一种电池箱动力电池火情报警系统设计

李玉广

摘 要：电池箱动力电池的内部短路、过充过放和外部短路易导致热失控的发生，在其过程中会产生大量的烟雾和气体。为了能够准确判断火情报警情况，本系统采用高灵敏度的传感器，研究电池箱动力电池发生热失控前期烟雾和气体浓度变化，根据热失控发展规律，设定探测阈值，当传感器探测烟雾和气体浓度达到报警阈值时，向报警主机或电池管理系统（BMS）发出报警信号，以实现高效的早期报警，准备可靠的火灾判断。该系统经多次试验验证，稳定可靠。

关键词：热失控；气体传感器；烟雾传感器；BMS；STM8S003F3P6

中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）02-0096-02

Abstract： The internal short circuit， overcharging and external short circuit of the battery box power battery will lead to the heat out of control， which will produce a large amount of smoke and gas in the process. In order to accurately judge the situation of fire alarm， the system adopts high-sensitivity sensor to study the change of smoke and gas concentration in the pre-thermal runaway phase of battery box， and set the detection threshold， according to the development rule of thermal runaway. When the sensor detects smoke and gas concentration to reach the alarm threshold， the alarm signal is sent to the alarm host or battery management system， so as to achieve efficient early alarm and prepare for reliable fire judgment. The system proves to be stable and reliable by many experiments.

Keywords： thermal runaway； gas sensor； smoke sensor； BMS； STM8S003F3P6

1 概述

鋰离子电池的热失控包括3个阶段[1][2]：（1）90℃时开始阳极反应，当温度升至120℃时，SEI层开始分解，导致锂碳负极电解液减少；（2）温度超过140℃时，正极发生放热反应，氧气快速产生；（3）温度超过180℃时，正极分解，电解液氧化，快速放热。

锂离子电池在化成阶段产生气体的主要原因是电解液与电极表面在初次放电时形成了SEI层，电解液溶剂体系发生分解，释放大量烃类的气体[3]。Ohsaki等[4]研究锂离子电池热效应中所产生气体组成，正极主要产生CO2和CO，还有少量CH4，负极产生高度可燃性气体，主要是H2，还有少部分CH4、C2H4、C2H6等。

本文利用高灵敏度的气体传感器和烟雾传感器，探测锂离子电池经化成、短路、热冲击和过充过放中产生的气体与烟雾成分，当检测浓度达到了报警阈值，发出声光报警信号，提醒驾驶员停车检查电池情况，可以做到提前报警，及时干预。

2 系统硬件设计

如图1所示，本系统主要由电源模块、气体传感器处理电路、烟雾传感器处理电路、火情报警单元等组成，气体传感器和烟雾传感器与火情报警单元进行模拟数字转换器（ADC）连接。

2.1 电源控制电路

电源控制电路主要由XL1509-5.0电源芯片及输入、输出滤波电路组成，如图2所示。XL1509是一个150KHz固定频率脉冲调制DC/DC转换器，具有宽输入电压范围，2A负载调节能力好且效率高，低纹波和极好的线性。特别适合于对电源特性要求极高的传感器应用电路中。

2.2 STM8S003F3P6系统电路

如图3所示，本系统采用STM8S系列单片机，和传统单片机相比工作电压范围更宽，供电电压2.95V～5.5V。具有高达20MIPS的CPU性能，最大工作频率可达16MHz。它的外设包括：10位ADC、UART、SPI、I2C、CAN、LIN、IR、LCD驱动接口、1～2位基本定时器、1～2个16位一般定时器、1个16位高级定时器和6路互补PWM输出端口等。丰富的外设可以实现精确的控制和监视功能，一个10位模数转换器可以配置16路A/D输入通道，先进的16位定时器特别为传感器控制做了优化设计，6路互补PWM端口与ADC转换输入做了可重配置定义，可以获得最大的ADC转换路数。所以这款芯片非常适合传感器数据采集与处理的低成本低功耗控制要求。

2.3 气体传感器处理电路

SGM8042具有低静态电流，典型值为670nA、在Vs为5V时，带宽增益可达14.5KHz，且增益稳定、宽电源电压范围：1.4V～5.5V。这些规格使运放放大器适应于低频应用，比如传感器应用。

如图4所示，气体传感器处理电路功能有两部分：1是由MMBFJ177LT1G、U1B和气体传感器等组成反相控制电路，作用是保持参考电极与工作电极之间的电压来控制电化学反应并输出与之成比例的输出信号；2是由U1A、热敏电阻和反馈电阻等组成非反相放大器，由气体传感器电流变化通过RL1和U1B得到电压经U1A正相放大与低通滤波送入火情报警单位处理。当电路没有电源时，为了防止传感器被极化，MMBFJ177LT1G通常作为一个开关使用。高电平时，保持传感器信号输出，低电平关断信号输出。endprint

2.4 烟雾传感器处理电路

如图5所示，烟雾传感器处理电路功能由两部分组成，1是由R11、R12、MMBT3904和烟雾传感器等组成预加热电路。PC5输出高电平，加热开关接通，在空气中加热大约5min，加热电阻趋于稳定。烟雾传感器处于正常工作状态。2是烟雾传感器和输入滤波稳压电路组成。空气中烟雾浓度越高，传感器的电导率越高，元件电阻会变小，直到趋于稳定。通过该电路就可以把这种电导率的变化转换成与烟雾浓度对应的输出信号。

2.5 继电器报警输出电路

由图6知，继电器报警输出电路主要由接口P1、继电器K1、三极管Q2、二极管D2等组成。当气体和烟雾传感器都发生报警时，图3中的D4、D6不停地闪烁。火情报警单元PA3输出高电平，驱动Q2开关，继电器K1吸合，开关闭合，向报警主机或BMS发出报警信号。

3 系统软件设计流程

软件设计流程流程如下：（1）气体传感器、烟雾传感器进行标定，确定报警阈值；（2）火情报警系統上电，传感器进行预热处理，大约5min；（3）当动力电池箱发生热失控前期时，释放大量气体和烟雾，气体传感器监测气体浓度，当达到设定阈值，发生报警，点亮绿色LED灯、烟雾传感器监测烟雾浓度，当达到设定阈值，发生报警，点亮红色LED灯；（4）火情报警单元接收到气体和烟雾报警，向报警主机或BMS通过继电器发出信号，进行声光报警。

4 结束语

本系统采用了高灵敏度的集成传感器，能够在动力电池箱发生热失控前探测烟雾和气体过程变化，根据热失控过程规律变化，进行数值标定。当电池箱烟雾或气体浓度达到报警阈值时，向报警主机或BMS发出报警信号，以实现高效的早期报警，可靠的火情判断。该系统在动力电池火情报警行业中切实可行且稳定高效。

参考文献：

[1]Abraham D P， Roth E P， Kostecki R， et al. Diagnostic examination of thermally abused high-power lithium-ion cells[J]. J Power Sources， 2006，61（1）：648-657.

[2]Selman J R， Al Hallaj S A， Uchida I， et al. Cooperative research on safety fundamentals of lithium batteries[J].J Power Sources， 2001， 97-98（1-2）：726-732.

[3]黄丽，金明钢，等.集合物锂离子蓄电池气胀原因的初步探讨[J].电源技术，2003，27（6）：163-165.

[4]Ohsaki T， Kishi T， et al. Overcharge reaction of lithium-ion batteries[J].J Power Sources，2005，146（1-2）：97-100.endprint