基于STM32的動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)研究

劉文穎 唐嘉晨

摘要：近幾年，新能源汽車得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，但是由于動(dòng)力鋰電池使用安全問題，為新能源汽車的發(fā)展和進(jìn)步帶來了負(fù)面影響。為了提升動(dòng)力鋰電池火災(zāi)預(yù)警響應(yīng)效率與速度，降低誤報(bào)率，需要基于STM32系統(tǒng)設(shè)計(jì)出動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置，并且使用至少四種傳感設(shè)備從不用角度詳細(xì)探測(cè)電池運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境，結(jié)合電池預(yù)警實(shí)際情況，選擇出一種適合系統(tǒng)運(yùn)行的預(yù)警方案。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰電池；報(bào)警裝置；運(yùn)行模式；電池設(shè)備

新能源汽車是我國(guó)全新發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一。近幾年，新能源汽車迎來了全新發(fā)展時(shí)期，但是隨著動(dòng)力鋰電池使用安全性的問題越來越多，鋰電池所產(chǎn)生的火災(zāi)問題和損失也逐漸增加。

一、動(dòng)力鋰電池概論

鋰動(dòng)力電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E9%AB%98%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0/10535629？fromModule=lemma_inlink"＼t"https：//baike.baidu.com/item/%E9%94%82%E5%8A%A8%E5%8A%9B%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"。這種電池的負(fù)極是金屬鋰，因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中。

電動(dòng)汽車在日常行駛和使用過程中，其基礎(chǔ)續(xù)航時(shí)間、價(jià)格以及充電時(shí)間均不同，主要原因是汽車的動(dòng)力鋰電池種類有區(qū)別。動(dòng)力電池一般被稱為汽車電池包，從本質(zhì)上來看，電池包則是依靠單組的或者單個(gè)電池內(nèi)芯構(gòu)成。首先汽車內(nèi)部一定數(shù)量的電池內(nèi)芯相互組合在一起，最后形成電池模型小組，隨后多個(gè)電池小組再被相互組合到一起，最終形成電池小組，此種以組合形式所進(jìn)行的電池使用模式有利于汽車對(duì)于電池使用情況進(jìn)行統(tǒng)一管理和系統(tǒng)化管控，因此動(dòng)力電池自身具有較高的安全性。

（一）電池類型

按照電池結(jié)構(gòu)的劃分，電池內(nèi)芯一般被分為圓柱形電池結(jié)構(gòu)、方形電池結(jié)構(gòu)以及軟包電池結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段三種運(yùn)行模式的電池內(nèi)芯在新能源汽車上都被應(yīng)用，比如特斯拉汽車一般選擇圓柱形電池模式，而日產(chǎn)汽車則使用軟包電池。圓柱形電池是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷碾姵卮嬖谛问?，所以車輛所使用的電池設(shè)備自身具有獨(dú)特的適用型號(hào)，比如：18650、21700 型號(hào)等，而此種汽車電池型號(hào)數(shù)字編碼中，前兩位數(shù)字一般表示電池占地直徑參數(shù)，單位為毫米，第三、四位數(shù)字則表示電池高度參數(shù)，而最后一位表示電池的外部形態(tài)。由于圓柱形電池自生產(chǎn)過程中普遍具有相對(duì)統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)格，所以如果想要進(jìn)行小組打包則十分便捷，但是由于此種電池的電力能量密度和規(guī)格會(huì)受到限制，所以電池的基礎(chǔ)容量也會(huì)受到影響［1］。

方形電池通常為鋁材質(zhì)制作或者鋼材質(zhì)制作的方形外殼電池，此種電池并沒有相對(duì)統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)格約束與限制，能夠根據(jù)用戶或者車輛的實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)人定制，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的圓形電池來說，此種電池的能量密度參數(shù)較高，并且電池重量輕。但是由于此種外形結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間使用之后其邊角位置會(huì)產(chǎn)生明顯的電解液性能弱化現(xiàn)象，從而影響電池使用性能。

（二）電池特點(diǎn)

1.重量較輕

相比于傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)，動(dòng)力鋰電池的基礎(chǔ)能量為150Wh/Kg，是鎳氫電池結(jié)構(gòu)的2倍，所以動(dòng)力鋰電池的結(jié)構(gòu)重量是相同重量體積鎳氫電池的三分之一。從重量角度來看，動(dòng)力鋰電池所需要消耗的資源相對(duì)較小，由于電動(dòng)汽車電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以電池和整體車輛重量較輕，在相同電壓、容量的電池設(shè)備可以行駛的里程則更長(zhǎng)。

2.體積小

動(dòng)力鋰電池自身體積相對(duì)更小，該電池在生產(chǎn)過程中體積僅僅是傳統(tǒng)鉛酸電池的二分之一，同時(shí)鋰電池在外表設(shè)計(jì)上可以為電動(dòng)車輛提供更科學(xué)、合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部形態(tài)。由于電動(dòng)汽車內(nèi)部設(shè)計(jì)過程中，其供電設(shè)備受到了鉛酸電池體積和重量的約束，設(shè)計(jì)人員受到了極大的約束，導(dǎo)致電動(dòng)汽車電池設(shè)備在外觀結(jié)構(gòu)上十分雷同。而動(dòng)力鋰電池的合理使用為設(shè)計(jì)人員提供了更為廣泛且全面的設(shè)計(jì)思維模式與想象空間。但是此種動(dòng)力鋰電池的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀同樣造成電池尺寸數(shù)據(jù)具有多樣化，不利于電池行業(yè)的安全性與通用性。隨著電力汽車發(fā)展進(jìn)程不斷被推進(jìn)，越來越多的企業(yè)在電動(dòng)汽車的電能儲(chǔ)存模式上選擇鋰電池，然而鋰電池應(yīng)用的廣泛性、不同生產(chǎn)材料、生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的差異性導(dǎo)致動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)的統(tǒng)一性成為技術(shù)研究的重點(diǎn)問題［2］。

（三）動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警參數(shù)特點(diǎn)

車輛行駛過程中，動(dòng)力鋰電池如果產(chǎn)生熱量失控問題產(chǎn)生之前，電池內(nèi)部必然會(huì)產(chǎn)生明顯的熱量問題，其主要問題則是由于電化學(xué)反應(yīng)熱量以及電池極化熱量，最終產(chǎn)生一定可燃?xì)怏w物質(zhì)，比如：電池內(nèi)部的有機(jī)材料受到熱量分解反應(yīng)以及電池正負(fù)極氧化還原反應(yīng)等。加上如果電池內(nèi)部的電解液體環(huán)境中產(chǎn)生大量的有機(jī)溶液物質(zhì)，一旦產(chǎn)生熱量失控則會(huì)產(chǎn)生大量氧氣以及一氧化碳物質(zhì)，此時(shí)如果不能及時(shí)進(jìn)行技術(shù)處理，則會(huì)隨著熱量失控進(jìn)一步損壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而電解液物質(zhì)的劇烈反應(yīng)還會(huì)釋放出巨大的熱量物質(zhì)，直至將電池?fù)p壞，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w會(huì)大量噴出，并且產(chǎn)生大量煙霧物質(zhì)。

（四）動(dòng)力鋰電池火災(zāi)產(chǎn)生原因

動(dòng)力鋰電池在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的火災(zāi)原因相對(duì)比較復(fù)雜且多變，比如：劇烈碰撞、結(jié)構(gòu)擠壓等都會(huì)導(dǎo)致鋰電池產(chǎn)生機(jī)械類型的形變問題，其電池內(nèi)部的隔膜產(chǎn)生明顯的損壞問題?；蛘邉?dòng)力電池設(shè)備過度充電或者放電則會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶體不斷生長(zhǎng)，一旦電池所處環(huán)境過熱，電池正負(fù)極基礎(chǔ)隔膜會(huì)不斷被分解，此時(shí)隔膜受到損壞之后，電池的正負(fù)極與電解質(zhì)溶解相互反應(yīng)產(chǎn)生巨大的熱量，從而加劇了電池正負(fù)極與結(jié)合試劑的化學(xué)反應(yīng)效果，進(jìn)一步造成電池電解溶液的不斷分解，最終導(dǎo)致電池產(chǎn)生火災(zāi)，甚至是爆炸問題［3］。

（五）動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)方案

根據(jù)動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)狀以及失控流程進(jìn)行詳細(xì)分析最終得知：動(dòng)力鋰電池設(shè)備所產(chǎn)生的熱量失控則是一種隨著煙霧、光線以及熱量的化學(xué)反應(yīng)流程，因此實(shí)際開展動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)通過對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)電解液體揮發(fā)物質(zhì)、炭燒特殊氣體物質(zhì)、煙霧顆粒以及電池外部環(huán)境溫度等特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的探測(cè)處理，以此作為基礎(chǔ)條件進(jìn)一步分析火災(zāi)產(chǎn)生與發(fā)展階段［7］。

1．預(yù)警硬件設(shè)計(jì)

由于動(dòng)力鋰電池設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)主要包含以下幾個(gè)管理模塊，其中包含：系統(tǒng)主要控制芯片、外圍保護(hù)電路、電池控制模擬信號(hào)傳感設(shè)備、數(shù)字信號(hào)控制設(shè)備以及信息通信模塊等。

（1）主控芯片

主控芯片是動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)方案中最小的功能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含微型控制設(shè)備、電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)晶體振蕩控制區(qū)域以及電池復(fù)位控制區(qū)域等。所以為保證動(dòng)力鋰電池可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，主要控制芯片需要使用型號(hào)為STM32F103系列，該設(shè)備系列具有至少3個(gè)ADC，其系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)精度為12位，其中每一個(gè)系統(tǒng)的ADC系統(tǒng)具有至少16條連接通道。除此之外，該系統(tǒng)還具有2路總線路連接端口以及1路CAN總體線路連接端口，同時(shí)電池設(shè)備內(nèi)部管理模塊需要選擇汽車專用等級(jí)的電源控制芯片，由于該芯片從本質(zhì)上來看是一種集合高壓、高電流的開關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備，所以為保證電池正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電池設(shè)備的電壓參數(shù)需要設(shè)定為3.3-3.6V，其電池的靜態(tài)電流最小可以達(dá)到3uA［4］。

（2）信號(hào)模擬電路

信號(hào)模擬電路在動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)方案中，主要包含：VOC傳感設(shè)備以及一氧化碳傳感設(shè)備，其中VOC傳感設(shè)備能夠有效檢測(cè)電解液揮發(fā)物質(zhì)使用型號(hào)為MEMS的薄膜半導(dǎo)體氣體敏感傳感設(shè)備，因此此種電路結(jié)構(gòu)對(duì)于電解液發(fā)揮物質(zhì)中烷烴類氣體具有較高的選擇性［5］。

信號(hào)模擬電路在實(shí)際建設(shè)環(huán)節(jié)上，主要包含氣體敏感傳感設(shè)備以及外殼保護(hù)裝置，其中氣體敏感傳感設(shè)備主要由型號(hào)為MEMS基礎(chǔ)芯片以及外部保護(hù)薄膜組成，其中MEMS基礎(chǔ)芯片有效結(jié)合硅膠基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、加熱電機(jī)設(shè)備以及信息數(shù)據(jù)測(cè)算等區(qū)域，所以使用此種系統(tǒng)生產(chǎn)的氣體敏感傳感設(shè)備芯片普遍具有尺寸較小、系統(tǒng)性高等優(yōu)勢(shì)。

氣體敏感傳感設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)流程主要包含：金屬氧化物質(zhì)在空氣環(huán)境中一旦加熱至一定溫度參數(shù)之后，空氣環(huán)境中氧氣物質(zhì)被吸附在攜帶正負(fù)電荷的晶體物質(zhì)表面，此時(shí)晶體物質(zhì)表面所產(chǎn)生的能量元素則被電子所轉(zhuǎn)移，最終在金屬氧化物質(zhì)空間環(huán)境中形成正向電荷，長(zhǎng)期以往，金屬氧化物質(zhì)表面會(huì)形成相應(yīng)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，有效阻礙電子元素的流動(dòng)。

2.預(yù)警軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)的預(yù)警軟件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)初始化主要包含：控制始終、ADC管理模塊、信息通信模塊等環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)過程中為保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)常使用8MHz 晶振管理系統(tǒng)，并且經(jīng)過4倍運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的24MHz主要頻率進(jìn)行電池內(nèi)部運(yùn)行模式控制，經(jīng)過分頻最終得到ADC控制時(shí)鐘，并且電池系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的GPIO端口則需要單獨(dú)搭配系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式進(jìn)行模擬參數(shù)輸入。除此之外，系統(tǒng)初始化應(yīng)使用軟件進(jìn)行模擬操作，并給CAN信息通信則需要設(shè)定數(shù)據(jù)控制幀、拓展幀等，等待系統(tǒng)初始按成之后需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的所有連接端口科學(xué)、合理的配置，以此保證各個(gè)子系統(tǒng)的控制功能可以被科學(xué)配置，并且對(duì)硬件連接端口開展性能檢測(cè)，比如：系統(tǒng)傳感設(shè)備以及線路開路檢測(cè)等方面，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生故障問題之后，則需要立刻上傳至BMS系統(tǒng)中。

（2）傳感器信息處理

對(duì)于模擬信號(hào)傳感設(shè)備來說，想要保證汽車電池系統(tǒng)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際情況設(shè)定ADC運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，以此作為樣品收集標(biāo)準(zhǔn)，為保證電池系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還應(yīng)將模擬信號(hào)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化時(shí)間設(shè)定為7秒，并且所得到的結(jié)果要通過DMA進(jìn)行信息傳輸。由于模擬信號(hào)傳感設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，極易受到外部環(huán)境的影響和干擾，原始傳感設(shè)備的樣品實(shí)際數(shù)值可能產(chǎn)生明顯的變異情況，針對(duì)此種現(xiàn)狀需科學(xué)、合理的處理系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，通過加權(quán)平滑的參數(shù)計(jì)算形式，減少由于參數(shù)偶發(fā)信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生負(fù)面作用。

對(duì)于電池設(shè)備的信息化傳感設(shè)備來說，由于傳感器內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)過濾波設(shè)備預(yù)處理，所以數(shù)據(jù)收集數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定與可靠。而單片設(shè)備想要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則要通過IIC傳感器中的芯片所發(fā)出的控制信號(hào)，詳細(xì)判斷型號(hào)為ADPD188BI的設(shè)備是否能夠勝任數(shù)據(jù)的收集和處理，并且在此基礎(chǔ)條件上，獲取電視設(shè)備上顯示區(qū)域的紅光參數(shù)以及藍(lán)光參數(shù)，最終利用兩種光源的結(jié)構(gòu)占比，詳細(xì)計(jì)算出電池設(shè)備內(nèi)顆粒物質(zhì)的直徑數(shù)據(jù)，詳細(xì)判斷出電池設(shè)備所產(chǎn)生煙霧物質(zhì)的重要類型。所以新能源車輛電池設(shè)備內(nèi)部想要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需通過單體總線設(shè)定基礎(chǔ)的工作模式，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化系統(tǒng)精準(zhǔn)程度，最后再想個(gè)1秒之后啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)化，詳細(xì)測(cè)算電池溫度控制設(shè)備的相關(guān)數(shù)值，最終轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溫度再上傳。

（3）多項(xiàng)傳感器融合技術(shù)

汽車電池系統(tǒng)中的火災(zāi)探測(cè)設(shè)備主要針對(duì)單項(xiàng)傳感設(shè)備信號(hào)進(jìn)行合理處理，并且以此作為核心條件，通過有效控制汽車電池系統(tǒng)的處理信號(hào)波動(dòng)服務(wù)，進(jìn)一步判斷出電池設(shè)備所產(chǎn)生火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的幾率，其中包含判決門限以及變化斜率等技術(shù)方式，但是此種傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段在噪聲較大時(shí)極易產(chǎn)生誤報(bào)警問題。因此需要使用多項(xiàng)傳感設(shè)備同時(shí)結(jié)合融合技術(shù)，結(jié)合多項(xiàng)傳感器中所維度參數(shù)詳細(xì)推測(cè)，有效拓展電池設(shè)備火災(zāi)產(chǎn)生種類，有效提高系統(tǒng)的基礎(chǔ)靈敏程度，降低火災(zāi)誤預(yù)報(bào)率［6］。

在動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上，由于電池設(shè)備所產(chǎn)生的火災(zāi)預(yù)警信息普遍具有不確定性以及模糊性等特點(diǎn)，所以選擇傳感器時(shí)，信號(hào)的參數(shù)設(shè)定應(yīng)基于電池模擬數(shù)據(jù)參數(shù)計(jì)算模式，并且有效將火災(zāi)探測(cè)技術(shù)方式按照一定模糊比例轉(zhuǎn)化為模糊變量，同時(shí)將以上變量作為模糊推理的參數(shù)輸入，按照預(yù)先定義好的規(guī)則推算出結(jié)論模糊變量，通過模糊化的計(jì)算流程有效轉(zhuǎn)化為明確變量輸出。其中語言設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)于電池火災(zāi)預(yù)警來說是十分重要的推算流程，是模擬處理系統(tǒng)的核心條件，最終決定了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性［8］。

結(jié)語

由此可見，本次研究所設(shè)計(jì)的動(dòng)力鋰電池火災(zāi)報(bào)警裝置，在實(shí)際運(yùn)行中普遍具有安全穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，能夠有效滿足對(duì)系能源汽車電池火災(zāi)報(bào)警的核心要求，使得報(bào)警裝置在復(fù)雜的電池包環(huán)境下具備自學(xué)習(xí)功能。

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