一種電池箱動(dòng)力電池火情報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉廣

摘 要：電池箱動(dòng)力電池的內(nèi)部短路、過(guò)充過(guò)放和外部短路易導(dǎo)致熱失控的發(fā)生，在其過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧和氣體。為了能夠準(zhǔn)確判斷火情報(bào)警情況，本系統(tǒng)采用高靈敏度的傳感器，研究電池箱動(dòng)力電池發(fā)生熱失控前期煙霧和氣體濃度變化，根據(jù)熱失控發(fā)展規(guī)律，設(shè)定探測(cè)閾值，當(dāng)傳感器探測(cè)煙霧和氣體濃度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，向報(bào)警主機(jī)或電池管理系統(tǒng)（BMS）發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)高效的早期報(bào)警，準(zhǔn)備可靠的火災(zāi)判斷。該系統(tǒng)經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：熱失控；氣體傳感器；煙霧傳感器；BMS；STM8S003F3P6

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）02-0096-02

Abstract： The internal short circuit， overcharging and external short circuit of the battery box power battery will lead to the heat out of control， which will produce a large amount of smoke and gas in the process. In order to accurately judge the situation of fire alarm， the system adopts high-sensitivity sensor to study the change of smoke and gas concentration in the pre-thermal runaway phase of battery box， and set the detection threshold， according to the development rule of thermal runaway. When the sensor detects smoke and gas concentration to reach the alarm threshold， the alarm signal is sent to the alarm host or battery management system， so as to achieve efficient early alarm and prepare for reliable fire judgment. The system proves to be stable and reliable by many experiments.

Keywords： thermal runaway； gas sensor； smoke sensor； BMS； STM8S003F3P6

1 概述

鋰離子電池的熱失控包括3個(gè)階段[1][2]：（1）90℃時(shí)開(kāi)始陽(yáng)極反應(yīng)，當(dāng)溫度升至120℃時(shí)，SEI層開(kāi)始分解，導(dǎo)致鋰碳負(fù)極電解液減少；（2）溫度超過(guò)140℃時(shí)，正極發(fā)生放熱反應(yīng)，氧氣快速產(chǎn)生；（3）溫度超過(guò)180℃時(shí)，正極分解，電解液氧化，快速放熱。

鋰離子電池在化成階段產(chǎn)生氣體的主要原因是電解液與電極表面在初次放電時(shí)形成了SEI層，電解液溶劑體系發(fā)生分解，釋放大量烴類的氣體[3]。Ohsaki等[4]研究鋰離子電池?zé)嵝?yīng)中所產(chǎn)生氣體組成，正極主要產(chǎn)生CO2和CO，還有少量CH4，負(fù)極產(chǎn)生高度可燃性氣體，主要是H2，還有少部分CH4、C2H4、C2H6等。

本文利用高靈敏度的氣體傳感器和煙霧傳感器，探測(cè)鋰離子電池經(jīng)化成、短路、熱沖擊和過(guò)充過(guò)放中產(chǎn)生的氣體與煙霧成分，當(dāng)檢測(cè)濃度達(dá)到了報(bào)警閾值，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒駕駛員停車檢查電池情況，可以做到提前報(bào)警，及時(shí)干預(yù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要由電源模塊、氣體傳感器處理電路、煙霧傳感器處理電路、火情報(bào)警單元等組成，氣體傳感器和煙霧傳感器與火情報(bào)警單元進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）連接。

2.1 電源控制電路

電源控制電路主要由XL1509-5.0電源芯片及輸入、輸出濾波電路組成，如圖2所示。XL1509是一個(gè)150KHz固定頻率脈沖調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍，2A負(fù)載調(diào)節(jié)能力好且效率高，低紋波和極好的線性。特別適合于對(duì)電源特性要求極高的傳感器應(yīng)用電路中。

2.2 STM8S003F3P6系統(tǒng)電路

如圖3所示，本系統(tǒng)采用STM8S系列單片機(jī)，和傳統(tǒng)單片機(jī)相比工作電壓范圍更寬，供電電壓2.95V～5.5V。具有高達(dá)20MIPS的CPU性能，最大工作頻率可達(dá)16MHz。它的外設(shè)包括：10位ADC、UART、SPI、I2C、CAN、LIN、IR、LCD驅(qū)動(dòng)接口、1～2位基本定時(shí)器、1～2個(gè)16位一般定時(shí)器、1個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器和6路互補(bǔ)PWM輸出端口等。豐富的外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)精確的控制和監(jiān)視功能，一個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以配置16路A/D輸入通道，先進(jìn)的16位定時(shí)器特別為傳感器控制做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，6路互補(bǔ)PWM端口與ADC轉(zhuǎn)換輸入做了可重配置定義，可以獲得最大的ADC轉(zhuǎn)換路數(shù)。所以這款芯片非常適合傳感器數(shù)據(jù)采集與處理的低成本低功耗控制要求。

2.3 氣體傳感器處理電路

SGM8042具有低靜態(tài)電流，典型值為670nA、在Vs為5V時(shí)，帶寬增益可達(dá)14.5KHz，且增益穩(wěn)定、寬電源電壓范圍：1.4V～5.5V。這些規(guī)格使運(yùn)放放大器適應(yīng)于低頻應(yīng)用，比如傳感器應(yīng)用。

如圖4所示，氣體傳感器處理電路功能有兩部分：1是由MMBFJ177LT1G、U1B和氣體傳感器等組成反相控制電路，作用是保持參考電極與工作電極之間的電壓來(lái)控制電化學(xué)反應(yīng)并輸出與之成比例的輸出信號(hào)；2是由U1A、熱敏電阻和反饋電阻等組成非反相放大器，由氣體傳感器電流變化通過(guò)RL1和U1B得到電壓經(jīng)U1A正相放大與低通濾波送入火情報(bào)警單位處理。當(dāng)電路沒(méi)有電源時(shí)，為了防止傳感器被極化，MMBFJ177LT1G通常作為一個(gè)開(kāi)關(guān)使用。高電平時(shí)，保持傳感器信號(hào)輸出，低電平關(guān)斷信號(hào)輸出。endprint

2.4 煙霧傳感器處理電路

如圖5所示，煙霧傳感器處理電路功能由兩部分組成，1是由R11、R12、MMBT3904和煙霧傳感器等組成預(yù)加熱電路。PC5輸出高電平，加熱開(kāi)關(guān)接通，在空氣中加熱大約5min，加熱電阻趨于穩(wěn)定。煙霧傳感器處于正常工作狀態(tài)。2是煙霧傳感器和輸入濾波穩(wěn)壓電路組成。空氣中煙霧濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率越高，元件電阻會(huì)變小，直到趨于穩(wěn)定。通過(guò)該電路就可以把這種電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與煙霧濃度對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

2.5 繼電器報(bào)警輸出電路

由圖6知，繼電器報(bào)警輸出電路主要由接口P1、繼電器K1、三極管Q2、二極管D2等組成。當(dāng)氣體和煙霧傳感器都發(fā)生報(bào)警時(shí)，圖3中的D4、D6不停地閃爍。火情報(bào)警單元PA3輸出高電平，驅(qū)動(dòng)Q2開(kāi)關(guān)，繼電器K1吸合，開(kāi)關(guān)閉合，向報(bào)警主機(jī)或BMS發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)流程流程如下：（1）氣體傳感器、煙霧傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定報(bào)警閾值；（2）火情報(bào)警系統(tǒng)上電，傳感器進(jìn)行預(yù)熱處理，大約5min；（3）當(dāng)動(dòng)力電池箱發(fā)生熱失控前期時(shí)，釋放大量氣體和煙霧，氣體傳感器監(jiān)測(cè)氣體濃度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定閾值，發(fā)生報(bào)警，點(diǎn)亮綠色LED燈、煙霧傳感器監(jiān)測(cè)煙霧濃度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定閾值，發(fā)生報(bào)警，點(diǎn)亮紅色LED燈；（4）火情報(bào)警單元接收到氣體和煙霧報(bào)警，向報(bào)警主機(jī)或BMS通過(guò)繼電器發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用了高靈敏度的集成傳感器，能夠在動(dòng)力電池箱發(fā)生熱失控前探測(cè)煙霧和氣體過(guò)程變化，根據(jù)熱失控過(guò)程規(guī)律變化，進(jìn)行數(shù)值標(biāo)定。當(dāng)電池箱煙霧或氣體濃度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，向報(bào)警主機(jī)或BMS發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)高效的早期報(bào)警，可靠的火情判斷。該系統(tǒng)在動(dòng)力電池火情報(bào)警行業(yè)中切實(shí)可行且穩(wěn)定高效。

參考文獻(xiàn)：

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