基于硅光电二极管的动力锂电池火灾探测器设计

2022-09-23余岑

电子制作 2022年16期

余岑

（安徽军工集团控股有限公司，安徽合肥，230001）

0 引言

动力锂电池由于存在电滥用，机械滥用和热滥用等问题，导致极端情况下电池发生热失控，严重时爆炸起火。通过监测锂电池热失控初期的特征，如气体、烟雾等，在锂电池出现明火前喷放灭火剂，形成惰化环境，降低锂电池出现明火的概率[1]。传统烟温感探测器自动触发灭火依赖环境温度明显变化，然而此时电池箱内往往已经开始爆燃。此外，电池箱长期使用过程，内部绝缘劣化或机械振动引起绝缘缺陷，造成内部局部放电，也给电池箱安全带来风险。

基于硅光电二极管的火灾探测器，能根据烟雾和气体变化发出初级热失控报警，提示手动触发灭火器；发现电火花时发出放电报警；发现烟雾、火焰等时发出高级火灾报警，自动触发灭火器。

1 动力锂电池火灾发生过程

车辆在行驶过程的碰撞进而引起电池刺穿短路，或者电池过充引起的电池内部枝晶生长，都会破坏电池内部的SEI隔膜，造成电解液与负极发生化学反应。热失控发生初期，少量气体逸出，电池开始鼓包；进而冲开电池安全阀，大量可燃气体产生，电池内部温度也开始快速升高；进一步，出现明火，如果此时再不进行火情抑制，则火焰开始蔓延、火灾面积迅速扩大，进入到火灾的充分发展阶段。受限空间内的可燃物由于受到火焰辐射热量的作用而热解、气化，至临界温度时，可燃气体将会骤然起火，温度迅速上升，使燃烧变得十分剧烈，发生轰燃现象[2]。

2 火灾探测器设计

锂离子电池在发生热失控时，会释放出大量碳氢化合物和可燃气体，以及烟雾颗粒，对这些气体和颗粒物探测就是早期热失控报警依据。发生燃烧时，燃烧的火焰波长覆盖了紫外、可见光、红外光波段。对特定波段的光谱检测也就是判断火焰或电火花的依据。

2.1 硬件设计

探测器电路主要包括电源电路，主控芯片及外围电路，传感器及外围电路，通信模块等。硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件结构框图

(1)硅光电传感器。硅光电二极管其工作原理是其PN结通过吸收光子的能量释放和加速半导体的载流子产生电信号，实现光电转换。硅光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱；有光照射二极管时，会产生与光照度成比例的微弱电流。

通常，火焰燃烧时产生的紫外光谱波段分布在105～380nm之间，可见光分布在380～780nm之间，红外光在780nm以上。电池箱一般外壳防护等级达到IP68，是防水防尘等级最高标准。因此，箱内火焰探测可不考虑太阳光的干扰。本文选择一种硅光电二极QY-S1010SM，其光谱响应曲线如图2所示。光谱响应范围从320nm～1100nm，峰值波长λp为940nm，可很好对电火花和火焰响应。

图2 QY-S1010SM光谱特性

光电二极管的输出端看成电流源，对其进行电流－电压转换，这需要将光电二极管和信号电压隔离开，并使得运算放大器的电流－电压转换器成为基本的光电二极管放大器[3]。如图3所示，在光电二极管放大电路中，VDDA为3.3V，AGND为信号地。R26的作用是将电流信号放大，电容C28的作用是使电路更加稳定，避免产生振铃现象[4]。

图3 QY-S1010SM传感器信号放大电路

(2)气体传感器采用炜盛的MP-2半导体传感器，采用多层厚膜制造工艺，对烷烃等烃类气体有很好响应。当传感器检测到烃类气体时，其电导率会发生变化。设计一种加热电压电路和测试电压电路，即可将电导率的变化转化成电压信号变化，单片机将电压信号采集处理，最终将气体浓度与电压信号对应起来。其测试电路原理图如图4所示，其中VB为5V的加热电压，加在传感器的1,2脚，可为直流电压或交流电压。Vc为测试电压，必须为直流电压，RL为负载电阻，根据应用可调整其大小。

图4 气体测试电路

(3)烟雾传感器采用半导体芯片级传感器ADPD188BI，通过I2C与单片机通信，采用蓝光与红外光两个LED，配合使用迷宫具有较好的抗干扰性，能够区分不同大小的颗粒，有助于减少蒸汽和灰尘引起的误报，解决了传统单光烟雾传感器所存在的干扰弊端。ADPD188BI 支持I2C和SPI两种通信方式，探测器为了减少连线，采用IIC通信。处理器的 SDA 与 ADPD188BI 模块的 SDA 相接，处理器的 SCL 与 ADPD188BI 模块的 SCL 相连[5]。引脚图如图5所示。

图5 ADPD188BI引脚图

(4)主控芯片采用STM32F103C8T6，基于ARM Cortex-M内核，具有2路I2C总线接口和1路CAN总线接口。温度传感器采用DS18B20，单总线数字传感器精度高、稳定性强，一根信号线即可实现主控芯片对传感器寄存器读写，节省了硬件资源。CAN收发器采用恩智浦高速CAN收发器TJA1044T，具备良好的EMC性能。为了防止共模干扰信号造成通信总线信号传输不稳定，在TJA1044T的CANH和CANL连接总线的引脚出线方向上使用ACT45B-510共模滤波器消除干扰信号。最后CAN信号连接到BMS/整车CAN。

2.2 软件设计

探测器软件主要功能包括：

(1)上电初始化单片机I/O口，功能模块。以ADC功能模块为例，单片机控制光电二极管的I/O口要打开端口时钟，设置成模拟输入模式，设置ADC单通道连续转化模式，无需外部触发，通过软件触发，并设置采样周期为55.5个时钟周期，采样结果通过DMA传输。部分代码如下：

(2)传感器、灭火器输出驱动接口、通讯接口等硬件故障自检。为防止传感器老化或受到电冲击、机械振动等意外情形导致传感器失效情况，需快速准确定位判断传感器有无对地或电源短路故障、开路故障等故障类别，设计传感器故障检测电路，对传感器进行热调制。通过传感器调制与特征选择技术,建立多检测模型,由不同模型检测结果的一致性判断是否出现故障。

(3)传感器信息采集。包括模拟信号传感器数据预处理，滤波去干扰，数字信号传感器寄存器的读写。传感器采样值可能存在毛刺，需要对采样的数据进行预处理，采用加权平滑算法，平滑和均衡采样值，减小数据突变带来的误差。

(4)传感器信息融合判断。建立多个传感器互为补偿机制，优化传感器阵列组合，提高探测器报警准确性、实时性，降低误报率。

(5)制定火灾探测器报警策略。针对电池箱的应用环境，探测器传感器需要制定相应的报警策略。根据前面分析可知，动力锂电池在热失控早期阶段主要是气体和烟雾变化，环境温度变换较慢，到后期环境温度上升快，出现明火甚至轰然。因此烟雾和气体探测作为一级报警，温度有一定变化时为二级报警，探测到光信号、气体和烟雾时为最高三级报警。当出现光信号，但没有气体、烟雾信号时，可认为电池并未发生热失控，而是电池箱内部绝缘缺陷造成内部局部放电，给电池箱安全带来风险，因此作为单独电火花报警。

(6)将探测信息通过CAN总线上传至BMS/整车CAN。CAN接口协议需要符合整车CAN网络协议规范。

软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

3 试验验证

使用欧硕星J04008型高压发生器，在电池箱不同位置产生电火花，观察探测器响应情况。在电池箱内分配了10个测试点位，在每个测试点位上放置高压发生器火花输出头，如图7所示。测试前将电池箱漏光孔都做了填充处理，使其能够完全密闭，避免外界光源干扰，采用过孔密闭的方式将传感器信号线和电火花发生器供电开关引到外界控制。通过CAN总线，将测试结果周期发送至上位机。同时，利用高速相机测量系统响应时间，测试结果如表1所示。