基于μC/OS-II的鋰離子動(dòng)力電池火災(zāi)報(bào)警控制器設(shè)計(jì)

黃志華

（安徽芯核防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，安徽合肥，230000）

0 引言

新能源汽車火災(zāi)事故頻發(fā)，其安全性受到了廣泛質(zhì)疑。熱失控是電池安全研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，已經(jīng)成為鋰離子電池在電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙[1]。相關(guān)法規(guī)文件提出了對(duì)電池安全監(jiān)控的要求，如國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布的GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》規(guī)定：“車長(zhǎng)大于等于6米的純電動(dòng)客車、插電式混合動(dòng)力客車，應(yīng)能監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池工作狀態(tài)并在發(fā)現(xiàn)異常情形時(shí)報(bào)警”[2]。應(yīng)急管理部《CCCF/XFJJ-01電動(dòng)客車鋰離子動(dòng)力電池箱火災(zāi)防控裝置通用技術(shù)要求》明確要求車輛停車3日內(nèi)，火災(zāi)防控裝置應(yīng)能正常工作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警控制器由備用電池、電源管理模塊、控制模塊、聲光報(bào)警模塊、滅火啟動(dòng)模塊等組成。軟件采用μC/OS-II系統(tǒng)，按照事件的緊急情況對(duì)事件進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、CAN通信、休眠、喚醒、手動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)等功能。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火災(zāi)報(bào)警控制器包括多個(gè)硬件模塊：主控芯片，電源管理模塊，聲光報(bào)警控制模塊，CAN通信模塊，存儲(chǔ)模塊，液位檢測(cè)模塊，滅火啟動(dòng)模塊等。主控芯片負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)處理，控制策略執(zhí)行。電源模塊UPS負(fù)責(zé)主備電切換，備用電源充放電管理，寬電壓輸入轉(zhuǎn)化等。聲光報(bào)警模塊負(fù)責(zé)報(bào)警和故障信號(hào)的聲光提示，CAN模塊負(fù)責(zé)控制器和整車的協(xié)議交互，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)所有傳感器信號(hào)記錄，液位檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)滅火器泄露檢測(cè)，滅火啟動(dòng)模塊負(fù)責(zé)輸出電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)滅火器開(kāi)啟。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

(1)主控芯片。主控芯片采用STM32F105RBT6，基于ARM Cortex-M內(nèi)核，屬于STM32互聯(lián)型產(chǎn)品，具有高性能、低成本、低功耗特點(diǎn)。具備兩路CAN通信，支持CAN2.0B協(xié)議，支持SPI和SDIO兩種讀寫SD卡模式。

(2)電源管理模塊。電源管理模塊在整車上電時(shí)使用主電對(duì)系統(tǒng)供電，整車斷電后，使用備用電池供電；在備用電池電壓不足時(shí)，通過(guò)報(bào)警開(kāi)關(guān)發(fā)出綠燈閃爍信號(hào)，且當(dāng)整車供電時(shí)自動(dòng)對(duì)備用電池充電。主控芯片I/O口檢測(cè)到整車電壓信號(hào)ACC低電平時(shí)控制器進(jìn)入低功耗休眠模式，檢測(cè)到高電平時(shí)上升沿中斷自動(dòng)喚醒系統(tǒng)。ACC檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 ACC檢測(cè)電路

(3)聲光報(bào)警控制模塊。有3路高電平輸出和1路輸入檢測(cè)。發(fā)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信、傳感器等硬件故障時(shí)，可通過(guò)I/O控制報(bào)警開(kāi)關(guān)黃色指示燈閃爍；備用電池欠壓時(shí)，可控制綠色指示燈閃爍；發(fā)生火情時(shí)，根據(jù)探測(cè)器發(fā)送的報(bào)警等級(jí)高低可分別控制紅色指示燈和蜂鳴器的報(bào)警頻率。報(bào)警狀態(tài)下按下報(bào)警開(kāi)關(guān)，主控芯片將通過(guò)高功率MOS管驅(qū)動(dòng)滅火器啟動(dòng)，滅火劑通過(guò)管路進(jìn)入電池箱實(shí)現(xiàn)滅火；休眠狀態(tài)下按下報(bào)警開(kāi)關(guān)，I/O上升沿中斷可將系統(tǒng)喚醒。

(4)CAN通信模塊。兩路CAN通信，其中CAN2連接整車，采用高速CAN隔離收發(fā)器CTM1042KATCAN模塊，2500V電氣隔離；為了抑制共模干擾信號(hào)，增加了共模信號(hào)抑制電路，共模濾波器采用TDK的ACT45B-510。為了防止靜電干擾，在CAN_H和CAN_L上分別設(shè)置了二極管SMBJ40CA，如圖3所示。CAN模塊支持CAN2.0A/B，防止高靜電、高浪涌，具有更高的可靠性。CAN1屬于系統(tǒng)內(nèi)部使用CAN，CAN收發(fā)器采用恩智浦高速CAN收發(fā)器TJA1044T芯片，可通過(guò)其第8腳S腳設(shè)置低功耗模式和總線喚醒功能。通過(guò)CAN總線連接各個(gè)電池箱火災(zāi)探測(cè)器，接收預(yù)警信息，故障信息。

圖3 CAN2通信電路

(5)滅火啟動(dòng)模塊。為了防止滅火器在復(fù)雜車載的電磁環(huán)境下誤啟動(dòng)，滅火啟動(dòng)采用雙MOS驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。由P型MOS管DMP6023LSS和N型MOS管DMT6016LSS和外圍電路組成，如圖4所示。當(dāng)需要啟動(dòng)滅火器時(shí)，需要主控芯片兩路I/O口分別對(duì)FC+和FC-輸出高電平信號(hào)，此時(shí)三極管導(dǎo)通，P型MOS管輸出24V高電平，N型MOS管輸出GND信號(hào)，滅火器點(diǎn)火頭處于兩路MOS管之間被輸出電流引爆，進(jìn)而啟動(dòng)滅火器。雙MOS啟動(dòng)可大大降低單路驅(qū)動(dòng)造成的滅火器誤啟動(dòng)概率。

圖4 滅火啟動(dòng)模塊

(6)其他模塊。包括液位檢測(cè)模塊，液位傳感器安裝在滅火器瓶?jī)?nèi)，當(dāng)滅火劑發(fā)生泄露時(shí)，控制器發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。存儲(chǔ)模塊采用16G的SD卡，掛載Fat32文件系統(tǒng)，循環(huán)3個(gè)月覆蓋存儲(chǔ)，每1S記錄一次傳感器數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)，存儲(chǔ)的時(shí)間信息由CAN2通過(guò)整車校時(shí)獲得。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

μC/OS-II 是一款開(kāi)源的實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)，移植方便，可剪裁、可配置、搶占式，最多可支持64 個(gè)任務(wù)，任務(wù)間可通過(guò)信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列等中間環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)通信。μC/OS-II通過(guò)了FAA(Federal AviationAdministration)認(rèn)證，在實(shí)時(shí)性要求很高的嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域能夠放心使用[3]。

2.1 μC/OS-II的移植

μC/OS-II移植到主控芯片STM32F105RBT6上，首先要修改系統(tǒng)和硬件相關(guān)的三個(gè)文件。

(1)OS_CPU.H。需要改寫的是關(guān)于數(shù)據(jù)類型、堆棧增長(zhǎng)方向、中斷屏蔽方式、以 及 任 務(wù) 調(diào) 度 函 數(shù) 的 定 義。

①STM32設(shè)置數(shù)據(jù)類型如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)類型設(shè)置

②堆棧增長(zhǎng)方向設(shè)置為高地址向低地址增長(zhǎng):

③中斷屏蔽方式，使用第3種方式保護(hù)臨界段，進(jìn)入臨界段之前使用OS_ENTER_CRITICAL()調(diào)用OS_CPU_SR_Save()屏蔽中斷，臨界代碼結(jié)束后使用 OS_EXIT_CRITICAL()調(diào)用OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr)開(kāi)啟中斷功能[4]：

④任務(wù)切換函數(shù)重定義，在任務(wù)切換時(shí)調(diào)用：

(2)OS_CPU.C。STM32 單片機(jī)需要重新定義任務(wù)堆棧初始化函數(shù) OSTaskStkInit() 。這個(gè)函數(shù)在任務(wù)創(chuàng)建時(shí)被調(diào)用，負(fù)責(zé)初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)并返回新堆棧的指針[5]。

(3)OS_CPU_A．ASM。主要涉及高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒函數(shù) OSStartHighRdy() 、任務(wù)切換函數(shù) OSCtxSw() 等。OSStartHighRdy( )負(fù)責(zé)啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，使其從就緒態(tài)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。 OSCtxSw()負(fù)責(zé)用戶任務(wù)上下文切換。

2.2 任務(wù)的劃分

使用μC/OS-II設(shè)計(jì)軟件時(shí)，需要對(duì)不同的任務(wù)按照緊急程度劃分優(yōu)先級(jí)。在鋰離子動(dòng)力電池滅火控制系統(tǒng)中，首先要確保滅火的時(shí)效性，在電池箱內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，按下報(bào)警開(kāi)關(guān)啟動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)設(shè)置成最高優(yōu)先級(jí)1。火災(zāi)報(bào)警實(shí)時(shí)性的要求需要將CAN1通信設(shè)置成優(yōu)先級(jí)2，即在探測(cè)器探測(cè)到火情時(shí)控制器能快速響應(yīng)?？刂破髦芷跒?s上傳預(yù)警信息至整車報(bào)文，或接收整車校時(shí)報(bào)文的CAN2通信任務(wù)設(shè)置成3。滅火劑泄露、傳感器故障或備用電池欠壓故障報(bào)警設(shè)置成4。傳感器信息、時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)置成5。ACC檢測(cè)到整車斷電時(shí)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，設(shè)置成6，需要注意的是休眠后通過(guò)外部中斷喚醒，需要將單片機(jī)控制CAN1通信的I/O腳，設(shè)置成上升沿中斷模式，探測(cè)器監(jiān)測(cè)到異常時(shí)，通過(guò)CAN報(bào)文喚醒控制器。報(bào)警開(kāi)關(guān)按鍵輸入檢測(cè)和ACC電平檢測(cè)的I/O腳也要設(shè)置成上升沿中斷模式，以便開(kāi)關(guān)按下或整車上電能喚醒系統(tǒng)。進(jìn)入休眠之前，需調(diào)用OSSchedLock()禁止任務(wù)調(diào)度函數(shù)，在休眠期間鎖定任務(wù)不被其他任務(wù)搶占，被外部中斷喚醒后調(diào)用OSSchedUnlock()函數(shù)，允許任務(wù)調(diào)度。STM32休眠模式選擇STOP模式，任一外部中斷能喚醒，休眠前盡可能關(guān)閉一些功能模塊的電源，以節(jié)省功耗。任務(wù)劃分如表1所示。

表1 任務(wù)劃分

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證有兩個(gè)目的：（1）驗(yàn)證控制器在一定的條件下能否自動(dòng)進(jìn)入休眠模式；（2）控制器休眠72小時(shí)，遇到異常情形能否自動(dòng)喚醒。

使用安捷倫高精度數(shù)字源表U3606A接入控制器備用電源供電端，對(duì)控制器輸出12V直流電壓，測(cè)得控制器正常工作電流30mA。通過(guò)軟件設(shè)置，控制器在工作10min后沒(méi)有外部異常情況下進(jìn)入休眠模式，通過(guò)CAN盒監(jiān)測(cè)控制器停止發(fā)送報(bào)文，測(cè)得控制器休眠狀態(tài)下的電流為2.2mA，如圖6所示。

將鋰離子動(dòng)力電池和探測(cè)器放入電池箱內(nèi)，控制器滅火器放在箱外，探測(cè)器通過(guò)CAN線與控制器連接起來(lái)，如圖7所示，再蓋好箱蓋。系統(tǒng)使用備用電池供電，在系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式持續(xù)72小時(shí)后，再使用恒流充電機(jī)對(duì)持續(xù)電池過(guò)充并觸發(fā)電池發(fā)生熱失控，探測(cè)器在監(jiān)測(cè)到有害氣體濃度過(guò)高的時(shí)自動(dòng)喚醒，通過(guò)CAN報(bào)文將控制器喚醒，進(jìn)而整個(gè)系統(tǒng)從休眠模式喚醒，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，在按下報(bào)警開(kāi)關(guān)后，滅火劑噴射到電池箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)抑制。

因此，控制器在沒(méi)有主電供電，只用備用電源供電的情況下工作10min自動(dòng)進(jìn)入休眠模式；休眠72小時(shí)后，電池發(fā)生熱失控能喚醒整個(gè)系統(tǒng)。

圖6 控制器休眠測(cè)試

圖7 電池?zé)崾Э卦囼?yàn)

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警控制器，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)聲光報(bào)警，手動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)滅火器，備用電池充放電管理，硬件故障報(bào)警，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滅火劑泄露檢測(cè)等功能。軟件采用μC/OS-II系統(tǒng)，通過(guò)任務(wù)的劃分和調(diào)度，系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下能監(jiān)測(cè)到電池?zé)崾Э夭⒆詣?dòng)喚醒，通過(guò)手動(dòng)方式觸發(fā)滅火器。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，控制器在只有備用電源供電的情況下能自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，遇到異常情形可通過(guò)探測(cè)器喚醒。既保證了節(jié)約了電池電量，又保證能正常監(jiān)測(cè)鋰離子動(dòng)力電池箱的工作狀態(tài)，滿足相關(guān)法規(guī)規(guī)定的停車3日內(nèi)滅火系統(tǒng)正常工作要求。