新能源汽車(chē)用電池的監(jiān)測(cè)與防自燃報(bào)警的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：針對(duì)新能源汽車(chē)用電池高溫、自燃風(fēng)險(xiǎn)，基于交互設(shè)計(jì)理念提出并設(shè)計(jì)一種分別由主控、測(cè)溫、通信、電源、降溫、交互顯示等模塊組成的新能源汽車(chē)用電池監(jiān)測(cè)與防自燃報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，通過(guò)智能風(fēng)冷系統(tǒng)滅火降溫，由內(nèi)置無(wú)線(xiàn)終端進(jìn)行數(shù)字化信號(hào)傳感和技術(shù)傳輸，實(shí)時(shí)進(jìn)行電源電池溫度監(jiān)測(cè)和防自燃轟鳴報(bào)警。測(cè)試表明，系統(tǒng)冗余性好，功能交互性強(qiáng)，可為新能源用車(chē)電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供支持。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；車(chē)用電池；安全監(jiān)測(cè)；防自燃報(bào)警；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 收稿日期：2023-03-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.019

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的新能源汽車(chē)用電池的監(jiān)測(cè)與防自燃報(bào)警系統(tǒng)，分別由主控、測(cè)溫、通信、電源、降溫、交互顯示等模塊組成。不同模塊具備的功能并不相同，其中，溫度監(jiān)測(cè)模塊的主要功能是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示新能源汽車(chē)用電池的初始運(yùn)行溫度、冷卻降溫后的實(shí)際溫度以及外界環(huán)境溫度等[1-2]。輔助降溫功能則是通過(guò)風(fēng)冷系統(tǒng)的智能化控制，當(dāng)電池運(yùn)行溫度超過(guò)相應(yīng)的閾值后實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)降溫；當(dāng)電池溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)高溫預(yù)警，并通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)置的無(wú)線(xiàn)通信模塊會(huì)迅速撥通用戶(hù)電話(huà)，向其發(fā)送高溫預(yù)警提醒信息。如果電池發(fā)生高溫火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)噴射氣溶膠實(shí)時(shí)進(jìn)行滅火降溫，并將空氣中的可燃物和氧氣阻斷，從而起到良好的滅火降溫效果[3]。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件模塊組成及其功能

2.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)的硬件模塊主要包括單片機(jī)、GPRS數(shù)據(jù)通信模塊、SIM天線(xiàn)、系統(tǒng)主芯片和內(nèi)置溫度傳感技術(shù)裝置、報(bào)警蜂鳴器、液晶屏幕、全自動(dòng)滅火控制電源及氣溶膠滅火裝置，以及智能化的風(fēng)冷降溫系統(tǒng)等。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

該系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)，先由STC89C52單片機(jī)進(jìn)行芯片裝置處理數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)I/O數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)采集的溫度數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置的溫度傳感器進(jìn)行電池溫度監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷電池運(yùn)行是否出現(xiàn)高溫狀態(tài)以及存在自然爆炸等危險(xiǎn)隱患，然后根據(jù)系統(tǒng)判斷結(jié)果，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉風(fēng)冷降溫系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)通信裝置會(huì)通過(guò)GPRS信號(hào)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸給控制終端以及液晶顯示屏，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)隱患，系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)迅速報(bào)警并及時(shí)啟動(dòng)轟鳴器[4]。

2.1.3 自動(dòng)滅火

在系統(tǒng)正常工作運(yùn)行的工況之下，系統(tǒng)蜂鳴器會(huì)通過(guò)主控ULN2003D芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換邏輯智能控制，無(wú)論是直接控制還是間接控制，降溫風(fēng)冷系統(tǒng)會(huì)被該智能芯片監(jiān)測(cè)控制，一旦發(fā)生自燃危險(xiǎn)，系統(tǒng)會(huì)迅速啟動(dòng)全自動(dòng)氣溶膠滅火器進(jìn)行電池火情控制，另外，該系統(tǒng)還內(nèi)置了液晶顯示器以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姵啬K，主要用于電池溫度實(shí)時(shí)顯示以及系統(tǒng)運(yùn)行供電。

2.1.4 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)硬件模塊中的STC89C52處理芯片主要用于對(duì)系統(tǒng)溫度傳感器以及溫度傳感器技術(shù)終端模塊的主控邏輯功能進(jìn)行控制。a.系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器采集相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)，并由無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)時(shí)發(fā)送給系統(tǒng)液晶顯示屏，再將相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份；b.系統(tǒng)溫度傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端控制室，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)判斷分析是否開(kāi)啟風(fēng)冷降溫裝置以及實(shí)現(xiàn)高溫自燃報(bào)警，一旦出現(xiàn)火情，及時(shí)采取滅火措施。

2.2 系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)內(nèi)置了STC89C52處理芯片，采用低功耗的單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)邏輯運(yùn)行控制；系統(tǒng)內(nèi)置反應(yīng)速率超高的8位標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51內(nèi)核核心組件模塊。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由SIM900A模塊進(jìn)行GPRS無(wú)線(xiàn)通信，該數(shù)據(jù)通信模塊在900/1 800 MHz的雙工作頻段下實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)SIM900A模塊能夠支持LVTTL和RS232兩大技術(shù)串口，實(shí)現(xiàn)傳真、信息、彩信、短信等不同信息的及時(shí)傳輸。在GPRS無(wú)線(xiàn)通信過(guò)程中，系統(tǒng)自帶相應(yīng)的硬件，通過(guò)與89C52單片機(jī)便捷化連接，可在5～24 V的超寬范圍內(nèi)進(jìn)行工作運(yùn)行，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)、短信信息、語(yǔ)音、彩信信息傳輸?shù)葦?shù)據(jù)及時(shí)傳輸。

2.2.2 系統(tǒng)工作流程

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電池在高溫下運(yùn)行工作時(shí)，就會(huì)通過(guò)內(nèi)置的數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，該DS18b20溫度監(jiān)測(cè)終端能夠在-55～+125℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作，數(shù)據(jù)傳輸誤差約0.1℃，監(jiān)測(cè)后的溫度數(shù)據(jù)能夠在單線(xiàn)接口上串行發(fā)送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理終端模塊[5]。

a.高溫檢測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電池溫度異常后，接通有源SFM-27高分貝蜂鳴報(bào)警器。該報(bào)警裝置的諧振頻率和主體直徑分別為（3 000±500）Hz和30 mm，它具有聲音傳輸量級(jí)大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠和結(jié)構(gòu)小等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

b.降溫系統(tǒng)。主要通過(guò)內(nèi)置的12 V、1.6 A風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化降溫，該款降溫系統(tǒng)的尺寸為8 cm×8 cm，運(yùn)行風(fēng)力較強(qiáng)，不僅降溫效果十分顯著，而且運(yùn)行功耗非常小。此外，系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果還可通過(guò)LCD1602顯示器模塊來(lái)顯示，它主要由HD44100擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路、HD44780字符型LCD液晶顯示屏以及控制驅(qū)動(dòng)主電路組成。系統(tǒng)內(nèi)置了大電容、電源構(gòu)件和少量電阻等元件，它們都被內(nèi)置于電源功耗較小的PCB板中。ULN2003由7個(gè)硅NPN達(dá)林頓管所組成的達(dá)林頓陳列，輸入電平為5VTTL，可直接驅(qū)動(dòng)高耐壓、大電流的繼電器等負(fù)載，同時(shí)能夠輸出可用于蜂鳴器與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的500 mA/50 V。

c.滅火啟動(dòng)。系統(tǒng)在電池模塊遇到火情等特殊情況時(shí)，采取自動(dòng)感應(yīng)、自動(dòng)預(yù)防的全自動(dòng)氣溶膠滅火器進(jìn)行自動(dòng)滅火，該滅火系統(tǒng)體積小，滅火速度快。當(dāng)外界溫度高達(dá)170 ℃時(shí)，滅火系統(tǒng)會(huì)在6 s之內(nèi)，在密閉的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速滅火。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)用電池的監(jiān)測(cè)與防自燃報(bào)警系統(tǒng)硬件模塊進(jìn)行供電，系統(tǒng)采用20 000 WmA·H、5 V容量的充電寶進(jìn)行實(shí)時(shí)供電，該電源能夠重復(fù)使用，安全性高。圖1為系統(tǒng)硬件功能電路原理圖。

2.3 系統(tǒng)硬件功能交互設(shè)計(jì)

該交互模塊采用模塊化封裝設(shè)計(jì)原理，在硬件電路連接過(guò)程中，系統(tǒng)采用模塊化封裝模式將GPRS通信技術(shù)模塊、由蜂鳴報(bào)警器模塊、DS18b20溫度傳感器模塊以及LCD顯示屏、滅火器、全自動(dòng)降溫系統(tǒng)等交互模塊封裝到一起，通過(guò)二次封裝磁吸固定，形成了實(shí)物未封裝模塊，該系統(tǒng)可靠性高，外觀結(jié)構(gòu)十分美觀小巧，便于使用，易于交互[6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主控運(yùn)行程序和系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)模塊運(yùn)行軟件流程圖見(jiàn)圖2所示。由圖2可以看出，在系統(tǒng)主運(yùn)行程序部分，當(dāng)系統(tǒng)上電開(kāi)始工作運(yùn)行之后，監(jiān)測(cè)管理模塊開(kāi)始初始化運(yùn)行，并迅速啟動(dòng)相應(yīng)的系統(tǒng)子程序，該部分系統(tǒng)的軟件監(jiān)測(cè)功能包括寄存器清零、設(shè)定I/O口輸入狀態(tài)、設(shè)定I/O口輸出狀態(tài)以及定時(shí)器初始化運(yùn)行等，系統(tǒng)通過(guò)通信模塊自適應(yīng)配置，會(huì)由DS18B20監(jiān)測(cè)終端將系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)收集到的新能源汽車(chē)用電池的實(shí)際運(yùn)行溫度以數(shù)字信號(hào)的方式，輸入到單片機(jī)數(shù)據(jù)處理終端系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理之后，將監(jiān)測(cè)溫度及數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)時(shí)顯示到系統(tǒng)LED顯示屏幕中，然后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)進(jìn)一步分析判斷是否執(zhí)行風(fēng)冷系統(tǒng)降溫或系統(tǒng)報(bào)高溫警等動(dòng)作指令[7]。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 風(fēng)冷降溫系統(tǒng)測(cè)試

為了有效測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行溫度以及風(fēng)冷降溫系統(tǒng)對(duì)新能源汽車(chē)用電池的實(shí)時(shí)降溫效果，本研究在34 ℃的外界溫度條件下進(jìn)行風(fēng)冷降溫系統(tǒng)降溫效果測(cè)試和系統(tǒng)自啟動(dòng)響應(yīng)速率測(cè)試，實(shí)時(shí)測(cè)試溫度結(jié)果與系統(tǒng)運(yùn)行初始溫度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：當(dāng)新能源汽車(chē)bCJbcncwt0eH7EsGhSgZmw==用電池實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度小于39.8 ℃時(shí)，風(fēng)冷降溫系統(tǒng)保持關(guān)閉狀態(tài)，未實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)運(yùn)行，說(shuō)明該風(fēng)冷降溫系統(tǒng)具有良好的智能控制監(jiān)測(cè)效果；當(dāng)新能源汽車(chē)用電池實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度逐漸上升到43.9 ℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)冷降溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)其持續(xù)工作運(yùn)行大約15 min之后，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，新能源汽車(chē)用電池實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度降低到33.8 ℃。該系統(tǒng)的智能化運(yùn)行，使得新能源汽車(chē)用電池實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度下降10 ℃左右。在系統(tǒng)停止運(yùn)行一段時(shí)間后，該新能源汽車(chē)用電池實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度上升到了46.4 ℃，當(dāng)風(fēng)冷降溫系統(tǒng)啟動(dòng)并連續(xù)工作約15 min，電池溫度迅速下降到37.5 ℃。

相比來(lái)講，在風(fēng)冷系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)智能啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，該新能源汽車(chē)用電池實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度下約降了9 ℃；在新能源汽車(chē)用電池溫度上升到56.3 ℃之后，風(fēng)冷系統(tǒng)迅速自啟動(dòng)，運(yùn)行15 min后，電池實(shí)時(shí)溫度很快下降到42.1 ℃。與風(fēng)冷系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)的溫度相比，系統(tǒng)智能降溫使新能源汽車(chē)用電池溫度下降了13.2 ℃。

上述測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果充分表明，該風(fēng)冷降溫系統(tǒng)的智能監(jiān)測(cè)和溫控功能良好，系統(tǒng)具有很好的自啟動(dòng)效能，當(dāng)新能源汽車(chē)用電池溫度上升速度越快時(shí)，該風(fēng)冷降溫的降溫效果越好。

4.2 系統(tǒng)入網(wǎng)功能測(cè)試

為了測(cè)試該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)入網(wǎng)功能，在測(cè)試模塊上電之前，事先在圖3所示的SIM卡卡座中將SIM卡插入相應(yīng)的位置。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該測(cè)試模塊實(shí)現(xiàn)快速通電后，SIM900A模塊會(huì)迅速實(shí)現(xiàn)工作運(yùn)行；在系統(tǒng)上電后，SIM900A模塊中會(huì)實(shí)時(shí)亮起兩個(gè)接入電源的系統(tǒng)信號(hào)指示燈，其中，D6指示燈會(huì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)閃爍，指示燈D5會(huì)連續(xù)工作運(yùn)行，即顯示“常亮”的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)入網(wǎng)后，兩個(gè)指示燈會(huì)在通信模塊上穩(wěn)定工作運(yùn)行。在這種測(cè)試工況下，即可通過(guò)實(shí)施判斷和觀察這兩個(gè)不同的信號(hào)指示燈的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)分析系統(tǒng)入網(wǎng)功能以及實(shí)時(shí)通信工作狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

研究表明，該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)新能源汽車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)用電池的智能監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)警和輔助降溫；當(dāng)新能源汽車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)啟遠(yuǎn)程報(bào)警保證新能源汽車(chē)安全，減少自燃事故發(fā)生。經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行功能測(cè)試，該新型新能源汽車(chē)用電池監(jiān)測(cè)與防自燃報(bào)警系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，安全方便，響應(yīng)速率快，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)功能要求。

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作者簡(jiǎn)介：

王蓬勃，男，1980年生，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛工程。