鄧欣偉,劉麗娜
(沈陽理工大學(xué),遼寧沈陽 110159)
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。
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。
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)
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 ℃。
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]。
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
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。
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