基于STM32的动力锂电池火灾报警装置设计研究

刘文颖 唐嘉晨

摘要：近几年，新能源汽车得到了广泛的推广和应用，但是由于动力锂电池使用安全问题，为新能源汽车的发展和进步带来了负面影响。为了提升动力锂电池火灾预警响应效率与速度，降低误报率，需要基于STM32系统设计出动力锂电池火灾报警装置，并且使用至少四种传感设备从不用角度详细探测电池运转环境，结合电池预警实际情况，选择出一种适合系统运行的预警方案。

关键词：动力锂电池；报警装置；运行模式；电池设备

新能源汽车是我国全新发展产业之一。近几年，新能源汽车迎来了全新发展时期，但是随着动力锂电池使用安全性的问题越来越多，锂电池所产生的火灾问题和损失也逐渐增加。

一、动力锂电池概论

锂动力电池是20世纪开发成功的新型高能电池HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E9%AB%98%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0/10535629？fromModule=lemma_inlink"＼t"https：//baike.baidu.com/item/%E9%94%82%E5%8A%A8%E5%8A%9B%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"。这种电池的负极是金属锂，因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中。

电动汽车在日常行驶和使用过程中，其基础续航时间、价格以及充电时间均不同，主要原因是汽车的动力锂电池种类有区别。动力电池一般被称为汽车电池包，从本质上来看，电池包则是依靠单组的或者单个电池内芯构成。首先汽车内部一定数量的电池内芯相互组合在一起，最后形成电池模型小组，随后多个电池小组再被相互组合到一起，最终形成电池小组，此种以组合形式所进行的电池使用模式有利于汽车对于电池使用情况进行统一管理和系统化管控，因此动力电池自身具有较高的安全性。

（一）电池类型

按照电池结构的划分，电池内芯一般被分为圆柱形电池结构、方形电池结构以及软包电池结构，现阶段三种运行模式的电池内芯在新能源汽车上都被应用，比如特斯拉汽车一般选择圆柱形电池模式，而日产汽车则使用软包电池。圆柱形电池是人们日常生活中常见的电池存在形式，所以车辆所使用的电池设备自身具有独特的适用型号，比如：18650、21700 型号等，而此种汽车电池型号数字编码中，前两位数字一般表示电池占地直径参数，单位为毫米，第三、四位数字则表示电池高度参数，而最后一位表示电池的外部形态。由于圆柱形电池自生产过程中普遍具有相对统一的生产规格，所以如果想要进行小组打包则十分便捷，但是由于此种电池的电力能量密度和规格会受到限制，所以电池的基础容量也会受到影响［1］。

方形电池通常为铝材质制作或者钢材质制作的方形外殼电池，此种电池并没有相对统一的生产规格约束与限制，能够根据用户或者车辆的实际需求进行个人定制，所以相对于传统的圆形电池来说，此种电池的能量密度参数较高，并且电池重量轻。但是由于此种外形结构在长时间使用之后其边角位置会产生明显的电解液性能弱化现象，从而影响电池使用性能。

（二）电池特点

1.重量较轻

相比于传统电池结构，动力锂电池的基础能量为150Wh/Kg，是镍氢电池结构的2倍，所以动力锂电池的结构重量是相同重量体积镍氢电池的三分之一。从重量角度来看，动力锂电池所需要消耗的资源相对较小，由于电动汽车电池内部结构相对比较简单，所以电池和整体车辆重量较轻，在相同电压、容量的电池设备可以行驶的里程则更长。

2.体积小

动力锂电池自身体积相对更小，该电池在生产过程中体积仅仅是传统铅酸电池的二分之一，同时锂电池在外表设计上可以为电动车辆提供更科学、合理的内部结构与外部形态。由于电动汽车内部设计过程中，其供电设备受到了铅酸电池体积和重量的约束，设计人员受到了极大的约束，导致电动汽车电池设备在外观结构上十分雷同。而动力锂电池的合理使用为设计人员提供了更为广泛且全面的设计思维模式与想象空间。但是此种动力锂电池的设计现状同样造成电池尺寸数据具有多样化，不利于电池行业的安全性与通用性。随着电力汽车发展进程不断被推进，越来越多的企业在电动汽车的电能储存模式上选择锂电池，然而锂电池应用的广泛性、不同生产材料、生产工艺所产生的差异性导致动力锂电池生产的统一性成为技术研究的重点问题［2］。

（三）动力锂电池火灾报警参数特点

车辆行驶过程中，动力锂电池如果产生热量失控问题产生之前，电池内部必然会产生明显的热量问题，其主要问题则是由于电化学反应热量以及电池极化热量，最终产生一定可燃气体物质，比如：电池内部的有机材料受到热量分解反应以及电池正负极氧化还原反应等。加上如果电池内部的电解液体环境中产生大量的有机溶液物质，一旦产生热量失控则会产生大量氧气以及一氧化碳物质，此时如果不能及时进行技术处理，则会随着热量失控进一步损坏电池内部结构稳定性，而电解液物质的剧烈反应还会释放出巨大的热量物质，直至将电池损坏，其内部结构的可燃气体会大量喷出，并且产生大量烟雾物质。

（四）动力锂电池火灾产生原因

动力锂电池在运转过程中所产生的火灾原因相对比较复杂且多变，比如：剧烈碰撞、结构挤压等都会导致锂电池产生机械类型的形变问题，其电池内部的隔膜产生明显的损坏问题。或者动力电池设备过度充电或者放电则会导致电池内部结构的晶体不断生长，一旦电池所处环境过热，电池正负极基础隔膜会不断被分解，此时隔膜受到损坏之后，电池的正负极与电解质溶解相互反应产生巨大的热量，从而加剧了电池正负极与结合试剂的化学反应效果，进一步造成电池电解溶液的不断分解，最终导致电池产生火灾，甚至是爆炸问题［3］。

（五）动力锂电池火灾报警装置设计方案

根据动力锂电池火灾报警装置运转现状以及失控流程进行详细分析最终得知：动力锂电池设备所产生的热量失控则是一种随着烟雾、光线以及热量的化学反应流程，因此实际开展动力锂电池火灾报警装置设计方案时，应通过对电池内部结构电解液体挥发物质、炭烧特殊气体物质、烟雾颗粒以及电池外部环境温度等特点进行详细的探测处理，以此作为基础条件进一步分析火灾产生与发展阶段［7］。

1．预警硬件设计

由于动力锂电池设备硬件结构主要包含以下几个管理模块，其中包含：系统主要控制芯片、外围保护电路、电池控制模拟信号传感设备、数字信号控制设备以及信息通信模块等。

（1）主控芯片

主控芯片是动力锂电池火灾报警装置设计方案中最小的功能系统，该系统主要包含微型控制设备、电池内部结构晶体振荡控制区域以及电池复位控制区域等。所以为保证动力锂电池可以正常运转，主要控制芯片需要使用型号为STM32F103系列，该设备系列具有至少3个ADC，其系统运转精度为12位，其中每一个系统的ADC系统具有至少16条连接通道。除此之外，该系统还具有2路总线路连接端口以及1路CAN总体线路连接端口，同时电池设备内部管理模块需要选择汽车专用等级的电源控制芯片，由于该芯片从本质上来看是一种集合高压、高电流的开关调节设备，所以为保证电池正常运转，电池设备的电压参数需要设定为3.3-3.6V，其电池的静态电流最小可以达到3uA［4］。

（2）信号模拟电路

信号模拟电路在动力锂电池火灾报警装置设计方案中，主要包含：VOC传感设备以及一氧化碳传感设备，其中VOC传感设备能够有效检测电解液挥发物质使用型号为MEMS的薄膜半导体气体敏感传感设备，因此此种电路结构对于电解液发挥物质中烷烃类气体具有较高的选择性［5］。

信号模拟电路在实际建设环节上，主要包含气体敏感传感设备以及外壳保护装置，其中气体敏感传感设备主要由型号为MEMS基础芯片以及外部保护薄膜组成，其中MEMS基础芯片有效结合硅胶基础结构、加热电机设备以及信息数据测算等区域，所以使用此种系统生产的气体敏感传感设备芯片普遍具有尺寸较小、系统性高等优势。

气体敏感传感设备的运转流程主要包含：金属氧化物质在空气环境中一旦加热至一定温度参数之后，空气环境中氧气物质被吸附在携带正负电荷的晶体物质表面，此时晶体物质表面所产生的能量元素则被电子所转移，最终在金属氧化物质空间环境中形成正向电荷，長期以往，金属氧化物质表面会形成相应的保护结构，有效阻碍电子元素的流动。

2.预警软件设计

（1）系统初始化

系统的预警软件进行方案设计时，系统初始化主要包含：控制始终、ADC管理模块、信息通信模块等环节，本系统在方案设计过程中为保证正常运转，经常使用8MHz 晶振管理系统，并且经过4倍运转频率的24MHz主要频率进行电池内部运行模式控制，经过分频最终得到ADC控制时钟，并且电池系统软件设计的GPIO端口则需要单独搭配系统运转模式进行模拟参数输入。除此之外，系统初始化应使用软件进行模拟操作，并给CAN信息通信则需要设定数据控制帧、拓展帧等，等待系统初始按成之后需要对系统内部结构上的所有连接端口科学、合理的配置，以此保证各个子系统的控制功能可以被科学配置，并且对硬件连接端口开展性能检测，比如：系统传感设备以及线路开路检测等方面，一旦发现系统产生故障问题之后，则需要立刻上传至BMS系统中。

（2）传感器信息处理

对于模拟信号传感设备来说，想要保证汽车电池系统可以正常运转，要根据系统运转实际情况设定ADC运转参数，以此作为样品收集标准，为保证电池系统正常运转，还应将模拟信号基础转化时间设定为7秒，并且所得到的结果要通过DMA进行信息传输。由于模拟信号传感设备在运行时，极易受到外部环境的影响和干扰，原始传感设备的样品实际数值可能产生明显的变异情况，针对此种现状需科学、合理的处理系统所产生的数据信息，通过加权平滑的参数计算形式，减少由于参数偶发信息数据的转变所产生负面作用。

对于电池设备的信息化传感设备来说，由于传感器内部已经产生的数据过滤波设备预处理，所以数据收集数值相对稳定与可靠。而单片设备想要正常运转，则要通过IIC传感器中的芯片所发出的控制信号，详细判断型号为ADPD188BI的设备是否能够胜任数据的收集和处理，并且在此基础条件上，获取电视设备上显示区域的红光参数以及蓝光参数，最终利用两种光源的结构占比，详细计算出电池设备内颗粒物质的直径数据，详细判断出电池设备所产生烟雾物质的重要类型。所以新能源车辆电池设备内部想要正常运转，需通过单体总线设定基础的工作模式，进一步转化系统精准程度，最后再想个1秒之后启动温度转化，详细测算电池温度控制设备的相关数值，最终转化为标准温度再上传。

（3）多项传感器融合技术

汽车电池系统中的火灾探测设备主要针对单项传感设备信号进行合理处理，并且以此作为核心条件，通过有效控制汽车电池系统的处理信号波动服务，进一步判断出电池设备所产生火灾风险的几率，其中包含判决门限以及变化斜率等技术方式，但是此种传统的监测技术手段在噪声较大时极易产生误报警问题。因此需要使用多项传感设备同时结合融合技术，结合多项传感器中所维度参数详细推测，有效拓展电池设备火灾产生种类，有效提高系统的基础灵敏程度，降低火灾误预报率［6］。

在动力锂电池火灾报警装置设计环节上，由于电池设备所产生的火灾预警信息普遍具有不确定性以及模糊性等特点，所以选择传感器时，信号的参数设定应基于电池模拟数据参数计算模式，并且有效将火灾探测技术方式按照一定模糊比例转化为模糊变量，同时将以上变量作为模糊推理的参数输入，按照预先定义好的规则推算出结论模糊变量，通过模糊化的计算流程有效转化为明确变量输出。其中语言设计规则对于电池火灾预警来说是十分重要的推算流程，是模拟处理系统的核心条件，最终决定了系统的准确性［8］。

结语

由此可见，本次研究所设计的动力锂电池火灾报警装置，在实际运行中普遍具有安全稳定等优势，能够有效满足对系能源汽车电池火灾报警的核心要求，使得报警装置在复杂的电池包环境下具备自学习功能。

参考文献

［1］ 余岑.基于STM32的动力锂电池火灾报警装置设计［J］.信息系统工程，2021（12）：77-80.

［2］ 陈帅，郗小鹏，张勇.STM32的无人机动力锂电池充电器设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2020，20（05）：68-71.

［3］ 李泓沛，刘桂雄，邓威.基于LSTM+UKF融合的动力锂电池SOC估算方法［J］.中国测试，2022，48（08）：22-28.

［4］ 张凯博，贾凯丽，徐晓明，等.涂炭铝箔对高能量密度LiFePO4动力电池的影响［J/OL］.储能科学与技术，2022 （12）：1-7.

［5］ 王宏伟，黄河，刘进程，等.电动汽车锂离子动力电池系统短路电流计算研究［J］.客车技术与研究，2022，44（04）：12-14.

［6］ 马彦，丁浩，牟洪元，等.车载动力电池液体冷却非线性优化方法研究［J］.中国公路学报，2022，35（08）：55-64.

［7］ 余岑.基于STM32的动力锂电池火灾报警装置设计［J］.信息系统工程，2021（12）：77-80.

［8］ 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（04）：155-156.