關鍵詞：動力電池；自燃；溫度監(jiān)測；自動滅火

0前言

隨著電動汽車的不斷普及，電動汽車動力電池燃爆事故頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，2021 年1—5 月，國內(nèi)發(fā)生電動汽車起火事故共34 起，涉及車輛38 輛，其中車輛在充電狀態(tài)下發(fā)生的起火事故有10 起，比例高達29%［1］，可見充電過程易出現(xiàn)動力電池熱失控導致動力電池自燃。動力電池由鋰離子電池組成，鋰離子電池一旦發(fā)生熱失控自燃后具有撲救難度大、容易復燃的特點。電動汽車充電時經(jīng)常無人看管，如果動力電池出現(xiàn)自燃可能會燒毀事故車輛及其周圍停放的汽車和物品，產(chǎn)生嚴重的后果。

1研究現(xiàn)狀

趙紅斌等［2］發(fā)明了一種電動汽車充電樁充電過程中自燃預警監(jiān)測系統(tǒng)，電動汽車的電池管理系統(tǒng)與該系統(tǒng)之間通過控制器局域網(wǎng)（CAN）總線進行通信，對電動汽車充電過程中動力電池包的溫度和內(nèi)阻等狀態(tài)進行系統(tǒng)判斷，從而對其動力電池包的自燃狀態(tài)進行分級預警，并根據(jù)系統(tǒng)設計的自燃分析模塊提前判斷結果，選擇合適時機中斷電動汽車充電。張世洋等［3］開發(fā)了一種電動汽車自動滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含煙霧濃度監(jiān)測傳感器、溫度監(jiān)測傳感器和實施滅火的消防控制器。該系統(tǒng)放置在動力電池包的內(nèi)部，當電池包自燃時，消防控制器將根據(jù)煙霧濃度和溫度與預設安全閾值進行對比分析，當煙霧濃度和溫度超出預設的安全閾值時，發(fā)送滅火控制指令給滅火執(zhí)行器。徐曉明等［4］設計了一種多狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的電動汽車動力電池包自燃后的自動滅火系統(tǒng)與控制方法，收集到的多狀態(tài)參數(shù)主要包括電池包內(nèi)部多點位溫度。當傳感器監(jiān)測到動力電池溫度狀態(tài)達到二級閾值后，電池包內(nèi)部的滅火系統(tǒng)磁通閥打開，滅火劑自動從滅火管路中流向滅火噴嘴，并對電池包實施滅火。何亞東等［5］設計了一種新能源汽車自動滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計在電池包內(nèi)部，它通過內(nèi)部的搖擺機構帶動滅火系統(tǒng)的搖擺實現(xiàn)自動滅火。

2系統(tǒng)設計

現(xiàn)有的車載滅火系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)火源并實施滅火，但動力電池為鋰電池，其能量密度大，起火后火勢蔓延極快，燃燒溫度可達600～1 000 ℃，同時釋放大量有毒氣體，車載小容量滅火裝置難以有效撲滅火源。本文圍繞電動汽車動力電池包自燃的特性，結合自動化控制原理設計了一種自動滅火系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用溫度傳感器實時監(jiān)測動力電池包周圍溫度，當動力電池包溫度超過安全溫度時，控制系統(tǒng)發(fā)出相應的控制指令自動開啟滅火裝置，并發(fā)出聲光報警，同時將動力電池溫度數(shù)據(jù)上傳至上位機進行顯示與存儲。圖1 為該自動滅火系統(tǒng)的整體結構示意圖。

2. 1硬件設計

該系統(tǒng)由STC89C51 微處理器、動力電池包周圍溫度監(jiān)測模塊、溫度數(shù)據(jù)傳輸顯示模塊、報警模塊、自動滅火模塊組成。電動汽車動力電池自燃后具有火勢蔓延速度快、燃燒溫度高、持續(xù)時間長的特點，該裝置通過安裝在動力電池包下方的溫度傳感器實時監(jiān)測動力電池包充電過程中的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控室電腦顯示屏上，以便充電站工作人員實時監(jiān)控電動汽車充電狀況。當電動汽車充電過程中動力電池熱管理系統(tǒng)失效或者電池模組故障導致電池熱失控發(fā)生自燃事故時，該系統(tǒng)將迅速執(zhí)行自動滅火并發(fā)出報警信號。

2. 1. 1 STC89C51微處理器

該系統(tǒng)選用8 位STC89 系列單片機開發(fā)板，搭載STC89C51 主控芯片，工作頻率可達48 MHz，集成512 B 隨機存取存儲器（RAM），有2 個16 位定時器/計數(shù)器，自帶帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）功能、4 路脈沖寬度調制（PWM）、8 路10 位精度模數(shù)轉換器（ADC）、23 個通用輸入/輸出（I/O）端口和串口通信功能等硬件資源。

2. 1. 2溫度監(jiān)測模塊

該系統(tǒng)采用DS18B20 溫度傳感器進行溫度監(jiān)測。DS18B20 溫度傳感器是美國DALLAS 半導體公司推出的一種改進型智能傳感器。該傳感器與熱敏電阻元件對比，具有直接讀出被測溫度的特點，傳感器能直接將采集的數(shù)字信號發(fā)送給微處理器，在1 條串行總線上可以掛載多個DS18B20 溫度傳感器，并且每個傳感器都由獨立的編號，便于監(jiān)測動力電池包周圍多個監(jiān)測點的溫度。該系統(tǒng)共布置了4 個溫度傳感器，分別布置在動力電池包下方的前、后、左、右位置，能夠快速準確地監(jiān)測動力電池充電過程中溫度的變化情況。

2. 1. 3溫度數(shù)據(jù)傳輸顯示模塊

由于電動汽車充電站充電的車輛多，為了便于充電站工作人員實時監(jiān)控每臺電動汽車的充電狀態(tài)，該系統(tǒng)通過MAX232 串口將電動汽車充電過程中動力電池包周圍的溫度數(shù)據(jù)實時傳輸至充電站監(jiān)控室，并顯示在電腦端。使用VB 軟件編寫上位機程序，溫度變化數(shù)據(jù)在電腦端實時繪制。同時，數(shù)據(jù)也儲存在電腦端，便于后續(xù)故障分析調用。

2. 1. 4報警模塊

該系統(tǒng)采用聲光報警模塊實時對電動汽車充電過程中動力電池火情進行實時預警或報警。當溫度達到一級警戒安全溫度區(qū)間時，聲光報警模塊開始語音報警；當溫度達到二級警戒安全溫度區(qū)間時，聲光報警模塊開始語音報警和燈光報警，及時提醒現(xiàn)場人員離開危險區(qū)域。

2. 1. 5 自動滅火模塊

電動汽車的鋰離子動力電池發(fā)生火災時，其內(nèi)部最高溫度可達926 ℃，遠超汽油燃燒溫度。鋰離子電池在燃燒過程中還會伴隨著大量的噴射物向車輛周圍噴射，對周圍車輛與環(huán)境造成安全隱患?？紤]到電動汽車鋰離子電池的燃燒特性，自動滅火模塊的滅火藥劑選用滅火效果較好的水基型滅火劑，當自動滅火模塊接收到微處理器發(fā)出的滅火控制指令后開啟滅火劑電磁閥，滅火裝置內(nèi)部的滅火管路與外部滅火劑儲存罐接通，通過安裝于自動滅火系統(tǒng)裝置上端面的4 個噴口噴出滅火劑。

2. 2 軟件設計

該系統(tǒng)使用Keil 軟件編程、仿真與調試。通過系統(tǒng)主程序對微控制器、信號采集模塊、控制信號執(zhí)行模塊進行初始化操作。待初始化完成之后，各功能模塊開始工作，溫度檢測模塊采集溫度信息，微控制器對溫度傳感器傳輸來的信號進行讀取與處理，再經(jīng)過邏輯判斷后發(fā)出對應的動作控制指令，控制滅火模塊電磁閥開閉、聲光報警模塊報警，同時把溫度信號通過顯示程序傳輸至上位機電腦端進行顯示與數(shù)據(jù)的儲存，如圖2 所示。

3 系統(tǒng)調試

根據(jù)控制系統(tǒng)的軟硬件設計方案，焊接控制系統(tǒng)硬件電路，同時將編寫好的軟件燒入微控制器進行功能調試，然后驗證設計方案的可行性和軟硬件系統(tǒng)的可靠性。具體調試步驟為：

（1） 控制系統(tǒng)上電，開啟系統(tǒng)電源開關。系統(tǒng)初始化后，控制系統(tǒng)顯示屏可以顯示系統(tǒng)監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)、溫度報警設置數(shù)據(jù)等。

（2） 打開上位機溫度檢測程序，打開溫度檢測程序與控制系統(tǒng)之間的通信串口，溫度監(jiān)測界面可實時顯示傳感器監(jiān)測溫度的變化。

（3） 給溫度監(jiān)測傳感器一個火源，控制系統(tǒng)將根據(jù)溫度變化情況實時進行聲光報警和控制滅火開關動作，此時上位機上的溫度監(jiān)測圖表曲線顏色也會發(fā)生改變，并記錄電動汽車充電過程中故障發(fā)生時刻。

4 結語

本文設計了一種基于STC89C51 單片機開發(fā)的電動汽車充電過程中動力電池自燃的自動滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測動力電池包周圍的溫度，精準識別動力電池包的自燃情況，將溫度數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行顯示與儲存，并通過聲光報警系統(tǒng)提醒電動汽車充電站工作人員；同時，自動滅火模塊接收到微處理器發(fā)出的滅火控制指令后開啟滅火劑電磁閥實施自動滅火。