一種電池箱動力電池火情報警系統設計

李玉廣

摘 要：電池箱動力電池的內部短路、過充過放和外部短路易導致熱失控的發生，在其過程中會產生大量的煙霧和氣體。為了能夠準確判斷火情報警情況，本系統采用高靈敏度的傳感器，研究電池箱動力電池發生熱失控前期煙霧和氣體濃度變化，根據熱失控發展規律，設定探測閾值，當傳感器探測煙霧和氣體濃度達到報警閾值時，向報警主機或電池管理系統（BMS）發出報警信號，以實現高效的早期報警，準備可靠的火災判斷。該系統經多次試驗驗證，穩定可靠。

關鍵詞：熱失控；氣體傳感器；煙霧傳感器；BMS；STM8S003F3P6

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：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

鋰離子電池的熱失控包括3個階段[1][2]：（1）90℃時開始陽極反應，當溫度升至120℃時，SEI層開始分解，導致鋰碳負極電解液減少；（2）溫度超過140℃時，正極發生放熱反應，氧氣快速產生；（3）溫度超過180℃時，正極分解，電解液氧化，快速放熱。

鋰離子電池在化成階段產生氣體的主要原因是電解液與電極表面在初次放電時形成了SEI層，電解液溶劑體系發生分解，釋放大量烴類的氣體[3]。Ohsaki等[4]研究鋰離子電池熱效應中所產生氣體組成，正極主要產生CO2和CO，還有少量CH4，負極產生高度可燃性氣體，主要是H2，還有少部分CH4、C2H4、C2H6等。

本文利用高靈敏度的氣體傳感器和煙霧傳感器，探測鋰離子電池經化成、短路、熱沖擊和過充過放中產生的氣體與煙霧成分，當檢測濃度達到了報警閾值，發出聲光報警信號，提醒駕駛員停車檢查電池情況，可以做到提前報警，及時干預。

2 系統硬件設計

如圖1所示，本系統主要由電源模塊、氣體傳感器處理電路、煙霧傳感器處理電路、火情報警單元等組成，氣體傳感器和煙霧傳感器與火情報警單元進行模擬數字轉換器（ADC）連接。

2.1 電源控制電路

電源控制電路主要由XL1509-5.0電源芯片及輸入、輸出濾波電路組成，如圖2所示。XL1509是一個150KHz固定頻率脈沖調制DC/DC轉換器，具有寬輸入電壓范圍，2A負載調節能力好且效率高，低紋波和極好的線性。特別適合于對電源特性要求極高的傳感器應用電路中。

2.2 STM8S003F3P6系統電路

如圖3所示，本系統采用STM8S系列單片機，和傳統單片機相比工作電壓范圍更寬，供電電壓2.95V～5.5V。具有高達20MIPS的CPU性能，最大工作頻率可達16MHz。它的外設包括：10位ADC、UART、SPI、I2C、CAN、LIN、IR、LCD驅動接口、1～2位基本定時器、1～2個16位一般定時器、1個16位高級定時器和6路互補PWM輸出端口等。豐富的外設可以實現精確的控制和監視功能，一個10位模數轉換器可以配置16路A/D輸入通道，先進的16位定時器特別為傳感器控制做了優化設計，6路互補PWM端口與ADC轉換輸入做了可重配置定義，可以獲得最大的ADC轉換路數。所以這款芯片非常適合傳感器數據采集與處理的低成本低功耗控制要求。

2.3 氣體傳感器處理電路

SGM8042具有低靜態電流，典型值為670nA、在Vs為5V時，帶寬增益可達14.5KHz，且增益穩定、寬電源電壓范圍：1.4V～5.5V。這些規格使運放放大器適應于低頻應用，比如傳感器應用。

如圖4所示，氣體傳感器處理電路功能有兩部分：1是由MMBFJ177LT1G、U1B和氣體傳感器等組成反相控制電路，作用是保持參考電極與工作電極之間的電壓來控制電化學反應并輸出與之成比例的輸出信號；2是由U1A、熱敏電阻和反饋電阻等組成非反相放大器，由氣體傳感器電流變化通過RL1和U1B得到電壓經U1A正相放大與低通濾波送入火情報警單位處理。當電路沒有電源時，為了防止傳感器被極化，MMBFJ177LT1G通常作為一個開關使用。高電平時，保持傳感器信號輸出，低電平關斷信號輸出。endprint

2.4 煙霧傳感器處理電路

如圖5所示，煙霧傳感器處理電路功能由兩部分組成，1是由R11、R12、MMBT3904和煙霧傳感器等組成預加熱電路。PC5輸出高電平，加熱開關接通，在空氣中加熱大約5min，加熱電阻趨于穩定。煙霧傳感器處于正常工作狀態。2是煙霧傳感器和輸入濾波穩壓電路組成?？諝庵袩熿F濃度越高，傳感器的電導率越高，元件電阻會變小，直到趨于穩定。通過該電路就可以把這種電導率的變化轉換成與煙霧濃度對應的輸出信號。

2.5 繼電器報警輸出電路

由圖6知，繼電器報警輸出電路主要由接口P1、繼電器K1、三極管Q2、二極管D2等組成。當氣體和煙霧傳感器都發生報警時，圖3中的D4、D6不停地閃爍。火情報警單元PA3輸出高電平，驅動Q2開關，繼電器K1吸合，開關閉合，向報警主機或BMS發出報警信號。

3 系統軟件設計流程

軟件設計流程流程如下：（1）氣體傳感器、煙霧傳感器進行標定，確定報警閾值；（2）火情報警系統上電，傳感器進行預熱處理，大約5min；（3）當動力電池箱發生熱失控前期時，釋放大量氣體和煙霧，氣體傳感器監測氣體濃度，當達到設定閾值，發生報警，點亮綠色LED燈、煙霧傳感器監測煙霧濃度，當達到設定閾值，發生報警，點亮紅色LED燈；（4）火情報警單元接收到氣體和煙霧報警，向報警主機或BMS通過繼電器發出信號，進行聲光報警。

4 結束語

本系統采用了高靈敏度的集成傳感器，能夠在動力電池箱發生熱失控前探測煙霧和氣體過程變化，根據熱失控過程規律變化，進行數值標定。當電池箱煙霧或氣體濃度達到報警閾值時，向報警主機或BMS發出報警信號，以實現高效的早期報警，可靠的火情判斷。該系統在動力電池火情報警行業中切實可行且穩定高效。

參考文獻：

[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]黃麗，金明鋼，等.集合物鋰離子蓄電池氣脹原因的初步探討[J].電源技術，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