軟磁傳感器在新能源電動(dòng)汽車電池測溫報(bào)警中的應(yīng)用＊

鄧欣偉，劉麗娜

（沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽 110159）

0 引言

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和氣候變化關(guān)注度的提高，新能源電動(dòng)汽車逐漸成為替代傳統(tǒng)燃油車的重要選擇。電動(dòng)汽車的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)力性好、噪聲低，并且使用清潔能源，可緩解能源短缺的壓力。但是，電動(dòng)汽車技術(shù)還未成熟，其中電池技術(shù)是限制其發(fā)展的主要因素之一。電池問題具體表現(xiàn)為續(xù)航里程短、充電慢、性能受季節(jié)影響大。此外，電動(dòng)汽車還存在安全性不可控的問題，汽車在行駛過程中，由于空氣氣流的作用，電池處于散熱狀態(tài)［1］，而當(dāng)汽車熄火后，散熱系統(tǒng)立即停止工作，導(dǎo)致電池在高溫狀態(tài)下容易發(fā)生自燃現(xiàn)象而引起嚴(yán)重的后果。因此，控制電動(dòng)汽車電池內(nèi)、外的溫度格外重要。目前，電動(dòng)汽車主要采用測量電池表面溫度與檢測冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的方案解決電池高溫的問題，各汽車廠商也針對此問題進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。例如，“比亞迪”在“海豚E3.0”型號的電動(dòng)汽車上嘗試應(yīng)用集成的熱泵技術(shù)，并且在刀片電池上采用和PHEV（插電式混合動(dòng)力汽車）電池一樣的直冷直熱技術(shù)；“特斯拉”集成化的閥島方案大規(guī)模集成冷媒回路，閥島結(jié)構(gòu)把制冷劑回路的大部分控制組件進(jìn)行集成，分成電動(dòng)壓縮機(jī)、前端模塊、熱管理集成模塊、車內(nèi)冷凝器和蒸發(fā)器，并且通過電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行軟件控制。但是，各汽車廠商對異常駕駛環(huán)境下電池高溫報(bào)警的方案仍存在不足［2］。本文采用軟磁傳感器報(bào)警裝置監(jiān)控電池內(nèi)、外表面的溫度值，電池溫度超預(yù)警上限即自動(dòng)報(bào)警，避免自燃事故的發(fā)生，提高了電動(dòng)汽車的安全性，為人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全提供保障。

1 研究方案和設(shè)計(jì)原理

1.1 研究方案

目前的電動(dòng)汽車正向高度智能化方向發(fā)展，增加了許多新功能，電動(dòng)汽車對高精度、高可靠性的各類傳感器的需求日漸突出。其中，電池測溫傳感器是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展中面臨的主要挑戰(zhàn)之一。通常，電池的工作溫度范圍在20～45 ℃，過高或過低的溫度都可能導(dǎo)致電池性能下降，特別是在高溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會加速，致使電池老化速度加快，從而降低電池容量和續(xù)航里程。高溫還會提高電池的故障率和發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，對駕乘人員和車輛的安全構(gòu)成潛在威脅。為解決這些問題，電動(dòng)汽車制造商開始采用高溫報(bào)警系統(tǒng)。高溫報(bào)警系統(tǒng)可通過溫度傳感器監(jiān)測電池的溫度并在溫度超過安全范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員及時(shí)采取行動(dòng)，如停車休息或充電，以降低電池的溫度。

高溫報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于溫度傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性。溫度傳感器應(yīng)能準(zhǔn)確地測量電池內(nèi)部和外部的溫度，同時(shí)具備精度和穩(wěn)定性高、壽命長的特點(diǎn)。市場上有多種類型的溫度傳感器可供選擇，包括熱敏電阻傳感器、熱電偶傳感器及紅外線傳感器等，不同的傳感器在測量原理、響應(yīng)速度和使用條件等方面均存在差異，制造商需要根據(jù)實(shí)際需求選擇適合的傳感器。

目前，溫度檢測的方式主要有接觸式溫度檢測和非接觸型溫度檢測2 種。接觸式測溫精度高，產(chǎn)品種類較多，可以制作薄片測溫元件用于測量表面溫度，如熱電偶、鉑電阻、熱敏電阻等。接觸式溫度檢測需要測溫元件完全貼在被測物體表面實(shí)現(xiàn)完全的熱傳導(dǎo)，否則檢測溫度響應(yīng)時(shí)間會延長，無法保證測溫的實(shí)時(shí)性。非接觸型測溫方法有紅外傳感器測溫、光纖測溫、熱輻射傳感器測溫等，這些測溫方法不直接與熱源體接觸，溫度響應(yīng)快，例如光纖測溫響應(yīng)速度可達(dá)到納秒級。但光纖測溫抗震性差，元件體積大，使用不方便，考慮到電動(dòng)汽車在行駛過程中震動(dòng)較大，并且有向各個(gè)方向劇烈擺動(dòng)的可能，降低了測溫的可靠性，因此不宜采用。

磁傳感器是一種非接觸式溫度傳感器，磁傳感器的磁性隨溫度的變化而變化。居里溫度是磁通量變化的閾值，當(dāng)高于或低于居里溫度，軟磁性材料可表現(xiàn)為有無磁性；通過轉(zhuǎn)換電路將磁場變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，即可?shí)現(xiàn)溫度的檢測和報(bào)警處理。根據(jù)相關(guān)應(yīng)用案例，本研究選用非接觸型磁性傳感器作為測溫元件。在鐵氧體磁芯的參數(shù)中，很多參數(shù)都是溫度的函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，軟磁鐵氧體的初始磁導(dǎo)率溫度特性是極為重要的磁性參數(shù)。這種磁性的變化可通過霍耳傳感器將磁性信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而?shí)現(xiàn)溫度報(bào)警。

1.2 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)的基本架構(gòu)是在電動(dòng)汽車電池的內(nèi)、外壁鑲嵌一塊軟磁材料。鐵氧體軟磁材料的居里溫度是指當(dāng)?shù)陀诰永餃囟葧r(shí)，軟磁材料就具有亞鐵磁性；當(dāng)高于居里溫度時(shí)，軟磁材料就呈現(xiàn)順磁性［3］。電動(dòng)汽車電池溫度報(bào)警裝置的基本原理就是根據(jù)軟磁材料的溫度特性設(shè)計(jì)的。

軟磁材料必須有外來磁場對其激勵(lì)后才會對外顯示磁性。軟磁材料在通常情況下是不顯磁性的，通過磁性傳感器探測軟磁材料的時(shí)實(shí)磁性變化即可實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警的目的。軟磁材料傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟磁材料傳感器結(jié)構(gòu)

2 報(bào)警溫度設(shè)定與軟磁材料選擇

2.1 報(bào)警溫度的設(shè)定

溫度報(bào)警裝置研制的前提是報(bào)警部位和報(bào)警溫度的確定。目前，市面上主流的電池主要分為三元鋰電池與磷酸鋰電池，三元鋰電池的自燃溫度為200 ℃，磷酸鋰電池的自燃溫度為500～800 ℃，三元鋰電池的自燃溫度明顯低于磷酸鋰電池［4］。然而，各家車企為了提高純電車型汽車的續(xù)航里程，以及保證在低溫情況下電能損失更低，通常都會采用能量密度更大的三元鋰電池。鋰電池內(nèi)部起火的一個(gè)原因是分隔正極和負(fù)極的隔膜損壞，如果該組件發(fā)生故障，則會在正極和負(fù)極接觸時(shí)產(chǎn)生短路，溫度升高并最終導(dǎo)致著火；另一個(gè)原因是熱失控，外部的高溫會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)，進(jìn)一步提高電池溫度，這種導(dǎo)熱循環(huán)最終可能引發(fā)爆炸。

分析電動(dòng)車電池結(jié)構(gòu)和長距離行駛后測得的各部件溫度發(fā)現(xiàn)，電池與接線盒間隔處的溫度最高，這符合整體散熱系統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)的效果。報(bào)警溫度上限的確定是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)樽匀嫉脑蚩赡苁请妱?dòng)汽車充電過程中電池溫度過高而引起的，或是汽車經(jīng)長時(shí)間行駛停車后，散熱系統(tǒng)停止工作，熱量短時(shí)間內(nèi)無法散出，導(dǎo)致高溫而引起自燃；其他因素如外圍材料使用時(shí)間的長短、車內(nèi)有無樹葉和油漬等都可能會降低自燃溫度的上限，所以必須考慮各種引起自燃的因素，才能確定報(bào)警溫度。

由上述已知，鋰電池高溫是引起自燃的主要原因，以目前市場車商普遍采用的三元鋰電池為例，報(bào)警溫度可分為3 級，依據(jù)設(shè)計(jì)原理，居里溫度分別采用60 ℃常溫、150 ℃黃燈、180 ℃紅燈3 個(gè)報(bào)警等級。本設(shè)計(jì)將耐熱時(shí)間確定為5 min，報(bào)警溫度確定為180 ℃。

2.2 軟磁材料的選擇

磁電效應(yīng)是指當(dāng)磁性材料受到外界磁場的作用時(shí)，其中的自由電子受到力的作用，在材料內(nèi)部形成電勢差。電勢差可用來測量外部磁場的大小和方向，磁電效應(yīng)可將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號，從而實(shí)現(xiàn)物理量的測量和控制?；魻栃?yīng)是指電流通過橫跨磁場的導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的兩側(cè)出現(xiàn)電勢差，這個(gè)現(xiàn)象的原理是基于洛倫茲力，即受到磁場作用的電荷受到力的作用而被分離?；魻栃?yīng)與磁電效應(yīng)相似，也是一種將磁場信息轉(zhuǎn)換為電信號的機(jī)制，磁電式傳感器通常通過霍爾效應(yīng)測量磁場的強(qiáng)度和方向。

當(dāng)電池內(nèi)、外的報(bào)警溫度確定后，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，符合居里溫度要求的軟磁材料成為關(guān)鍵器件。通過采用粉末冶金方法，以鐵氧體材料為基礎(chǔ)，調(diào)整微量元素，從而研制出符合居里溫度條件的軟磁材料［4］。

3 結(jié)構(gòu)件和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)軟磁材料緊固件、傳感器探頭和密封件等結(jié)構(gòu)件，并且考慮防水、防腐等問題，將所有零件密封為一體并做抗震處理。磁電式傳感器一般由磁性材料、霍爾元件和信號處理電路組成。測量時(shí)，磁性材料接收到外界的磁場而在內(nèi)部產(chǎn)生電勢差，電勢差隨后被傳遞給霍爾元件，經(jīng)過元件內(nèi)部放大、濾波等信號處理，最終轉(zhuǎn)換為可用的電信號。電信號的大小和方向分別對應(yīng)外界磁場的強(qiáng)度和方向。測溫報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測溫報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

除了測溫，高溫報(bào)警系統(tǒng)還需要考慮傳感器數(shù)據(jù)的處理和觸發(fā)警報(bào)的控制單元?？刂茊卧獞?yīng)具備高性能的處理器和可靠的軟件算法，能準(zhǔn)確分析溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)事先設(shè)定的溫度閾值發(fā)出警報(bào)。此外，控制單元應(yīng)具備與電動(dòng)汽車其他系統(tǒng)通信的能力，以便觸發(fā)其他應(yīng)急措施，如關(guān)閉電池充電、調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)等。

高溫報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用需要貼合特定地區(qū)的氣候和環(huán)境條件。在炎熱的地區(qū)，如沙漠地帶，電動(dòng)汽車受到高溫影響，需要配備更精確和靈敏的高溫報(bào)警系統(tǒng)；在寒冷的地區(qū)，如北極地帶，低溫可能對電池性能產(chǎn)生不良影響，此時(shí)也需要冷溫報(bào)警系統(tǒng)保證電池在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

控制系統(tǒng)的主控芯片負(fù)責(zé)檢測、分析、處理數(shù)據(jù)及執(zhí)行控制任務(wù)，不僅要協(xié)調(diào)任務(wù)分配和控制系統(tǒng)功能，而且對整個(gè)系統(tǒng)的性能和功能設(shè)計(jì)起至關(guān)重要的作用。為滿足系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和性能的需求，本設(shè)計(jì)選擇STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)模塊作為主控核心，該模塊由STM32F103C8T6 單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源等構(gòu)成，與系統(tǒng)的外圍設(shè)計(jì)電路相配合，可將傳感器采集的信息轉(zhuǎn)換為可識別和處理的信號，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池內(nèi)、外溫度監(jiān)測和系統(tǒng)控制的功能。STM32F103 是安謀國際科技股份公司（ARM）研制的32 位單片機(jī)，以ARMCortex-M 內(nèi)核為核心，具有很強(qiáng)的功能［5］。該系列產(chǎn)品包括16 kB至1 MB 的閃存、各種控制外設(shè)、USB 全速連線、CAN總線，集成度高、可靠性好，具有豐富的指令系統(tǒng)，采用串口編程，功耗低且價(jià)格便宜。根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，STM32 單片機(jī)功耗較低，性能比MSP430、C51 型號的單片機(jī)擁有更大的優(yōu)勢。因此，為滿足報(bào)警控制系統(tǒng)的功能和性能要求，選擇STM32F103C8T6作為其核心芯片。

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心處理器，采用AD22157 芯片將磁場的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，將霍耳傳感器輸出的信號?jīng)放大器放大，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)語

試驗(yàn)綜合性能考核表明，將軟磁傳感器用于高溫報(bào)警檢測的設(shè)計(jì)原理是正確的，軟磁片居里溫度的測定和檢驗(yàn)方法準(zhǔn)確可靠，解決了目前新能源電動(dòng)汽車駕駛安全方面存在的電池自燃的隱患。報(bào)警裝置安裝方便，在汽車的震動(dòng)行駛過程中，安裝結(jié)構(gòu)件沒有出現(xiàn)松動(dòng)和影響數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)象，霍耳傳感器組件和插件結(jié)合牢固，報(bào)警裝置與電池連接位置合理，溫度顯示正常、準(zhǔn)確。

總之，電動(dòng)汽車高溫報(bào)警系統(tǒng)對于保證電池性能和安全運(yùn)行至關(guān)重要。隨著電動(dòng)汽車的普及及其市場規(guī)模的擴(kuò)大，制造商和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)加大研發(fā)力度，不斷改進(jìn)高溫報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和靈敏度，為用戶提供更加安全和可靠的電動(dòng)汽車出行體驗(yàn)［3］。同時(shí)，政府和相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管，加快標(biāo)準(zhǔn)的制定，確保電動(dòng)汽車高溫報(bào)警系統(tǒng)的普及和應(yīng)用，推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

圖3 報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)圖