劉文穎 唐嘉晨
摘要:近幾年,新能源汽車得到了廣泛的推廣和應(yīng)用,但是由于動力鋰電池使用安全問題,為新能源汽車的發(fā)展和進(jìn)步帶來了負(fù)面影響。為了提升動力鋰電池火災(zāi)預(yù)警響應(yīng)效率與速度,降低誤報率,需要基于STM32系統(tǒng)設(shè)計出動力鋰電池火災(zāi)報警裝置,并且使用至少四種傳感設(shè)備從不用角度詳細(xì)探測電池運轉(zhuǎn)環(huán)境,結(jié)合電池預(yù)警實際情況,選擇出一種適合系統(tǒng)運行的預(yù)警方案。
關(guān)鍵詞:動力鋰電池;報警裝置;運行模式;電池設(shè)備
新能源汽車是我國全新發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一。近幾年,新能源汽車迎來了全新發(fā)展時期,但是隨著動力鋰電池使用安全性的問題越來越多,鋰電池所產(chǎn)生的火災(zāi)問題和損失也逐漸增加。
一、動力鋰電池概論
鋰動力電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池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"。這種電池的負(fù)極是金屬鋰,因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中。
電動汽車在日常行駛和使用過程中,其基礎(chǔ)續(xù)航時間、價格以及充電時間均不同,主要原因是汽車的動力鋰電池種類有區(qū)別。動力電池一般被稱為汽車電池包,從本質(zhì)上來看,電池包則是依靠單組的或者單個電池內(nèi)芯構(gòu)成。首先汽車內(nèi)部一定數(shù)量的電池內(nèi)芯相互組合在一起,最后形成電池模型小組,隨后多個電池小組再被相互組合到一起,最終形成電池小組,此種以組合形式所進(jìn)行的電池使用模式有利于汽車對于電池使用情況進(jìn)行統(tǒng)一管理和系統(tǒng)化管控,因此動力電池自身具有較高的安全性。
(一)電池類型
按照電池結(jié)構(gòu)的劃分,電池內(nèi)芯一般被分為圓柱形電池結(jié)構(gòu)、方形電池結(jié)構(gòu)以及軟包電池結(jié)構(gòu),現(xiàn)階段三種運行模式的電池內(nèi)芯在新能源汽車上都被應(yīng)用,比如特斯拉汽車一般選擇圓柱形電池模式,而日產(chǎn)汽車則使用軟包電池。圓柱形電池是人們?nèi)粘I钪谐R姷碾姵卮嬖谛问?,所以車輛所使用的電池設(shè)備自身具有獨特的適用型號,比如:18650、21700 型號等,而此種汽車電池型號數(shù)字編碼中,前兩位數(shù)字一般表示電池占地直徑參數(shù),單位為毫米,第三、四位數(shù)字則表示電池高度參數(shù),而最后一位表示電池的外部形態(tài)。由于圓柱形電池自生產(chǎn)過程中普遍具有相對統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)格,所以如果想要進(jìn)行小組打包則十分便捷,但是由于此種電池的電力能量密度和規(guī)格會受到限制,所以電池的基礎(chǔ)容量也會受到影響[1]。
方形電池通常為鋁材質(zhì)制作或者鋼材質(zhì)制作的方形外殼電池,此種電池并沒有相對統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)格約束與限制,能夠根據(jù)用戶或者車輛的實際需求進(jìn)行個人定制,所以相對于傳統(tǒng)的圓形電池來說,此種電池的能量密度參數(shù)較高,并且電池重量輕。但是由于此種外形結(jié)構(gòu)在長時間使用之后其邊角位置會產(chǎn)生明顯的電解液性能弱化現(xiàn)象,從而影響電池使用性能。
(二)電池特點
1.重量較輕
相比于傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu),動力鋰電池的基礎(chǔ)能量為150Wh/Kg,是鎳氫電池結(jié)構(gòu)的2倍,所以動力鋰電池的結(jié)構(gòu)重量是相同重量體積鎳氫電池的三分之一。從重量角度來看,動力鋰電池所需要消耗的資源相對較小,由于電動汽車電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對比較簡單,所以電池和整體車輛重量較輕,在相同電壓、容量的電池設(shè)備可以行駛的里程則更長。
2.體積小
動力鋰電池自身體積相對更小,該電池在生產(chǎn)過程中體積僅僅是傳統(tǒng)鉛酸電池的二分之一,同時鋰電池在外表設(shè)計上可以為電動車輛提供更科學(xué)、合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部形態(tài)。由于電動汽車內(nèi)部設(shè)計過程中,其供電設(shè)備受到了鉛酸電池體積和重量的約束,設(shè)計人員受到了極大的約束,導(dǎo)致電動汽車電池設(shè)備在外觀結(jié)構(gòu)上十分雷同。而動力鋰電池的合理使用為設(shè)計人員提供了更為廣泛且全面的設(shè)計思維模式與想象空間。但是此種動力鋰電池的設(shè)計現(xiàn)狀同樣造成電池尺寸數(shù)據(jù)具有多樣化,不利于電池行業(yè)的安全性與通用性。隨著電力汽車發(fā)展進(jìn)程不斷被推進(jìn),越來越多的企業(yè)在電動汽車的電能儲存模式上選擇鋰電池,然而鋰電池應(yīng)用的廣泛性、不同生產(chǎn)材料、生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的差異性導(dǎo)致動力鋰電池生產(chǎn)的統(tǒng)一性成為技術(shù)研究的重點問題[2]。
(三)動力鋰電池火災(zāi)報警參數(shù)特點
車輛行駛過程中,動力鋰電池如果產(chǎn)生熱量失控問題產(chǎn)生之前,電池內(nèi)部必然會產(chǎn)生明顯的熱量問題,其主要問題則是由于電化學(xué)反應(yīng)熱量以及電池極化熱量,最終產(chǎn)生一定可燃?xì)怏w物質(zhì),比如:電池內(nèi)部的有機材料受到熱量分解反應(yīng)以及電池正負(fù)極氧化還原反應(yīng)等。加上如果電池內(nèi)部的電解液體環(huán)境中產(chǎn)生大量的有機溶液物質(zhì),一旦產(chǎn)生熱量失控則會產(chǎn)生大量氧氣以及一氧化碳物質(zhì),此時如果不能及時進(jìn)行技術(shù)處理,則會隨著熱量失控進(jìn)一步損壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,而電解液物質(zhì)的劇烈反應(yīng)還會釋放出巨大的熱量物質(zhì),直至將電池?fù)p壞,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w會大量噴出,并且產(chǎn)生大量煙霧物質(zhì)。
(四)動力鋰電池火災(zāi)產(chǎn)生原因
動力鋰電池在運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的火災(zāi)原因相對比較復(fù)雜且多變,比如:劇烈碰撞、結(jié)構(gòu)擠壓等都會導(dǎo)致鋰電池產(chǎn)生機械類型的形變問題,其電池內(nèi)部的隔膜產(chǎn)生明顯的損壞問題。或者動力電池設(shè)備過度充電或者放電則會導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶體不斷生長,一旦電池所處環(huán)境過熱,電池正負(fù)極基礎(chǔ)隔膜會不斷被分解,此時隔膜受到損壞之后,電池的正負(fù)極與電解質(zhì)溶解相互反應(yīng)產(chǎn)生巨大的熱量,從而加劇了電池正負(fù)極與結(jié)合試劑的化學(xué)反應(yīng)效果,進(jìn)一步造成電池電解溶液的不斷分解,最終導(dǎo)致電池產(chǎn)生火災(zāi),甚至是爆炸問題[3]。
(五)動力鋰電池火災(zāi)報警裝置設(shè)計方案
根據(jù)動力鋰電池火災(zāi)報警裝置運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀以及失控流程進(jìn)行詳細(xì)分析最終得知:動力鋰電池設(shè)備所產(chǎn)生的熱量失控則是一種隨著煙霧、光線以及熱量的化學(xué)反應(yīng)流程,因此實際開展動力鋰電池火災(zāi)報警裝置設(shè)計方案時,應(yīng)通過對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)電解液體揮發(fā)物質(zhì)、炭燒特殊氣體物質(zhì)、煙霧顆粒以及電池外部環(huán)境溫度等特點進(jìn)行詳細(xì)的探測處理,以此作為基礎(chǔ)條件進(jìn)一步分析火災(zāi)產(chǎn)生與發(fā)展階段[7]。
1.預(yù)警硬件設(shè)計
由于動力鋰電池設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)主要包含以下幾個管理模塊,其中包含:系統(tǒng)主要控制芯片、外圍保護(hù)電路、電池控制模擬信號傳感設(shè)備、數(shù)字信號控制設(shè)備以及信息通信模塊等。
(1)主控芯片
主控芯片是動力鋰電池火災(zāi)報警裝置設(shè)計方案中最小的功能系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包含微型控制設(shè)備、電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)晶體振蕩控制區(qū)域以及電池復(fù)位控制區(qū)域等。所以為保證動力鋰電池可以正常運轉(zhuǎn),主要控制芯片需要使用型號為STM32F103系列,該設(shè)備系列具有至少3個ADC,其系統(tǒng)運轉(zhuǎn)精度為12位,其中每一個系統(tǒng)的ADC系統(tǒng)具有至少16條連接通道。除此之外,該系統(tǒng)還具有2路總線路連接端口以及1路CAN總體線路連接端口,同時電池設(shè)備內(nèi)部管理模塊需要選擇汽車專用等級的電源控制芯片,由于該芯片從本質(zhì)上來看是一種集合高壓、高電流的開關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備,所以為保證電池正常運轉(zhuǎn),電池設(shè)備的電壓參數(shù)需要設(shè)定為3.3-3.6V,其電池的靜態(tài)電流最小可以達(dá)到3uA[4]。
(2)信號模擬電路
信號模擬電路在動力鋰電池火災(zāi)報警裝置設(shè)計方案中,主要包含:VOC傳感設(shè)備以及一氧化碳傳感設(shè)備,其中VOC傳感設(shè)備能夠有效檢測電解液揮發(fā)物質(zhì)使用型號為MEMS的薄膜半導(dǎo)體氣體敏感傳感設(shè)備,因此此種電路結(jié)構(gòu)對于電解液發(fā)揮物質(zhì)中烷烴類氣體具有較高的選擇性[5]。
信號模擬電路在實際建設(shè)環(huán)節(jié)上,主要包含氣體敏感傳感設(shè)備以及外殼保護(hù)裝置,其中氣體敏感傳感設(shè)備主要由型號為MEMS基礎(chǔ)芯片以及外部保護(hù)薄膜組成,其中MEMS基礎(chǔ)芯片有效結(jié)合硅膠基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、加熱電機設(shè)備以及信息數(shù)據(jù)測算等區(qū)域,所以使用此種系統(tǒng)生產(chǎn)的氣體敏感傳感設(shè)備芯片普遍具有尺寸較小、系統(tǒng)性高等優(yōu)勢。
氣體敏感傳感設(shè)備的運轉(zhuǎn)流程主要包含:金屬氧化物質(zhì)在空氣環(huán)境中一旦加熱至一定溫度參數(shù)之后,空氣環(huán)境中氧氣物質(zhì)被吸附在攜帶正負(fù)電荷的晶體物質(zhì)表面,此時晶體物質(zhì)表面所產(chǎn)生的能量元素則被電子所轉(zhuǎn)移,最終在金屬氧化物質(zhì)空間環(huán)境中形成正向電荷,長期以往,金屬氧化物質(zhì)表面會形成相應(yīng)的保護(hù)結(jié)構(gòu),有效阻礙電子元素的流動。
2.預(yù)警軟件設(shè)計
(1)系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)的預(yù)警軟件進(jìn)行方案設(shè)計時,系統(tǒng)初始化主要包含:控制始終、ADC管理模塊、信息通信模塊等環(huán)節(jié),本系統(tǒng)在方案設(shè)計過程中為保證正常運轉(zhuǎn),經(jīng)常使用8MHz 晶振管理系統(tǒng),并且經(jīng)過4倍運轉(zhuǎn)頻率的24MHz主要頻率進(jìn)行電池內(nèi)部運行模式控制,經(jīng)過分頻最終得到ADC控制時鐘,并且電池系統(tǒng)軟件設(shè)計的GPIO端口則需要單獨搭配系統(tǒng)運轉(zhuǎn)模式進(jìn)行模擬參數(shù)輸入。除此之外,系統(tǒng)初始化應(yīng)使用軟件進(jìn)行模擬操作,并給CAN信息通信則需要設(shè)定數(shù)據(jù)控制幀、拓展幀等,等待系統(tǒng)初始按成之后需要對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的所有連接端口科學(xué)、合理的配置,以此保證各個子系統(tǒng)的控制功能可以被科學(xué)配置,并且對硬件連接端口開展性能檢測,比如:系統(tǒng)傳感設(shè)備以及線路開路檢測等方面,一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生故障問題之后,則需要立刻上傳至BMS系統(tǒng)中。
(2)傳感器信息處理
對于模擬信號傳感設(shè)備來說,想要保證汽車電池系統(tǒng)可以正常運轉(zhuǎn),要根據(jù)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)實際情況設(shè)定ADC運轉(zhuǎn)參數(shù),以此作為樣品收集標(biāo)準(zhǔn),為保證電池系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn),還應(yīng)將模擬信號基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化時間設(shè)定為7秒,并且所得到的結(jié)果要通過DMA進(jìn)行信息傳輸。由于模擬信號傳感設(shè)備在運行時,極易受到外部環(huán)境的影響和干擾,原始傳感設(shè)備的樣品實際數(shù)值可能產(chǎn)生明顯的變異情況,針對此種現(xiàn)狀需科學(xué)、合理的處理系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息,通過加權(quán)平滑的參數(shù)計算形式,減少由于參數(shù)偶發(fā)信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生負(fù)面作用。
對于電池設(shè)備的信息化傳感設(shè)備來說,由于傳感器內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)過濾波設(shè)備預(yù)處理,所以數(shù)據(jù)收集數(shù)值相對穩(wěn)定與可靠。而單片設(shè)備想要正常運轉(zhuǎn),則要通過IIC傳感器中的芯片所發(fā)出的控制信號,詳細(xì)判斷型號為ADPD188BI的設(shè)備是否能夠勝任數(shù)據(jù)的收集和處理,并且在此基礎(chǔ)條件上,獲取電視設(shè)備上顯示區(qū)域的紅光參數(shù)以及藍(lán)光參數(shù),最終利用兩種光源的結(jié)構(gòu)占比,詳細(xì)計算出電池設(shè)備內(nèi)顆粒物質(zhì)的直徑數(shù)據(jù),詳細(xì)判斷出電池設(shè)備所產(chǎn)生煙霧物質(zhì)的重要類型。所以新能源車輛電池設(shè)備內(nèi)部想要正常運轉(zhuǎn),需通過單體總線設(shè)定基礎(chǔ)的工作模式,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化系統(tǒng)精準(zhǔn)程度,最后再想個1秒之后啟動溫度轉(zhuǎn)化,詳細(xì)測算電池溫度控制設(shè)備的相關(guān)數(shù)值,最終轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溫度再上傳。
(3)多項傳感器融合技術(shù)
汽車電池系統(tǒng)中的火災(zāi)探測設(shè)備主要針對單項傳感設(shè)備信號進(jìn)行合理處理,并且以此作為核心條件,通過有效控制汽車電池系統(tǒng)的處理信號波動服務(wù),進(jìn)一步判斷出電池設(shè)備所產(chǎn)生火災(zāi)風(fēng)險的幾率,其中包含判決門限以及變化斜率等技術(shù)方式,但是此種傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)手段在噪聲較大時極易產(chǎn)生誤報警問題。因此需要使用多項傳感設(shè)備同時結(jié)合融合技術(shù),結(jié)合多項傳感器中所維度參數(shù)詳細(xì)推測,有效拓展電池設(shè)備火災(zāi)產(chǎn)生種類,有效提高系統(tǒng)的基礎(chǔ)靈敏程度,降低火災(zāi)誤預(yù)報率[6]。
在動力鋰電池火災(zāi)報警裝置設(shè)計環(huán)節(jié)上,由于電池設(shè)備所產(chǎn)生的火災(zāi)預(yù)警信息普遍具有不確定性以及模糊性等特點,所以選擇傳感器時,信號的參數(shù)設(shè)定應(yīng)基于電池模擬數(shù)據(jù)參數(shù)計算模式,并且有效將火災(zāi)探測技術(shù)方式按照一定模糊比例轉(zhuǎn)化為模糊變量,同時將以上變量作為模糊推理的參數(shù)輸入,按照預(yù)先定義好的規(guī)則推算出結(jié)論模糊變量,通過模糊化的計算流程有效轉(zhuǎn)化為明確變量輸出。其中語言設(shè)計規(guī)則對于電池火災(zāi)預(yù)警來說是十分重要的推算流程,是模擬處理系統(tǒng)的核心條件,最終決定了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[8]。
結(jié)語
由此可見,本次研究所設(shè)計的動力鋰電池火災(zāi)報警裝置,在實際運行中普遍具有安全穩(wěn)定等優(yōu)勢,能夠有效滿足對系能源汽車電池火災(zāi)報警的核心要求,使得報警裝置在復(fù)雜的電池包環(huán)境下具備自學(xué)習(xí)功能。
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