基于硅光電二極管的動力鋰電池火災探測器設計

余岑

（安徽軍工集團控股有限公司，安徽合肥，230001）

0 引言

動力鋰電池由于存在電濫用，機械濫用和熱濫用等問題，導致極端情況下電池發生熱失控，嚴重時爆炸起火。通過監測鋰電池熱失控初期的特征，如氣體、煙霧等，在鋰電池出現明火前噴放滅火劑，形成惰化環境，降低鋰電池出現明火的概率[1]。傳統煙溫感探測器自動觸發滅火依賴環境溫度明顯變化，然而此時電池箱內往往已經開始爆燃。此外，電池箱長期使用過程，內部絕緣劣化或機械振動引起絕緣缺陷，造成內部局部放電，也給電池箱安全帶來風險。

基于硅光電二極管的火災探測器，能根據煙霧和氣體變化發出初級熱失控報警，提示手動觸發滅火器；發現電火花時發出放電報警；發現煙霧、火焰等時發出高級火災報警，自動觸發滅火器。

1 動力鋰電池火災發生過程

車輛在行駛過程的碰撞進而引起電池刺穿短路，或者電池過充引起的電池內部枝晶生長，都會破壞電池內部的SEI隔膜，造成電解液與負極發生化學反應。熱失控發生初期，少量氣體逸出，電池開始鼓包；進而沖開電池安全閥，大量可燃氣體產生，電池內部溫度也開始快速升高；進一步，出現明火，如果此時再不進行火情抑制，則火焰開始蔓延、火災面積迅速擴大，進入到火災的充分發展階段。受限空間內的可燃物由于受到火焰輻射熱量的作用而熱解、氣化，至臨界溫度時，可燃氣體將會驟然起火，溫度迅速上升，使燃燒變得十分劇烈，發生轟燃現象[2]。

2 火災探測器設計

鋰離子電池在發生熱失控時，會釋放出大量碳氫化合物和可燃氣體，以及煙霧顆粒，對這些氣體和顆粒物探測就是早期熱失控報警依據。發生燃燒時，燃燒的火焰波長覆蓋了紫外、可見光、紅外光波段。對特定波段的光譜檢測也就是判斷火焰或電火花的依據。

2.1 硬件設計

探測器電路主要包括電源電路，主控芯片及外圍電路，傳感器及外圍電路，通信模塊等。硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

(1)硅光電傳感器。硅光電二極管其工作原理是其PN結通過吸收光子的能量釋放和加速半導體的載流子產生電信號，實現光電轉換。硅光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱；有光照射二極管時，會產生與光照度成比例的微弱電流。

通常，火焰燃燒時產生的紫外光譜波段分布在105～380nm之間，可見光分布在380～780nm之間，紅外光在780nm以上。電池箱一般外殼防護等級達到IP68，是防水防塵等級最高標準。因此，箱內火焰探測可不考慮太陽光的干擾。本文選擇一種硅光電二極QY-S1010SM，其光譜響應曲線如圖2所示。光譜響應范圍從320nm～1100nm，峰值波長λp為940nm，可很好對電火花和火焰響應。

圖2 QY-S1010SM光譜特性

光電二極管的輸出端看成電流源，對其進行電流－電壓轉換，這需要將光電二極管和信號電壓隔離開，并使得運算放大器的電流－電壓轉換器成為基本的光電二極管放大器[3]。如圖3所示，在光電二極管放大電路中，VDDA為3.3V，AGND為信號地。R26的作用是將電流信號放大，電容C28的作用是使電路更加穩定，避免產生振鈴現象[4]。

圖3 QY-S1010SM傳感器信號放大電路

(2)氣體傳感器采用煒盛的MP-2半導體傳感器，采用多層厚膜制造工藝，對烷烴等烴類氣體有很好響應。當傳感器檢測到烴類氣體時，其電導率會發生變化。設計一種加熱電壓電路和測試電壓電路，即可將電導率的變化轉化成電壓信號變化，單片機將電壓信號采集處理，最終將氣體濃度與電壓信號對應起來。其測試電路原理圖如圖4所示，其中VB為5V的加熱電壓，加在傳感器的1,2腳，可為直流電壓或交流電壓。Vc為測試電壓，必須為直流電壓，RL為負載電阻，根據應用可調整其大小。

圖4 氣體測試電路

(3)煙霧傳感器采用半導體芯片級傳感器ADPD188BI，通過I2C與單片機通信，采用藍光與紅外光兩個LED，配合使用迷宮具有較好的抗干擾性，能夠區分不同大小的顆粒，有助于減少蒸汽和灰塵引起的誤報，解決了傳統單光煙霧傳感器所存在的干擾弊端。ADPD188BI 支持I2C和SPI兩種通信方式，探測器為了減少連線，采用IIC通信。處理器的 SDA 與 ADPD188BI 模塊的 SDA 相接，處理器的 SCL 與 ADPD188BI 模塊的 SCL 相連[5]。引腳圖如圖5所示。

圖5 ADPD188BI引腳圖

(4)主控芯片采用STM32F103C8T6，基于ARM Cortex-M內核，具有2路I2C總線接口和1路CAN總線接口。溫度傳感器采用DS18B20，單總線數字傳感器精度高、穩定性強，一根信號線即可實現主控芯片對傳感器寄存器讀寫，節省了硬件資源。CAN收發器采用恩智浦高速CAN收發器TJA1044T，具備良好的EMC性能。為了防止共模干擾信號造成通信總線信號傳輸不穩定，在TJA1044T的CANH和CANL連接總線的引腳出線方向上使用ACT45B-510共模濾波器消除干擾信號。 最后CAN信號連接到BMS/整車CAN。

2.2 軟件設計

探測器軟件主要功能包括：

(1)上電初始化單片機I/O口，功能模塊。以ADC功能模塊為例，單片機控制光電二極管的I/O口要打開端口時鐘，設置成模擬輸入模式，設置ADC單通道連續轉化模式，無需外部觸發，通過軟件觸發，并設置采樣周期為55.5個時鐘周期，采樣結果通過DMA傳輸。部分代碼如下：

(2)傳感器、滅火器輸出驅動接口、通訊接口等硬件故障自檢。為防止傳感器老化或受到電沖擊、機械振動等意外情形導致傳感器失效情況，需快速準確定位判斷傳感器有無對地或電源短路故障、開路故障等故障類別，設計傳感器故障檢測電路，對傳感器進行熱調制。通過傳感器調制與特征選擇技術,建立多檢測模型,由不同模型檢測結果的一致性判斷是否出現故障。

(3)傳感器信息采集。包括模擬信號傳感器數據預處理，濾波去干擾，數字信號傳感器寄存器的讀寫。傳感器采樣值可能存在毛刺，需要對采樣的數據進行預處理，采用加權平滑算法，平滑和均衡采樣值，減小數據突變帶來的誤差。

(4)傳感器信息融合判斷。建立多個傳感器互為補償機制，優化傳感器陣列組合，提高探測器報警準確性、實時性，降低誤報率。

(5)制定火災探測器報警策略。針對電池箱的應用環境，探測器傳感器需要制定相應的報警策略。根據前面分析可知，動力鋰電池在熱失控早期階段主要是氣體和煙霧變化，環境溫度變換較慢，到后期環境溫度上升快，出現明火甚至轟然。因此煙霧和氣體探測作為一級報警，溫度有一定變化時為二級報警，探測到光信號、氣體和煙霧時為最高三級報警。當出現光信號，但沒有氣體、煙霧信號時，可認為電池并未發生熱失控，而是電池箱內部絕緣缺陷造成內部局部放電，給電池箱安全帶來風險，因此作為單獨電火花報警。

(6)將探測信息通過CAN總線上傳至BMS/整車CAN。CAN接口協議需要符合整車CAN網絡協議規范。

軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3 試驗驗證

使用歐碩星J04008型高壓發生器，在電池箱不同位置產生電火花，觀察探測器響應情況。在電池箱內分配了10個測試點位，在每個測試點位上放置高壓發生器火花輸出頭，如圖7所示。測試前將電池箱漏光孔都做了填充處理，使其能夠完全密閉，避免外界光源干擾，采用過孔密閉的方式將傳感器信號線和電火花發生器供電開關引到外界控制。通過CAN總線，將測試結果周期發送至上位機。同時，利用高速相機測量系統響應時間，測試結果如表1所示。

表1 探測器對電火花響應

圖7 電火花試驗

由表1可知，測試點位置對探測的信號強度有一定的影響。位于探測器同一側的測試點信號強度較強，位于電池另一側的測試點由于電池的遮擋強度相對較弱。但所有測試點出現的電火花都能被快速檢測到。因此，硅光電二極管可用于監測電池箱內高壓放電產生的電火花或者電池熱失控燃燒產生的明火。

4 結論

基于硅光電二極管設計的火災探測器，能快速識別電池箱內高壓放電造成的安全隱患，同時集成的煙霧，氣體，溫度傳感器根據熱失控發展的特點采用分級報警，降低了動力鋰電池火災帶來的危害。