基于硅光電二極管的動力鋰電池火災探測器設計

余岑

（安徽軍工集團控股有限公司，安徽合肥，230001）

0 引言

動力鋰電池由于存在電濫用，機械濫用和熱濫用等問題，導致極端情況下電池發(fā)生熱失控，嚴重時爆炸起火。通過監(jiān)測鋰電池熱失控初期的特征，如氣體、煙霧等，在鋰電池出現明火前噴放滅火劑，形成惰化環(huán)境，降低鋰電池出現明火的概率[1]。傳統(tǒng)煙溫感探測器自動觸發(fā)滅火依賴環(huán)境溫度明顯變化，然而此時電池箱內往往已經開始爆燃。此外，電池箱長期使用過程，內部絕緣劣化或機械振動引起絕緣缺陷，造成內部局部放電，也給電池箱安全帶來風險。

基于硅光電二極管的火災探測器，能根據煙霧和氣體變化發(fā)出初級熱失控報警，提示手動觸發(fā)滅火器；發(fā)現電火花時發(fā)出放電報警；發(fā)現煙霧、火焰等時發(fā)出高級火災報警，自動觸發(fā)滅火器。

1 動力鋰電池火災發(fā)生過程

車輛在行駛過程的碰撞進而引起電池刺穿短路，或者電池過充引起的電池內部枝晶生長，都會破壞電池內部的SEI隔膜，造成電解液與負極發(fā)生化學反應。熱失控發(fā)生初期，少量氣體逸出，電池開始鼓包；進而沖開電池安全閥，大量可燃氣體產生，電池內部溫度也開始快速升高；進一步，出現明火，如果此時再不進行火情抑制，則火焰開始蔓延、火災面積迅速擴大，進入到火災的充分發(fā)展階段。受限空間內的可燃物由于受到火焰輻射熱量的作用而熱解、氣化，至臨界溫度時，可燃氣體將會驟然起火，溫度迅速上升，使燃燒變得十分劇烈，發(fā)生轟燃現象[2]。

2 火災探測器設計

鋰離子電池在發(fā)生熱失控時，會釋放出大量碳氫化合物和可燃氣體，以及煙霧顆粒，對這些氣體和顆粒物探測就是早期熱失控報警依據。發(fā)生燃燒時，燃燒的火焰波長覆蓋了紫外、可見光、紅外光波段。對特定波段的光譜檢測也就是判斷火焰或電火花的依據。

2.1 硬件設計

探測器電路主要包括電源電路，主控芯片及外圍電路，傳感器及外圍電路，通信模塊等。硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

(1)硅光電傳感器。硅光電二極管其工作原理是其PN結通過吸收光子的能量釋放和加速半導體的載流子產生電信號，實現光電轉換。硅光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱；有光照射二極管時，會產生與光照度成比例的微弱電流。

通常，火焰燃燒時產生的紫外光譜波段分布在105～380nm之間，可見光分布在380～780nm之間，紅外光在780nm以上。電池箱一般外殼防護等級達到IP68，是防水防塵等級最高標準。因此，箱內火焰探測可不考慮太陽光的干擾。本文選擇一種硅光電二極QY-S1010SM，其光譜響應曲線如圖2所示。光譜響應范圍從320nm～1100nm，峰值波長λp為940nm，可很好對電火花和火焰響應。

圖2 QY-S1010SM光譜特性

光電二極管的輸出端看成電流源，對其進行電流－電壓轉換，這需要將光電二極管和信號電壓隔離開，并使得運算放大器的電流－電壓轉換器成為基本的光電二極管放大器[3]。如圖3所示，在光電二極管放大電路中，VDDA為3.3V，AGND為信號地。R26的作用是將電流信號放大，電容C28的作用是使電路更加穩(wěn)定，避免產生振鈴現象[4]。

圖3 QY-S1010SM傳感器信號放大電路

(2)氣體傳感器采用煒盛的MP-2半導體傳感器，采用多層厚膜制造工藝，對烷烴等烴類氣體有很好響應。當傳感器檢測到烴類氣體時，其電導率會發(fā)生變化。設計一種加熱電壓電路和測試電壓電路，即可將電導率的變化轉化成電壓信號變化，單片機將電壓信號采集處理，最終將氣體濃度與電壓信號對應起來。其測試電路原理圖如圖4所示，其中VB為5V的加熱電壓，加在傳感器的1,2腳，可為直流電壓或交流電壓。Vc為測試電壓，必須為直流電壓，RL為負載電阻，根據應用可調整其大小。

圖4 氣體測試電路

(3)煙霧傳感器采用半導體芯片級傳感器ADPD188BI，通過I2C與單片機通信，采用藍光與紅外光兩個LED，配合使用迷宮具有較好的抗干擾性，能夠區(qū)分不同大小的顆粒，有助于減少蒸汽和灰塵引起的誤報，解決了傳統(tǒng)單光煙霧傳感器所存在的干擾弊端。ADPD188BI 支持I2C和SPI兩種通信方式，探測器為了減少連線，采用IIC通信。處理器的 SDA 與 ADPD188BI 模塊的 SDA 相接，處理器的 SCL 與 ADPD188BI 模塊的 SCL 相連[5]。引腳圖如圖5所示。

圖5 ADPD188BI引腳圖

(4)主控芯片采用STM32F103C8T6，基于ARM Cortex-M內核，具有2路I2C總線接口和1路CAN總線接口。溫度傳感器采用DS18B20，單總線數字傳感器精度高、穩(wěn)定性強，一根信號線即可實現主控芯片對傳感器寄存器讀寫，節(jié)省了硬件資源。CAN收發(fā)器采用恩智浦高速CAN收發(fā)器TJA1044T，具備良好的EMC性能。為了防止共模干擾信號造成通信總線信號傳輸不穩(wěn)定，在TJA1044T的CANH和CANL連接總線的引腳出線方向上使用ACT45B-510共模濾波器消除干擾信號。 最后CAN信號連接到BMS/整車CAN。

2.2 軟件設計

探測器軟件主要功能包括：

(1)上電初始化單片機I/O口，功能模塊。以ADC功能模塊為例，單片機控制光電二極管的I/O口要打開端口時鐘，設置成模擬輸入模式，設置ADC單通道連續(xù)轉化模式，無需外部觸發(fā)，通過軟件觸發(fā)，并設置采樣周期為55.5個時鐘周期，采樣結果通過DMA傳輸。部分代碼如下：

(2)傳感器、滅火器輸出驅動接口、通訊接口等硬件故障自檢。為防止傳感器老化或受到電沖擊、機械振動等意外情形導致傳感器失效情況，需快速準確定位判斷傳感器有無對地或電源短路故障、開路故障等故障類別，設計傳感器故障檢測電路，對傳感器進行熱調制。通過傳感器調制與特征選擇技術,建立多檢測模型,由不同模型檢測結果的一致性判斷是否出現故障。

(3)傳感器信息采集。包括模擬信號傳感器數據預處理，濾波去干擾，數字信號傳感器寄存器的讀寫。傳感器采樣值可能存在毛刺，需要對采樣的數據進行預處理，采用加權平滑算法，平滑和均衡采樣值，減小數據突變帶來的誤差。

(4)傳感器信息融合判斷。建立多個傳感器互為補償機制，優(yōu)化傳感器陣列組合，提高探測器報警準確性、實時性，降低誤報率。

(5)制定火災探測器報警策略。針對電池箱的應用環(huán)境，探測器傳感器需要制定相應的報警策略。根據前面分析可知，動力鋰電池在熱失控早期階段主要是氣體和煙霧變化，環(huán)境溫度變換較慢，到后期環(huán)境溫度上升快，出現明火甚至轟然。因此煙霧和氣體探測作為一級報警，溫度有一定變化時為二級報警，探測到光信號、氣體和煙霧時為最高三級報警。當出現光信號，但沒有氣體、煙霧信號時，可認為電池并未發(fā)生熱失控，而是電池箱內部絕緣缺陷造成內部局部放電，給電池箱安全帶來風險，因此作為單獨電火花報警。

(6)將探測信息通過CAN總線上傳至BMS/整車CAN。CAN接口協(xié)議需要符合整車CAN網絡協(xié)議規(guī)范。

軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3 試驗驗證

使用歐碩星J04008型高壓發(fā)生器，在電池箱不同位置產生電火花，觀察探測器響應情況。在電池箱內分配了10個測試點位，在每個測試點位上放置高壓發(fā)生器火花輸出頭，如圖7所示。測試前將電池箱漏光孔都做了填充處理，使其能夠完全密閉，避免外界光源干擾，采用過孔密閉的方式將傳感器信號線和電火花發(fā)生器供電開關引到外界控制。通過CAN總線，將測試結果周期發(fā)送至上位機。同時，利用高速相機測量系統(tǒng)響應時間，測試結果如表1所示。

表1 探測器對電火花響應

圖7 電火花試驗

由表1可知，測試點位置對探測的信號強度有一定的影響。位于探測器同一側的測試點信號強度較強，位于電池另一側的測試點由于電池的遮擋強度相對較弱。但所有測試點出現的電火花都能被快速檢測到。因此，硅光電二極管可用于監(jiān)測電池箱內高壓放電產生的電火花或者電池熱失控燃燒產生的明火。

4 結論

基于硅光電二極管設計的火災探測器，能快速識別電池箱內高壓放電造成的安全隱患，同時集成的煙霧，氣體，溫度傳感器根據熱失控發(fā)展的特點采用分級報警，降低了動力鋰電池火災帶來的危害。