新能源汽车用电池的监测与防自燃报警的系统设计研究

摘要：针对新能源汽车用电池高温、自燃风险，基于交互设计理念提出并设计一种分别由主控、测温、通信、电源、降温、交互显示等模块组成的新能源汽车用电池监测与防自燃报警系统。该系统基于单片机进行数据信息交互，通过智能风冷系统灭火降温，由内置无线终端进行数字化信号传感和技术传输，实时进行电源电池温度监测和防自燃轰鸣报警。测试表明，系统冗余性好，功能交互性强，可为新能源用车电池管理系统设计提供支持。

关键词：新能源汽车；车用电池；安全监测；防自燃报警；系统设计

中图分类号：U469.7 收稿日期：2023-03-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.019

1 系统总体设计

本研究设计的新能源汽车用电池的监测与防自燃报警系统，分别由主控、测温、通信、电源、降温、交互显示等模块组成。不同模块具备的功能并不相同，其中，温度监测模块的主要功能是用于实时监测和显示新能源汽车用电池的初始运行温度、冷却降温后的实际温度以及外界环境温度等[1-2]。辅助降温功能则是通过风冷系统的智能化控制，当电池运行温度超过相应的阈值后实现自启动降温；当电池温度超过40 ℃时，系统会实现高温预警，并通过蜂鸣器进行报警，此时，系统内置的无线通信模块会迅速拨通用户电话，向其发送高温预警提醒信息。如果电池发生高温火灾时，系统会及时喷射气溶胶实时进行灭火降温，并将空气中的可燃物和氧气阻断，从而起到良好的灭火降温效果[3]。

2 系统硬件模块设计

2.1 系统硬件模块组成及其功能

2.1.1 系统构成

该系统的硬件模块主要包括单片机、GPRS数据通信模块、SIM天线、系统主芯片和内置温度传感技术装置、报警蜂鸣器、液晶屏幕、全自动灭火控制电源及气溶胶灭火装置，以及智能化的风冷降温系统等。

2.1.2 数据采集与处理

该系统工作运行时，先由STC89C52单片机进行芯片装置处理数据，再经过I/O数字信号与模拟信号转换，将系统采集的温度数字信号实时转换为相应的数据，通过系统内置的温度传感器进行电池温度监测，系统会自动判断电池运行是否出现高温状态以及存在自然爆炸等危险隐患，然后根据系统判断结果，自动开启或关闭风冷降温系统。无线通信装置会通过GPRS信号传输，将数据传输给控制终端以及液晶显示屏，一旦出现危险隐患，系统会实现迅速报警并及时启动轰鸣器[4]。

2.1.3 自动灭火

在系统正常工作运行的工况之下，系统蜂鸣器会通过主控ULN2003D芯片实现数字信号转换逻辑智能控制，无论是直接控制还是间接控制，降温风冷系统会被该智能芯片监测控制，一旦发生自燃危险，系统会迅速启动全自动气溶胶灭火器进行电池火情控制，另外，该系统还内置了液晶显示器以及用于数据传输的电池模块，主要用于电池温度实时显示以及系统运行供电。

2.1.4 系统工作原理

该系统硬件模块中的STC89C52处理芯片主要用于对系统温度传感器以及温度传感器技术终端模块的主控逻辑功能进行控制。a.系统通过温度传感器采集相关的温度数据，并由无线通信模块实时发送给系统液晶显示屏，再将相关监测数据传输到云端进行数据存储备份；b.系统温度传感器将数据传输到终端控制室，并根据实时监测结果来判断分析是否开启风冷降温装置以及实现高温自燃报警，一旦出现火情，及时采取灭火措施。

2.2 系统硬件功能的实现

2.2.1 系统硬件设计

该系统内置了STC89C52处理芯片，采用低功耗的单片机进行系统逻辑运行控制；系统内置反应速率超高的8位标准的MCS-51内核核心组件模块。系统运行时，由SIM900A模块进行GPRS无线通信，该数据通信模块在900/1 800 MHz的双工作频段下实现低功耗运行，运行时SIM900A模块能够支持LVTTL和RS232两大技术串口，实现传真、信息、彩信、短信等不同信息的及时传输。在GPRS无线通信过程中，系统自带相应的硬件，通过与89C52单片机便捷化连接，可在5～24 V的超宽范围内进行工作运行，系统可实现GPRS数据、短信信息、语音、彩信信息传输等数据及时传输。

2.2.2 系统工作流程

当系统监测到电池在高温下运行工作时，就会通过内置的数字温度传感器进行实时温度检测，该DS18b20温度监测终端能够在-55～+125℃的温度范围内进行工作，数据传输误差约0.1℃，监测后的温度数据能够在单线接口上串行发送到相应的数据处理终端模块[5]。

a.高温检测。当系统监测到电池温度异常后，接通有源SFM-27高分贝蜂鸣报警器。该报警装置的谐振频率和主体直径分别为（3 000±500）Hz和30 mm，它具有声音传输量级大、运行稳定可靠和结构小等技术优点。

b.降温系统。主要通过内置的12 V、1.6 A风冷系统实现智能化降温，该款降温系统的尺寸为8 cm×8 cm，运行风力较强，不仅降温效果十分显著，而且运行功耗非常小。此外，系统温度监测结果还可通过LCD1602显示器模块来显示，它主要由HD44100扩展驱动电路、HD44780字符型LCD液晶显示屏以及控制驱动主电路组成。系统内置了大电容、电源构件和少量电阻等元件，它们都被内置于电源功耗较小的PCB板中。ULN2003由7个硅NPN达林顿管所组成的达林顿陈列，输入电平为5VTTL，可直接驱动高耐压、大电流的继电器等负载，同时能够输出可用于蜂鸣器与电动机驱动的500 mA/50 V。

c.灭火启动。系统在电池模块遇到火情等特殊情况时，采取自动感应、自动预防的全自动气溶胶灭火器进行自动灭火，该灭火系统体积小，灭火速度快。当外界温度高达170 ℃时，灭火系统会在6 s之内，在密闭的空间内实现快速灭火。为了实现对车用电池的监测与防自燃报警系统硬件模块进行供电，系统采用20 000 WmA·H、5 V容量的充电宝进行实时供电，该电源能够重复使用，安全性高。图1为系统硬件功能电路原理图。

2.3 系统硬件功能交互设计

该交互模块采用模块化封装设计原理，在硬件电路连接过程中，系统采用模块化封装模式将GPRS通信技术模块、由蜂鸣报警器模块、DS18b20温度传感器模块以及LCD显示屏、灭火器、全自动降温系统等交互模块封装到一起，通过二次封装磁吸固定，形成了实物未封装模块，该系统可靠性高，外观结构十分美观小巧，便于使用，易于交互[6]。

3 系统软件设计

该系统的主控运行程序和系统自动报警监测模块运行软件流程图见图2所示。由图2可以看出，在系统主运行程序部分，当系统上电开始工作运行之后，监测管理模块开始初始化运行，并迅速启动相应的系统子程序，该部分系统的软件监测功能包括寄存器清零、设定I/O口输入状态、设定I/O口输出状态以及定时器初始化运行等，系统通过通信模块自适应配置，会由DS18B20监测终端将系统实时监测收集到的新能源汽车用电池的实际运行温度以数字信号的方式，输入到单片机数据处理终端系统，系统经过数据转换处理之后，将监测温度及数据处理结果实时显示到系统LED显示屏幕中，然后系统会根据监测结果来进一步分析判断是否执行风冷系统降温或系统报高温警等动作指令[7]。

4 系统测试

4.1 风冷降温系统测试

为了有效测试系统运行温度以及风冷降温系统对新能源汽车用电池的实时降温效果，本研究在34 ℃的外界温度条件下进行风冷降温系统降温效果测试和系统自启动响应速率测试，实时测试温度结果与系统运行初始温度统计如表1所示。

由表1测试数据结果显示：当新能源汽车bCJbcncwt0eH7EsGhSgZmw==用电池实时运行温度小于39.8 ℃时，风冷降温系统保持关闭状态，未实现自启动运行，说明该风冷降温系统具有良好的智能控制监测效果；当新能源汽车用电池实时运行温度逐渐上升到43.9 ℃时，发现该风冷降温系统实现了自启动运行，当其持续工作运行大约15 min之后，监测发现，新能源汽车用电池实时运行温度降低到33.8 ℃。该系统的智能化运行，使得新能源汽车用电池实时运行温度下降10 ℃左右。在系统停止运行一段时间后，该新能源汽车用电池实时运行温度上升到了46.4 ℃，当风冷降温系统启动并连续工作约15 min，电池温度迅速下降到37.5 ℃。

相比来讲，在风冷系统未实现智能启动运行时，该新能源汽车用电池实时运行温度下约降了9 ℃；在新能源汽车用电池温度上升到56.3 ℃之后，风冷系统迅速自启动，运行15 min后，电池实时温度很快下降到42.1 ℃。与风冷系统未启动时的温度相比，系统智能降温使新能源汽车用电池温度下降了13.2 ℃。

上述测试数据结果充分表明，该风冷降温系统的智能监测和温控功能良好，系统具有很好的自启动效能，当新能源汽车用电池温度上升速度越快时，该风冷降温的降温效果越好。

4.2 系统入网功能测试

为了测试该系统的实时入网功能，在测试模块上电之前，事先在图3所示的SIM卡卡座中将SIM卡插入相应的位置。经测试发现，当该测试模块实现快速通电后，SIM900A模块会迅速实现工作运行；在系统上电后，SIM900A模块中会实时亮起两个接入电源的系统信号指示灯，其中，D6指示灯会实现连续闪烁，指示灯D5会连续工作运行，即显示“常亮”的状态。当系统入网后，两个指示灯会在通信模块上稳定工作运行。在这种测试工况下，即可通过实施判断和观察这两个不同的信号指示灯的运行状态来分析系统入网功能以及实时通信工作状态。

5 结语

研究表明，该系统符合设计要求。当新能源汽车实时运行温度达到40 ℃时，系统进行车用电池的智能监测与预报警和辅助降温；当新能源汽车实时运行温度达到60 ℃时，系统开启远程报警保证新能源汽车安全，减少自燃事故发生。经系统运行功能测试，该新型新能源汽车用电池监测与防自燃报警系统可靠性强，安全方便，响应速率快，达到了预期设计功能要求。

参考文献：

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[2]邓元望，尹会春，鄂加强，等.电动汽车电池组绝缘监测方法研究[J].湖南电力，2023，43（1）：46-49+57.

[3]方嘉昱.混合动力汽车锂电池在线监测系统研究[D].杭州：浙江科技学院，2022.

[4]张秋艳，高平安，李天鹏，等.电动汽车车载电池状态信息远程监测系统[J].现代信息科技，2021，5（23）：37-39.

[5]杨燕子.电动汽车电池状态在线监测装置研究与设计[D].兰州：兰州理工大学，2021.

[6]周新，陈忠恺.新能源汽车动力电池健康状态监测的研究[J].内燃机与配件，2021（12）：164-165.

[7]黄琼，尚丽平，应全红，等.新能源汽车用锂离子电池组在线安全监测研究[J].汽车零部件，2020（4）：81-84.

作者简介：

王蓬勃，男，1980年生，工程师，研究方向为车辆工程。