面向動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的氣體檢測(cè)與預(yù)警裝置設(shè)計(jì)*

吳 敏, 閆蕙馨, 趙雨微, 李建勇, 孫金磊

[1.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 210000;2.中廣核(上海)新能源有限公司, 上海 200241]

0 引 言

不可再生資源匱乏和環(huán)境問題日益加劇,迫使人們尋找新的環(huán)境友好型替代能源。由于金屬鋰在現(xiàn)存的所有金屬中原子量最小,電極電位最負(fù),當(dāng)其與適當(dāng)?shù)恼龢O材料匹配構(gòu)成電池時(shí)具有較高的電池電壓和3 860 mAh/g的高理論比容量[1],因此可循環(huán)充放電的鋰離子電池成為電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)的首選[2- 3]。鋰離子電池是以鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料,使用非水電解質(zhì)溶液的電池系統(tǒng),相對(duì)于傳統(tǒng)的二次電池,具有電壓高、重量輕、能量密度大、循環(huán)性能好、自放電小和無記憶效應(yīng)、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

然而,鋰離子電池高比能量就意味著高危險(xiǎn)性。過充與過放等非正常使用會(huì)導(dǎo)致不可逆氧化還原反應(yīng),容易引起電池失效。電池失效后不但體現(xiàn)在動(dòng)力輸出性能喪失,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釋放有害氣體,積累后在明火下容易產(chǎn)生燃燒和爆炸。

為了保障鋰電池的使用安全,有必要監(jiān)控密閉空間內(nèi)有害氣體濃度,提前預(yù)警可能造成的燃燒和爆炸等故障。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于對(duì)鋰電池異常釋放氣體的檢測(cè)研究還較少,成夙[6]使用CC/CV制度化成、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用等檢測(cè)手段對(duì)鋰聚合物的氣脹性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析與研究,確定氣體組分;陳濤等[7]提出一種基于光聲技術(shù)的火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng),能檢測(cè)極低濃度的氣體;龍斌等[8]提出一種電池過充、過放釋放氣體收集裝置,并通過實(shí)際操作驗(yàn)證了鋰離子電池釋放氣體具有可燃性。

本文提出了一種基于STM32F103的動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)有害氣體檢測(cè)與預(yù)警裝置,通過氣體傳感器檢測(cè)所在區(qū)域氣體濃度,并根據(jù)氣體濃度進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為主控制板,220 V轉(zhuǎn)5 V/3 A的電源模塊給單片機(jī)供電。氣敏傳感器的模擬輸出值為0～5 V,而STM32F103單片機(jī)的串口電壓最高為3.3 V。為避免燒損單片機(jī),需設(shè)計(jì)電壓調(diào)理電路。將0～5 V電壓降至單片機(jī)安全電壓范圍內(nèi)。LM358是雙運(yùn)算放大器,可用于設(shè)計(jì)調(diào)理電路。通過調(diào)整調(diào)理電路電阻、電容值,可調(diào)整調(diào)理倍數(shù)。LM358F103調(diào)理電路的輸出端接入STM32F103單片機(jī)上有ADC轉(zhuǎn)換功能的GPIO接口,單片機(jī)輸出端連接聲光報(bào)警電路,通過程序設(shè)計(jì),利用定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)每2 s進(jìn)行檢測(cè)、ADC轉(zhuǎn)換、LCD顯示。設(shè)置閾值,當(dāng)濃度高于安全濃度時(shí),觸發(fā)聲光報(bào)警。總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制板最小系統(tǒng)

主控制器采用微處理器STM32F103,是基于ARM的32位Cortext M3內(nèi)核單片機(jī),工作頻率為72 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器、豐富的I/O端口、3個(gè)12位的ADC、 4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器,還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口。可工作于-40～105 ℃的溫度范圍,供電電壓為2.0～3.6 V,其運(yùn)行環(huán)境適用于電池系統(tǒng)。

2.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

MQ系列氣體傳感器采用活性很高的SnO2半導(dǎo)體氣敏材料。加熱約20 s,金屬氧化物半導(dǎo)體加熱到一定溫度后,氧原子得到電子成為氧負(fù)離子進(jìn)入工作狀態(tài),半導(dǎo)體表面勢(shì)壘升高,阻礙電子流動(dòng)。當(dāng)與還原性氣體接觸時(shí),SnO2晶粒間界處的勢(shì)壘變化,會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化,此為MQ系列氣體傳感器檢測(cè)氣體濃度的依據(jù)。

過充產(chǎn)氣與化成階段產(chǎn)氣機(jī)理類似。根據(jù)化成階段氣脹氣體成分分析[9],該階段(首次充放電)產(chǎn)生的氣體以烴類為主,可認(rèn)為是由于電解液溶劑體系在充放電時(shí)發(fā)生分解。電解液的還原反應(yīng)包括一電子反應(yīng)和二電子反應(yīng)過程[10],反應(yīng)產(chǎn)生乙烯、CO及甲烷等烴類氣體。過放會(huì)產(chǎn)生大量的烷烴氣,溶劑在正極氧化降解,產(chǎn)生CO2。

因此,可以采用MQ-2煙霧(甲烷)傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-8氫氣傳感器作為信號(hào)采集器。信號(hào)采集電路如圖2所示。工作電壓為直流5 V,模擬量輸出電壓為0～5 V。

2.3 電壓調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為將傳感器輸出的0～5 V電壓降至單片機(jī)工作安全電壓范圍3.3 V內(nèi),設(shè)計(jì)電壓調(diào)理電路。LM358是雙運(yùn)算放大器,可用于設(shè)計(jì)電壓調(diào)理電路,通過調(diào)整調(diào)理電路的電阻值,調(diào)整調(diào)理倍數(shù);也可用于設(shè)計(jì)電壓跟隨器,以穩(wěn)定電壓。電壓調(diào)理電路如圖3所示。

電壓調(diào)理電路基于減法電路原理,根據(jù)運(yùn)算放大器和加減運(yùn)算電路的特點(diǎn)可知:

式中:ui1、ui2——輸入電壓;

uo1、uo2——接地的輸出電壓;

uo——兩輸出電壓之和。

令R3=R1,R2=R4,得:

(4)

圖3滿足R4=R2,R1=R3,且R4/R1的值為0.655,接近且不大于3.3/5。輸入電壓為5 V,經(jīng)過調(diào)理電路后的電壓在單片機(jī)工作安全電壓范圍內(nèi)。經(jīng)仿真,結(jié)果為3.28 V。

2.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路如圖4所示。

NPN三極管的基極由單片機(jī)IO口控制,高電平時(shí)三極管導(dǎo)通,蜂鳴器報(bào)警;低電平時(shí)三極管截止,蜂鳴器的通路斷開,不報(bào)警。R1為限流電阻,以防止基極電流過大燒壞三極管。

單片機(jī)程序內(nèi)設(shè)置安全濃度閾值。當(dāng)檢測(cè)氣體濃度高于等于閾值時(shí),LED燈變亮,有源蜂鳴器發(fā)聲,提醒用戶盡快采取相應(yīng)措施。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置的主控制器是STM32F103單片機(jī),主程序經(jīng)過ADC初始化、定時(shí)器初始化等準(zhǔn)備工作,判斷外部中斷標(biāo)志。主程序流程如圖5所示。

當(dāng)中斷發(fā)生時(shí),主程序設(shè)置進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換,OLED顯示,并將檢測(cè)值與設(shè)定閾值對(duì)比,判斷是否觸發(fā)聲光報(bào)警器。由于使用STM32F103的通用定時(shí)器2,其掛載在APB1下,APB1的時(shí)鐘分頻數(shù)不為1,那么使用的TIM2時(shí)鐘頻率將為APB時(shí)鐘的2倍。因此,TIM2的時(shí)鐘頻率為72 MHz,由于溢出時(shí)間=[(arr+1)×(psc+1)]/時(shí)鐘頻率,令arr=9 999,psc=7 199,實(shí)現(xiàn)溢出時(shí)間為1 s。

程序通過定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)每1 s指示燈LED1亮暗轉(zhuǎn)變。當(dāng)LED1亮?xí)r,即每2 s進(jìn)行一次ADC轉(zhuǎn)換,采樣周期為239.5個(gè)周期。此外,每次得到的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果是經(jīng)過5次ADC轉(zhuǎn)換的平均值,用來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。同時(shí)判斷是否超過安全閾值和是否報(bào)警。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于MQ-2煙霧傳感器,做一組對(duì)比實(shí)驗(yàn),測(cè)量在無煙、輕微煙、中度煙、濃煙情況下傳感器輸出的電壓值及單片機(jī)顯示的電壓值。實(shí)驗(yàn)時(shí)電壓調(diào)理電路見圖3,縮小倍數(shù)為0.655。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。檢測(cè)輕微煙時(shí),MQ-2輸出電壓為0.75 V,乘縮小倍數(shù)后為0.49 V,與單片機(jī)顯示電壓0.47 V相近。以此為基準(zhǔn)在程序中設(shè)置MQ-2煙霧傳感器安全報(bào)警電壓閾值為0.45 V。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) V

其余氣體安全報(bào)警電壓閾值的確定,需要對(duì)MQ系列其他型號(hào)傳感器及相關(guān)氣體源進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并參照可燃?xì)怏w爆炸下限的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11]。

5 結(jié) 語

隨著鋰離子電池組在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的廣泛運(yùn)用,電池系統(tǒng)使用安全逐漸受到重視,有害氣體檢測(cè)裝置可以有效預(yù)警有害氣體含量超標(biāo),降低由于電池故障造成的火災(zāi)隱患。針對(duì)儲(chǔ)能電池系統(tǒng),設(shè)計(jì)一款氣體檢測(cè)裝置,實(shí)現(xiàn)以下功能:利用MQ系列氣體傳感器實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè);利用STM32F103單片機(jī)實(shí)現(xiàn)ADC及聲光報(bào)警;通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同程度的煙霧進(jìn)行傳感測(cè)試。提出的檢測(cè)裝置適用于電動(dòng)汽車電池箱、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)等密閉空間的有害氣體檢測(cè)。