新能源汽車用電池的監測與防自燃報警的系統設計研究

摘要：針對新能源汽車用電池高溫、自燃風險，基于交互設計理念提出并設計一種分別由主控、測溫、通信、電源、降溫、交互顯示等模塊組成的新能源汽車用電池監測與防自燃報警系統。該系統基于單片機進行數據信息交互，通過智能風冷系統滅火降溫，由內置無線終端進行數字化信號傳感和技術傳輸，實時進行電源電池溫度監測和防自燃轟鳴報警。測試表明，系統冗余性好，功能交互性強，可為新能源用車電池管理系統設計提供支持。

關鍵詞：新能源汽車；車用電池；安全監測；防自燃報警；系統設計

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2023-03-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.019

1 系統總體設計

本研究設計的新能源汽車用電池的監測與防自燃報警系統，分別由主控、測溫、通信、電源、降溫、交互顯示等模塊組成。不同模塊具備的功能并不相同，其中，溫度監測模塊的主要功能是用于實時監測和顯示新能源汽車用電池的初始運行溫度、冷卻降溫后的實際溫度以及外界環境溫度等[1-2]。輔助降溫功能則是通過風冷系統的智能化控制，當電池運行溫度超過相應的閾值后實現自啟動降溫；當電池溫度超過40 ℃時，系統會實現高溫預警，并通過蜂鳴器進行報警，此時，系統內置的無線通信模塊會迅速撥通用戶電話，向其發送高溫預警提醒信息。如果電池發生高溫火災時，系統會及時噴射氣溶膠實時進行滅火降溫，并將空氣中的可燃物和氧氣阻斷，從而起到良好的滅火降溫效果[3]。

2 系統硬件模塊設計

2.1 系統硬件模塊組成及其功能

2.1.1 系統構成

該系統的硬件模塊主要包括單片機、GPRS數據通信模塊、SIM天線、系統主芯片和內置溫度傳感技術裝置、報警蜂鳴器、液晶屏幕、全自動滅火控制電源及氣溶膠滅火裝置，以及智能化的風冷降溫系統等。

2.1.2 數據采集與處理

該系統工作運行時，先由STC89C52單片機進行芯片裝置處理數據，再經過I/O數字信號與模擬信號轉換，將系統采集的溫度數字信號實時轉換為相應的數據，通過系統內置的溫度傳感器進行電池溫度監測，系統會自動判斷電池運行是否出現高溫狀態以及存在自然爆炸等危險隱患，然后根據系統判斷結果，自動開啟或關閉風冷降溫系統。無線通信裝置會通過GPRS信號傳輸，將數據傳輸給控制終端以及液晶顯示屏，一旦出現危險隱患，系統會實現迅速報警并及時啟動轟鳴器[4]。

2.1.3 自動滅火

在系統正常工作運行的工況之下，系統蜂鳴器會通過主控ULN2003D芯片實現數字信號轉換邏輯智能控制，無論是直接控制還是間接控制，降溫風冷系統會被該智能芯片監測控制，一旦發生自燃危險，系統會迅速啟動全自動氣溶膠滅火器進行電池火情控制，另外，該系統還內置了液晶顯示器以及用于數據傳輸的電池模塊，主要用于電池溫度實時顯示以及系統運行供電。

2.1.4 系統工作原理

該系統硬件模塊中的STC89C52處理芯片主要用于對系統溫度傳感器以及溫度傳感器技術終端模塊的主控邏輯功能進行控制。a.系統通過溫度傳感器采集相關的溫度數據，并由無線通信模塊實時發送給系統液晶顯示屏，再將相關監測數據傳輸到云端進行數據存儲備份；b.系統溫度傳感器將數據傳輸到終端控制室，并根據實時監測結果來判斷分析是否開啟風冷降溫裝置以及實現高溫自燃報警，一旦出現火情，及時采取滅火措施。

2.2 系統硬件功能的實現

2.2.1 系統硬件設計

該系統內置了STC89C52處理芯片，采用低功耗的單片機進行系統邏輯運行控制；系統內置反應速率超高的8位標準的MCS-51內核核心組件模塊。系統運行時，由SIM900A模塊進行GPRS無線通信，該數據通信模塊在900/1 800 MHz的雙工作頻段下實現低功耗運行，運行時SIM900A模塊能夠支持LVTTL和RS232兩大技術串口，實現傳真、信息、彩信、短信等不同信息的及時傳輸。在GPRS無線通信過程中，系統自帶相應的硬件，通過與89C52單片機便捷化連接，可在5～24 V的超寬范圍內進行工作運行，系統可實現GPRS數據、短信信息、語音、彩信信息傳輸等數據及時傳輸。

2.2.2 系統工作流程

當系統監測到電池在高溫下運行工作時，就會通過內置的數字溫度傳感器進行實時溫度檢測，該DS18b20溫度監測終端能夠在-55～+125℃的溫度范圍內進行工作，數據傳輸誤差約0.1℃，監測后的溫度數據能夠在單線接口上串行發送到相應的數據處理終端模塊[5]。

a.高溫檢測。當系統監測到電池溫度異常后，接通有源SFM-27高分貝蜂鳴報警器。該報警裝置的諧振頻率和主體直徑分別為（3 000±500）Hz和30 mm，它具有聲音傳輸量級大、運行穩定可靠和結構小等技術優點。

b.降溫系統。主要通過內置的12 V、1.6 A風冷系統實現智能化降溫，該款降溫系統的尺寸為8 cm×8 cm，運行風力較強，不僅降溫效果十分顯著，而且運行功耗非常小。此外，系統溫度監測結果還可通過LCD1602顯示器模塊來顯示，它主要由HD44100擴展驅動電路、HD44780字符型LCD液晶顯示屏以及控制驅動主電路組成。系統內置了大電容、電源構件和少量電阻等元件，它們都被內置于電源功耗較小的PCB板中。ULN2003由7個硅NPN達林頓管所組成的達林頓陳列，輸入電平為5VTTL，可直接驅動高耐壓、大電流的繼電器等負載，同時能夠輸出可用于蜂鳴器與電動機驅動的500 mA/50 V。

c.滅火啟動。系統在電池模塊遇到火情等特殊情況時，采取自動感應、自動預防的全自動氣溶膠滅火器進行自動滅火，該滅火系統體積小，滅火速度快。當外界溫度高達170 ℃時，滅火系統會在6 s之內，在密閉的空間內實現快速滅火。為了實現對車用電池的監測與防自燃報警系統硬件模塊進行供電，系統采用20 000 WmA·H、5 V容量的充電寶進行實時供電，該電源能夠重復使用，安全性高。圖1為系統硬件功能電路原理圖。

2.3 系統硬件功能交互設計

該交互模塊采用模塊化封裝設計原理，在硬件電路連接過程中，系統采用模塊化封裝模式將GPRS通信技術模塊、由蜂鳴報警器模塊、DS18b20溫度傳感器模塊以及LCD顯示屏、滅火器、全自動降溫系統等交互模塊封裝到一起，通過二次封裝磁吸固定，形成了實物未封裝模塊，該系統可靠性高，外觀結構十分美觀小巧，便于使用，易于交互[6]。

3 系統軟件設計

該系統的主控運行程序和系統自動報警監測模塊運行軟件流程圖見圖2所示。由圖2可以看出，在系統主運行程序部分，當系統上電開始工作運行之后，監測管理模塊開始初始化運行，并迅速啟動相應的系統子程序，該部分系統的軟件監測功能包括寄存器清零、設定I/O口輸入狀態、設定I/O口輸出狀態以及定時器初始化運行等，系統通過通信模塊自適應配置，會由DS18B20監測終端將系統實時監測收集到的新能源汽車用電池的實際運行溫度以數字信號的方式，輸入到單片機數據處理終端系統，系統經過數據轉換處理之后，將監測溫度及數據處理結果實時顯示到系統LED顯示屏幕中，然后系統會根據監測結果來進一步分析判斷是否執行風冷系統降溫或系統報高溫警等動作指令[7]。

4 系統測試

4.1 風冷降溫系統測試

為了有效測試系統運行溫度以及風冷降溫系統對新能源汽車用電池的實時降溫效果，本研究在34 ℃的外界溫度條件下進行風冷降溫系統降溫效果測試和系統自啟動響應速率測試，實時測試溫度結果與系統運行初始溫度統計如表1所示。

由表1測試數據結果顯示：當新能源汽車bCJbcncwt0eH7EsGhSgZmw==用電池實時運行溫度小于39.8 ℃時，風冷降溫系統保持關閉狀態，未實現自啟動運行，說明該風冷降溫系統具有良好的智能控制監測效果；當新能源汽車用電池實時運行溫度逐漸上升到43.9 ℃時，發現該風冷降溫系統實現了自啟動運行，當其持續工作運行大約15 min之后，監測發現，新能源汽車用電池實時運行溫度降低到33.8 ℃。該系統的智能化運行，使得新能源汽車用電池實時運行溫度下降10 ℃左右。在系統停止運行一段時間后，該新能源汽車用電池實時運行溫度上升到了46.4 ℃，當風冷降溫系統啟動并連續工作約15 min，電池溫度迅速下降到37.5 ℃。

相比來講，在風冷系統未實現智能啟動運行時，該新能源汽車用電池實時運行溫度下約降了9 ℃；在新能源汽車用電池溫度上升到56.3 ℃之后，風冷系統迅速自啟動，運行15 min后，電池實時溫度很快下降到42.1 ℃。與風冷系統未啟動時的溫度相比，系統智能降溫使新能源汽車用電池溫度下降了13.2 ℃。

上述測試數據結果充分表明，該風冷降溫系統的智能監測和溫控功能良好，系統具有很好的自啟動效能，當新能源汽車用電池溫度上升速度越快時，該風冷降溫的降溫效果越好。

4.2 系統入網功能測試

為了測試該系統的實時入網功能，在測試模塊上電之前，事先在圖3所示的SIM卡卡座中將SIM卡插入相應的位置。經測試發現，當該測試模塊實現快速通電后，SIM900A模塊會迅速實現工作運行；在系統上電后，SIM900A模塊中會實時亮起兩個接入電源的系統信號指示燈，其中，D6指示燈會實現連續閃爍，指示燈D5會連續工作運行，即顯示“常亮”的狀態。當系統入網后，兩個指示燈會在通信模塊上穩定工作運行。在這種測試工況下，即可通過實施判斷和觀察這兩個不同的信號指示燈的運行狀態來分析系統入網功能以及實時通信工作狀態。

5 結語

研究表明，該系統符合設計要求。當新能源汽車實時運行溫度達到40 ℃時，系統進行車用電池的智能監測與預報警和輔助降溫；當新能源汽車實時運行溫度達到60 ℃時，系統開啟遠程報警保證新能源汽車安全，減少自燃事故發生。經系統運行功能測試，該新型新能源汽車用電池監測與防自燃報警系統可靠性強，安全方便，響應速率快，達到了預期設計功能要求。

參考文獻：

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[7]黃瓊，尚麗平，應全紅，等.新能源汽車用鋰離子電池組在線安全監測研究[J].汽車零部件，2020（4）：81-84.

作者簡介：

王蓬勃，男，1980年生，工程師，研究方向為車輛工程。