纯电动客车动力电池舱火灾多级预警系统设计

晏平刚　冒兴峰　曾惠娜　管豪斌　杨果

摘 要：汽车动力电池火灾事故因其燃烧速度快，燃烧猛烈、蔓延面积大等特点，易造成施救困难，引起较大人身伤亡与财产损失。本文针对纯电动客车，旨在研究、设计出一款动力电池舱火灾多级预警系统，实时采集火灾特征信号，根据识别到的火情级别不同，触发相应预警。本文从分析系统的功能需求出发，分别从总体方案设计、系统硬件设计以及软件设计三方面具体展开，所设计的系统将对保障驾乘人员生命及财产安全起到积极作用。

关键词：纯电动客车 动力电池 火灾 预警 单片机

Design of Multi-level Fire Early Warning System for Power Battery Compartment of Electric Bus

Yan Pinggang Mao Xingfeng Zeng Huina Guan Haobin Yang Guo

Abstract：Due to the characteristics of fast burning speed， violent burning， and large spreading area， automobile power battery fire accidents are likely to cause difficulty in rescue and cause great personal injuries and property losses. This article aims to study and design a multi-level fire early warning system for power battery compartment of electric bus， which collects fire characteristic signals in real time， and triggers corresponding early warnings based on the different levels of fire identified. This article starts from the analysis of the functional requirements of the system， and specifically expands from three aspects： overall scheme design， system hardware design and software design. The designed system will play a positive role in protecting the lives and property safety of drivers and passengers.

Key words：electric bus， power battery， fire， early warning， single chip

近年来，随着新能源汽车产业的蓬勃发展，技术不断进步，新能源汽车迅速普及。纯电动客车因其在环保性、经济性等方面的优势，正日益成为城市客车的主流。目前，国内部分城市的公共交通系统中，纯电动客车比例已经超过80%。与此同时，由于使用、环境及电池本身结构、材料等问题，由纯电动客车动力电池引发的火灾事故时有发生，易造成较大的人民生命、财产损失。设计一款针对纯电动客车动力电池舱火灾的多级预警系统，实现动态监测，并能根据火情及时发出警示，是非常必要的。

1 系统功能分析

本设计针对纯电动客车动力电池舱火灾隐患进行系统设计，该系统可实时采集动力电池舱内与火灾有关的物理或化学参数，由系统对相关参数进行分析，达到阈值时，触发多级预警。

1.1 火灾参数实时检测功能

检测动力电池舱内与火情相关参数，如温度、烟雾和亮光，实现火情的探测功能。

1.2 多级预警功能

针对不同火情等级，实现多级预警功能。0级时，动力电池舱内正常状态，运行指示亮起;1级时，某一传感器检测信号超过阈值，则对应的预警灯亮起;2级时，某两个传感器检测信号超过阈值，对应预警灯亮起，同时蜂鸣器报警;3级时，三个传感器的检测信号均超过阈值，三个预警灯同时亮起，并伴随蜂鸣器报警。

2 总体方案设计

2.1 方案概况

本系统主要由传感器、控制模块及执行元件三部分组成。传感器包含温度传感器、烟雾传感器及光传感器。控制单元使用单片机进行开发。执行元件包含预警灯及蜂鸣器。传感器采集的信号，经放大转换后传送至单片机。单片机对采集数据进行处理，通过对比相应阈值，输出控制指令，触发预警灯及蜂鸣器工作。

在本设计中，温度传感器、烟雾传感器以及光传感器均安装于动力电池舱内。为减少汽车运行过程中振动对传感器及控制模塊工作带来的不利影响，本设计中元件的选择以及固定支架的设计均考虑震动因素。为便于提醒车辆驾乘人员，预警灯及蜂鸣器安装于车内中控台处。

2.2 元器件的选型

（1）单片机的选型

本系统需要选用一控制单元。该单元应具有工作可靠、反应灵敏的特点。结合选型要求，选用AT89C52单片机。该单片机在电子行业中有着广泛的应用，低电压、高性能，兼容MCS-51指令系统，可擦写Flash空间及RAM空间大小均可满足本系统要求。

（2）温度传感器的选型

动力电池发生火灾时，会产生高温，因此，可选用一个温度传感器来检测动力电池舱内的温度情况。要求该传感器的检测范围应能覆盖动力电池舱内的正常与异常温度，并具有测量速度快、性能稳定、抗干扰能力强的特点。结合选型要求，确定在本设计中选用DS18B20温度传感器。该传感器为数字型，输出信号为数字信号，具有较强的抗干扰能力。

（3）烟雾传感器的选型

动力电池发生火灾时，会产生大量烟雾，因此，可选用一个烟雾传感器来检测动力电池舱内是否有燃烧烟雾存在。该传感器应具有测量迅速、精度高、性能稳定、重复性好的特点。结合选型的要求，确定在本设计中选用MQ-2烟雾传感器。该传感器可对环境中烟雾、液化气等进行探测，检测范围为100～10000ppm，具有良好的重复性和长期的稳定性。

（4）光传感器的选型

动力电池发生火灾时，会伴随产生亮光，而在车辆运行时，动力电池舱内亮度基本无明显变化。因此，可选用一个光传感器来检测动力电池舱内是否有燃烧亮光的产生。要求选用的传感器具有反应灵敏、精度高、可靠性好的特点。结合选型要求，确定选用LXD25528光敏电阻。当发生火灾时出现可见光，光强变高，光敏电阻阻值变低。

（5）A/D转换器的选型

本设计为了满足模拟量信号的高精度采集，采用MCP3204进行模拟量电压信号的采集与A/D转换。该芯片宽电压设计，通信接口类型为SPI，最大转换速率为200ksps。芯片性能上满足本系统的要求。

3 系统硬件设计

3.1 单片机最小系统的设计

单片机最小系统是指在芯片的外部连接电源、时钟以及复位等，构成一个基本的应用系统。如图1所示为本文所设计的最小系统，具体包含单片机、电源电路、复位电路以及时钟电路等。

（1）复位电路的设计

复位电路的功能相当于进行系统的初始化操作。系统通电后，在执行操作之前，必须对单片机进行复位。该操作的目的是将系统内的CPU及其他相关组件设置为初始工作状态，使得系统在这个初始状态下开始工作。如图1中所示，本系统采用按键复位的方式，电路中RST脚连接至单片机的RST脚。当复位开关SW1接通后，单片机开始执行复位操作。

（2）时钟电路设计

单片机的正常运行需要一个统一的时钟脉冲。时钟脉冲的序列信号由单片机内部时序电路控制器发出。如图1中所示，左下角部分为本系统的时钟电路图，连接至单片机的振荡器输入输出端口，单片机中XTAL1为输入端，XTAL2为输出端。

（3）电源电路设计

为确保系统在任何时刻都有稳定的工作电源，该系统采用独立蓄电池供电，工作电压在12V左右。为了使该系统能在此电源电压下正常工作，需设计一个电源电路进行电压转换。如图2所示，该电源电路中利用三端稳压集成电路LM7805将蓄电池12V电压降为5V的输出电压。

3.2 传感器电路设计

（1）温度检测模块电路设计

本系统采用DS18B20温度传感器作为温度检测元件，其输出信号为为数字式，单片机可直接识别。如圖3所示，该传感器通过VCC直接供电，信号经I/O输出，连接至单片机TEMP1（P2.0）脚。

（2）烟雾检测模块电路设计

如图4所示，本系统所采用的MQ-2型烟雾传感器共有6个引脚，其中1、4脚为加热电阻，其余4个引脚分别为2个输入引脚（5、6脚）和2个输出引脚（2、3脚）。该传感器需要同时给加热电阻值施加加热电压Vh和测试电压Vc，二者所需电压相同，一起连接至VCC。因烟雾传感器信号较弱，需要通过一信号放大电路，将信号传送至A/D转换器的AD1（CH0）。

（3）光检测模块电路设计

本系统中光强检测所选用的LXD25528光敏电阻，输出方式为模拟量。如图5所示，电路中使用一个10kΩ电阻与LXD25528串联，电路输出模拟量信号至A/D转换器的AD2（CH1）。

3.3 A/D转换电路设计

如图6所示为A/D转换电路设计，其中，VDD为电源，VREF为参考电压输入，CH0—CH3为模拟信号输入，DGND及AGND为接地，CLK为串行时钟，Dout为串行数据输出，Din为串行数据输入，CS/SHDN为片选/关断输入。图中，CH0和CH1端脚分别接收来自烟雾检测模块电路和光检测模块电路的模拟信号输入，信号输出与单片机对应端脚相连。

3.4 执行元件电路设计

如图7分别为灯光预警电路与声预警电路。四个LED灯的定义为：D1运行指示，D2温度预警灯，D3烟雾预警灯，D4光强预警灯。LED与单片机的I/O口相连，依次连接至P2.1、P2.2、P2.3、P2.4相连，本设计中低电平有效。声报警电路的蜂鸣器电路与单片机的P1.1口相连。当触发报警时，由单片机控制蜂鸣器LS1发声。

4 系统软件设计

主程序的流程设计为：首先，进行系统初始化，之后通过DS18B20、MQ-2及LXD25528采集温度、烟雾及光强信号，模拟信号进行A/D转换，数字信号传至单片机。有单片机将三者信号与系统设定阈值进行比较，超过设定值时，触发报警模块工作;当未超过设定值时，LED显示正常，并恢复到信息采集阶段继续工作。

5 总结

本设计通过设计一款纯电动客车动力电池舱火灾多级预警系统，实现了对纯电动客车运行过程中动力电池舱内温度、烟雾及光强的实时感知，有效提高了运输过程的安全性。

课题来源：2020年江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目《新能源汽车火灾预警及自动灭火系统设计》，编号202012056009Z。

参考文献：

[1]张鹏，刘颖.基于汽车构造的汽车火灾事故原因分析[J].时代汽车，2020（02）：7-8.

[2]田龙祯，谢春丽，王昊洁.电动汽车电池火灾预警报警及自动灭火装置设计[J].科学技术创新，2020（11）：155-156.

[3]丁传记.纯电动客车动力锂电池火灾安全系统设计[J].客车技术与研究，2016，38（05）：52-54.