的安全防护问题提上日程，除此之外两轮电动车的锂电池的防护问题也是不容忽视的问题，锂电池引起的爆炸和火灾屡屡发生。目前业内的通用做法是使用电池管理系统即bms系统来进行电池的充放电、电芯均衡以及温度监控等操作，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，很难用简单的监控电压、电流以及温度的方式来实现，而且有的传感器如温度传感器反应比较慢，不利于监测生死攸关的事件。
3.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。因此检测可燃气体和非气体的烟雾和电解液颗粒对于提前预警十分有帮助，是检测电池热失控的重要方法，一旦传感器发现异常或者预警，主控平台可以结合多传感器情况进行复查并决定是否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。烟雾探测器作为一种常规的火灾检测手段可以提供火灾颗粒监测的关键信息。因此，针对电池热失控的监测问题，多传感器信息融合特别是烟雾探测器能够提高针对热失控的检测精度和速度，可以提前在电解液挥发阶段和烟雾阶段检测到状态变化，从而将信息汇总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。
4.考虑到电池包的内部空间一般比较狭小，厂商希望同样的电池包尺寸的条件下尽可能的塞进更多的电芯以提高能量密度，因此除电芯之外的其他功能模块的体积越小越好。但是传统的传感器无论是烟雾探测器还是气体探测器都是用于消防领域的，产品设计时优先考虑的是外观以及进气效率等问题，一般不会做小做薄，做的太小太薄反而会导致进气效率低，而电池包内部要求烟雾探测器做小做薄，因此现有的烟雾探测器并不适用于电池包内部。而且电池包内部的温度变化较大并有凝露问题，都会对传统的烟雾探测器造成较大的影响。


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迷宫及基于迷宫的光学设计，其方便组装、低成本，能够帮助烟雾探测器实现小型化、抗震动、温度变化不敏感以及具备抗凝露的效果，满足电池包内部的特殊要求。
6.其技术方案是这样的：
7.一种用于电池包的烟雾探测器迷宫，其包括壳体，其特征在于：所述壳体上设置有
凸形开孔，所述凸形开孔的两端贯通，且与壳体为一体件，所述凸形开孔的侧壁为透气不透光的结构。
8.进一步的，所述凸形开孔为圆柱形或圆锥形或类似于圆锥的平滑过渡型，截面为圆形或椭圆形。
9.进一步的，所述壳体上设置有螺丝孔和定位孔，所述定位孔用于定位电路板，所述螺丝孔用于固定电路板；所述壳体外周设置有挡板，所述挡板内侧与壳体构成的空间用于放置电路板；所述壳体上还设置有盖板，所述盖板用于密封挡板内侧与壳体构成的空间；所述挡板上还开设有通孔，所述通孔用于安装电路板连接器。
10.进一步的，所述迷宫外部设置有传感器外壳，所述传感器外壳上设置有透气沥水孔，所述传感器外壳上与凸形开孔正对的一侧可选的设置有消光装置；所述传感器外壳的延边上设置有安装孔，所述安装孔用于固定传感器于电池包内部。
11.进一步的，所述壳体上还设置有其他开孔，其他开孔用于电路板上安装的其他传感器。
12.进一步的，基于上述用于电池包的烟雾探测器迷宫的光学设计，其特征在于：其包括所述迷宫，所述挡板内侧与壳体构成的空间内安装有电路板，所述电路板靠近壳体的一面上安装有发光管和接收管，所述发光管和接收管位于凸形开孔内，所述电路板远离壳体的一面上安装有非光学器件；所述电路板上涂抹有防水胶。
13.进一步的，所述发光管或多个发光管组合的中心点位于凸形开孔的中心线附近的5mmx5mm以内。
14.进一步的，所述凸形开孔的侧壁与壳体的夹角为直角或小于145
°
的钝角，所述凸形开孔的截面侧边为直线或者平滑过渡的曲线。
15.进一步的，所述凸形开孔远离壳体的一端的孔径d应满足进一步的，所述凸形开孔远离壳体的一端的孔径d应满足假设发光管的半功率角为标记光学角度为凸形开孔的高度为h1。
16.进一步的，所述传感器外壳上与凸形开孔正对的一侧距离凸形开孔远离壳体的一端至少5mm。
17.本发明的有益效果为：
18.本发明根据电池包内的结构环境特点，重新设计了烟雾传感器的迷宫结构：主要是采用了取消上盖的设计，将把发射光线尽量放出去而不是在内部反射，便于实现小型化，并且避免了震动和热胀冷缩所导致的机构轻微变形甚至老化带来的影响；还采用了一体件的设计，便于生产和组装，减少装配复杂度，有利于提高生产效率和节约成本，也有利于减少在震动和热胀冷缩条件下的机构变形；本发明还基于该迷宫做了光学设计，设定了器件的安装方式和各个关键参数，实现了小型化，并保证了烟雾探测器的检测性能；进而本发明方便组装、成本低，能够帮助烟雾探测器实现小型化、抗震动、温度变化不敏感以及具备抗凝露的效果，满足电池包内部的特殊要求。
附图说明
19.图1为本发明系统的整体结构的剖面示意图；
20.图2为电路板垂直于安装面时的示意图；
21.图3为电路板平行于安装面时的示意图。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
23.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。
24.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。电池内部空间比较小，一旦发生热失控问题，其产生的气体和烟雾会迅速充斥整个空间，因此不需要像传统的烟感和气感设备那样针对烟雾和气体做导流和聚集的特殊处理。但是因为它的体积受限，需要做小尺寸的烟感迷宫设计，而且电池包里的温度变化较大并有凝露问题，上述都是需要解决的技术问题。
25.如图1所示，一种用于电池包的烟雾探测器迷宫，其包括壳体2，所述壳体上设置有凸形开孔21，所述凸形开孔21的两端贯通，相当于取消了传统迷宫的上盖。由于贴片式器件的主光轴朝上，发射管led发出的光很容易被上盖反射回接收管pd，所以迷宫高度越低将越难处理；同时电池包可能用于震动和温度变化较大的场合，震动和热胀冷缩都会导致机构的轻微变形甚至老化，这些变化都会体现到光学信号的变化，会干扰烟雾检测，因此取消上盖将把发射光线尽量放出去而不是在内部反射是非常有意义的。
26.所述凸形开孔21与壳体2为一体件，对应图1中bcd段以及b
′c′d′
段作为一个整体注塑，便于生产和组装，减少装配复杂度，有利于提高生产效率和节约成本，也有利于减少在震动和热胀冷缩条件下的机构变形。因为如果不是一体化的设计则需要卡扣以及螺丝等固定件，这些在传统烟感的常用方法如果用于车载电池包将面临震动和温度快速变化导致的热胀冷缩问题，因此将bcd段以及b
′c′d′
段作为一个整体注塑将降低震动和温度变化的影响，提高鲁棒性。
27.所述凸形开孔21为圆柱形或圆锥形或类似于圆锥的平滑过渡型，截面为圆形或椭圆形，所述凸形开孔21的侧壁为透气不透光的结构，如百叶窗状，与传统迷宫一致，主要是防止两边的环境光照射进入光电接收管即可。在实际的机构件上，对应图1中端点c和c
′
落在圆锥状机构的根部圆弧上，端点d和d
′
圆锥状机构的顶部开口圆弧上，凸形开孔根部的宽度，即c到c
′
的距离h2被控制在20mm以内，典型值为12mm～18mm，凸形开孔cd段的高度h1被控制在10mm以内，典型值为5mm～9mm，实现了小型化。如果截面为椭圆形，cc
′
和dd
′
为椭圆长轴。
28.所述壳体2外周设置有挡板，所述挡板内侧与壳体构成的空间用于放置电路板1。所述壳体2上设置有螺丝孔和定位孔9，所述定位孔9用于定位电路板1，所述螺丝孔用于通过固定螺丝5固定电路板1；所述挡板上还开设有通孔，所述通孔用于安装电路板连接器3。如图1中，电路板1是从后面安装到迷宫上的，电路板1的光学器件侧推向迷宫，其位置由左右定位孔9来限定，左右两个定位孔9一般不对称以防止放反，两边至少一个固定螺丝5将电路板1与迷宫固定在一起，因此bc段和b
′c′
段紧贴电路板1。
29.所述迷宫外部还设置有传感器外壳7，所述传感器外壳7上设置有透气沥水孔62，所述传感器外壳7上与凸形开孔21正对的一侧可选的设置有消光装置61，消光装置可选用常用的栅格、瓦楞或者梳齿格等；所述传感器外壳7的延边上设置有安装孔10，所述安装孔10用于固定传感器于电池包内部。
30.所述壳体1上还设置有盖板8，所述盖板8用于密封挡板内侧与壳体1构成的空间。所述盖板8和挡板都可以是单独的机构也可以与传感器外壳7做成一体。
31.如图2-3所示，所述壳体1上还设置有其他开孔，其他开孔用于电路板上安装的其他传感器9，为了多传感器的联合使用。
32.如图2所示，为传感器安装于电池包内的一个实例，此时电路板1垂直于安装面，优选将传感器朝向地心方向，安装孔10所在的外壳面和传感器外壳73为不透气透水的设计，而其他外壳包括传感器外壳71、传感器外壳72、传感器外壳74特别是传感器外壳6可以设计成沥水透气型的，不但有助于电池包内部的烟雾和气体进入传感器，而且有助于凝露在重力作用下排到传感器外面。假设传感器外壳除固定机构外的主体部分的长、宽、高分别记为l、w、h，那么电路板1无论怎么放置均可将至少一个维度的尺寸控制在20mm以内，最后一个维度的尺寸取决于其它传感器以及连接器的尺寸；如果仅有一个烟雾探测器可以控制在40mm以内，如果是一个烟雾探测器加一个电化学气体传感器(以figaro tgs5141为例)则可以控制在50mm以内；那么长l可以控制在60mm以内，这是考虑到两个传感器的直径以及间隔，并且考虑到连接器3的体积比较大，如果只用一个烟雾探测器的话可以做得更小，可以做到40mm以内；宽w可以控制在30mm以内，这是考虑到前面图1分析的h2控制在20mm以内；高h取决于凸形开孔的根部宽度以及其他传感器9的宽度，如果选用tgs5141并考虑到机构厚度以及间隙等问题，高h可以被控制在20mm以内。
33.如图3所示，为传感器安装于电池包内的另一个实例，此时电路板1平行于安装面，优选将传感器朝向地心方向，安装孔10所在的外壳面和传感器外壳73为不透气透水的设计，而其他外壳特别是传感器外壳6可以设计成沥水透气型的，不但有助于电池包内部的烟雾和气体进入传感器，而且有助于凝露在重力作用下排到传感器外面。同样假设传感器外壳除固定机构外的主体部分的长、宽、高分别记为l、w、h，那么电路板无论怎么放置均可将至少两个维度的尺寸控制在20mm以内，最后一个维度的尺寸取决于其它传感器以及连接器的尺寸；如果仅有一个烟雾探测器可以控制在40mm以内，如果是一个烟雾探测器加一个电化学气体传感器(以figaro tgs5141为例)则可以控制在50mm以内；那么长l可以控制在60mm以内，这是考虑到两个传感器的直径以及间隔，并且考虑到连接器3的体积比较大，如果只用一个烟雾探测器的话可以做得更小，可以做到40mm以内；宽w取决于凸形开孔的根部宽度、其他传感器9的宽度以及连接器3的宽度，如果选用tgs5141并考虑到机构厚度以及间隙等问题，宽w可以被控制在20mm以内；高h取决于凸形开孔的高度、其他传感器9的高度以及连接器3的高度，如果选用tgs5141，连接器高度控制在15mm以内，并考虑到电路板厚度以及安装面的机构，高h可以被控制在20mm以内；
34.基于上述用于电池包的烟雾探测器迷宫的光学设计，其包括所述迷宫，所述挡板内侧与壳体2构成的空间内安装有电路板1，所述电路板1靠近壳体2的一面上安装有发光管led和接收管pd，所述发光管led和接收管pd位于凸形开孔21内，所述电路板1远离壳体2的一面上安装有非光学器件4，其中连接器3是传感器与外面的通讯接口，可贴装于任何一侧，
取决于机构设计要求以及总体厚度的控制。所述电路板1上涂抹有防水胶5，以保护电路不会因凝露和水汽导致短路。光电器件的光学部分不需要涂抹防水胶5。电路板上尽量采用贴片式器件，有利于提高生产效率和节约成本。
35.由于凸形开孔21远离壳体2的一端应该允许1～2倍发光管半功率角内的光线无遮挡地穿过，那么所述凸形开孔21远离壳体1的一端的孔径d应满足假设发光管的半功率角为标记光学角度为凸形开孔的高度为h1。
36.所述发光管至少包含一个发光管，如果仅有一个发光管择优选红外波段，发光管的半功率角控制在
±
10
°
～
±
60
°
范围内，以保证在1～2倍半功率角的情况下孔径d不至于过大。如果具备两个或者多个反光管则优选红外、蓝光、红光波段，发光管的半功率角控制在
±
10
°
～
±
60
°
范围内，而且多个发光管的发光中心距离越近越好，以保证孔径d不会因为发光管发光中心点的间距而变得更大。因此无论是集成式小型发光管组合还是分离器件的组合，所述发光管或多个发光管组合的中心点位于凸形开孔的中心线附近的5mmx5mm以内。
37.所述接收管可包含一个接收管，优选两个接收管，对应图1中，假设其半功率角度为和标记光学角度为和它们都要比发光管的半功角要大，典型值为α《β《2
×
α和α《γ《2
×
α，确保发光管和接收管在迷宫内部有光路重合区域；单个发光管led发光中心点距接收管pd1感光边沿的距离记为d1，单个发光管led发光中心点距接收管pd2感光边沿的距离记为d2，d1和d2可以不同，默认是相同的。
38.所述凸形开孔21的侧壁与壳体2的夹角为直角或小于145
°
的钝角，对应图1中端点b、c、d定义的∠bcd。这样保证凸形开孔21是一个圆柱体或者底大顶小的形态，从而减少来自于外界的散射光照射到接收管pd上，而且发射出去的光线也不容易反射回接收管pd。
39.所述传感器外壳上与凸形开孔21正对的一侧距离凸形开孔21远离壳体2的一端至少5mm，以便让光线尽量发散出去不会反射回接收管，否则就失去了开孔的意义。如图1所示，c端点到对面传感器外壳6的距离记为h2，h2被控制在15mm以内，典型值为10mm～14mm。
40.下面为光学设计的实例：
41.发光管led选用vishay公司的vsmy2893，此为贴片式红外led器件，其半功率角为
±
28度，而且通过了aec-q101车规级认证，作为具体的设计实例
42.接收管pd1和pd2选用osram公司的sfh2703，此为表贴式pd器件，半功率角为
±
65
°
，温度范围为-40～+85℃，高度为0.6mm，长方体形状，其宽的窄边朝向led，窄边近似等于感光边；
43.对应图1中假设高度h1取值为6mm，角bcd和角b
′c′d′
均为120度，孔径d处保证通过
±
28度的半功率角，那么根据三角函数算出，如果c到c
′
的距离为15mm，计算孔径此处一倍发射管半功率角的投影直径为6mm
×
tan(28
°
)
×
2＝6.38mm，因此满足1～2倍半功率角开孔的条件，发射管led的绝大多数光线可以发射出去；
44.发光管ledvsmy2893发光中心点距接收管pd1 sfh2703感光边沿的距离记为d1，d1＝3.6mm；发光管ledvsmy2893发光中心点距接收管pd2 sfh2703感光边沿的距离记为d2，d2＝3.0mm。从而保证两个pd边缘到各自两边端点c和c
′
有大约2.5mm的间隙；
45.高度h2取值为12mm,满足条件h2》h1+5mm的条件，考虑到机构件以及电路板的厚度，整体模块的厚度有望控制在15mm～20mm左右。
46.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。