消防用鋰電池研究與分析

劉婕，路桂娟

(廊坊職業技術學院，河北廊坊065000)

消防用鋰電池研究與分析

劉婕，路桂娟

(廊坊職業技術學院，河北廊坊065000)

鋰電池具有高活性、高能量密度和輕質的基本特性。這使鋰電池成為消防設備的理想電池形式，但是鋰電池的安全性也一直是困擾鋰電池廣泛應用的難題。對鋰電池的安全性能評價技術進行了深入的分析探討，并在此基礎上設計了相應的消防用鋰電池監控系統，保證了消防電池運行的可靠性。

鋰離子電池；消防設備；安全性評價；監控系統

現代建筑，是集辦公、居住、娛樂等多種功能為一體的綜合性建筑。為了提高建筑的應用水平和舒適度，電力電子設備被大量應用其中，這為建筑的消防安全埋下了不少隱患。為了保證建筑的消防安全、提高其運行的可靠性，大多數建筑都按照國家要求布置了相應的消防報警和防火滅火裝置。而這些裝置的正常運行，是關系人民生命財產安全是否能及時得到保全的重要問題，因此，保證消防設備的可靠運行是消防工作的重要環節。

消防電源是消防設備的重要組成部分。對于一個消防系統來說，如果沒有可靠的消防電源，消防水源就無法啟動、防火分區的防火卷簾和防火門無法到位、排煙系統，消防電梯，消防照明等都無法正常工作。因此可靠的消防電源是消防設備正常工作的保障，為建筑內的所有消防設施設備的運行提供動力。

1 消防用鋰電池電源分析

根據國家的相關標準規定，為了減少火災的損失，發生火災后市電在保持數分鐘后會斷電，由于市電供電的消防設備的主電中斷，此時應該由消防電源進行供電。消防電源分為主機電源和備用電源，而當主機電源用電耗盡時，就應調用備用電源，備用電源要保證在8 h的時間內不能斷電。

針對以上的要求，消防備用電源大多采用的都是性能良好的“密封式免維護鉛酸蓄電池”。但是，隨著生活水平的提高，鉛酸電池所存在的鉛污染和能量密度低等缺點也影響著它的使用，因此，一種新型的、綠色的、高能量密度的電池成為鉛酸電池的必要替代品。

鋰離子電池是一類以金屬鋰或含鋰物質作負極的化學電源的總稱。由于鋰的標準電極電位負值較大而且比容量較高，因此具有電源高、比能量大、可反復充放電、無記憶效應和無污染的特征，因此，較為適合應用于消防備用電源的組建。

鋰離子電池中使用的材料主要包括正極材料(含活性物質和導電物質等)、負極材料、集流體和隔膜等。但是，鋰電池也存在著安全性問題，它最大的隱患是在過充的情況下，鋰離子在電池的負極容易形成枝晶。枝晶體刺穿隔膜后，造成電池內部的短路，形成大電源，而電流在一定條件下引發熱失控后，鋰電池容易引起爆炸。

這一安全問題一直是困擾鋰電池應用的難題。為了提高鋰電池使用的可靠性，采取一定的技術手段對電池的工作狀態進行有效監控是保證鋰電池安全運行的重要方式。

2 消防鋰電池安全運行監控系統整體設計

2011年12月，國家標準委編制了GB28184-2011標準，其中對消防設備電源監控系統的功能作出了明確的規定。規定指出“用于監控消防設備電源的工作狀態，在電源發生過壓、欠壓、過流、缺相等故障時能發出警報的監控系統”，并強制規定了消防電源監控系統的基本功能、實驗和檢測規則等內容[1]。

根據以上的規定，本文所實現的消防鋰電池安全監控系統在總體上完成以下功能設計：

(1)監控系統能夠對鋰電池的實時工作狀態進行有效監控，監控的內容包括鋰電池的輸出電壓、電流、內部溫度、是否出現缺項、錯項、過載等供電異常現象；

(2)監控系統能夠在100 s內識別出鋰電池的運行異常，并發出故障聲、光信號提示，顯示并記錄相應的故障部位、基本故障類型和發生的時間，同時應切斷故障點與其它工作點的影響，以保證非故障部分的正常工作；

(3)故障排除后，監控系統能夠自動或手動復位其故障信號，并記錄相應的維修信息，提供相應故障及維修信息；

(4)監控系統應保持一定的數據采集精度、控制指令的實時性等基本處理要求。

3 監控系統關鍵技術分析

監控系統中的關鍵技術主要有鋰電池電源電壓、電流、溫度等信息的采集，鋰電池的電壓、電流等信息采用霍爾電流或電壓傳感器采集就可。而對于溫度而言，市面上的溫度傳感器不能有效地監測鋰電池內部的溫度情況，本文采用紅外測溫技術來完成相應的監測功能。

紅外測溫技術是一種非接觸性遠距離測量溫度的技術。在電力系統的故障診斷中應用較為廣泛。紅外測溫技術與傳統測溫技術相比，具有以下的特點：

(1)具有較好的測量精度和速度

紅外測溫在測量時不會影響和干擾被測物的溫場分布，因此理論溫度的分辨率可以達到0.01℃。同時，紅外測溫可以實現實時測溫，不需要達到熱平衡時就可以讀出所測物體的溫度，所以測溫速度非常快，這一點非常適合于故障的預警，當溫度稍有異常時，系統就報警，可以縮短故障預警的時間。

(2)具有良好的測溫適應能力

紅外測溫可以實現遠距離的測溫，測量的距離可近可遠，而且在夜間也可以順利測溫，對被測對象的大小也沒有具體的要求，可以完成微小目標的測溫過程，具有相當強的適應性。

(3)測溫范圍寬

紅外測溫在理論上無測量的上限值，只要是溫度高于絕對零度的物體都會輻射紅外能量，并且所輻射的紅外能量的多少和物體溫度的高低成正比。

由于紅外測溫技術所具有的靈敏度高、檢測效率高、實時性強、測量范圍寬等特點，已經被廣泛應用于消防、電力、建筑、安防等領域，因此，對于鋰電池等被測物體，利用紅外測溫技術來測量其溫度，具有很好的效果。

但是，由于紅外線的穿透能力比較弱，而且在不同環境因素的影響下，其輻射率也具有不穩定性的一面，因此，對其進行應用改造也是必須的。

本文所改造的紅外測溫系統如圖1所示。

圖1 紅外測溫系統圖

該系統主要由光學系統、光學探測器、信號處理、調制系統、嵌入式ARM芯片及無線射頻模塊組成。其中光學系統與光學探測器的作用是利用紅外測溫傳感器形成溫度光學射線，由光學系統采集后，傳送給調制盤，調制盤可以隨著光斑的方向和集中程度通過步進電機調整相應的方位，以便使所接收的信號更為高效。調制盤中的信息傳入光學探測器，將光信號轉換為電信號，并通過信號處理電路將其進行適當調整，送入S3C6410芯片中。

S3C6410是一款低功率、高性價比、高性能的通用處理RSIC處理器，采用64/32的內部總線架構，還融合了AXI、AHB、APB總線，可以有效地處理紅外測溫所接收來的信號。

接收來的信號可以采用RS232串口實現相應的有線數據傳輸至上位機數據處理和顯示中心，也可以用增加無線射頻模板或3G卡的方式進行遠程數據傳輸，以完成相應的遠程監控。

基于以上設計的紅外測溫系統，一方面可以有效地利用紅外測溫的方式來對鋰電池的溫度進行測量；另一方面，也可以有效地防止紅外測溫受環境影響的弊端[2]。

4 結論

本文利用紅外測溫技術設計了鋰電池安全監控系統。該系統利用嵌入式芯片對紅外測溫進行了改進，可以有效地防止環境對監測結果的影響，從而提高了鋰電池的安全性，保證了消防用電的可靠性。

[1]趙東明，王禹.消防設備電源監控系統設置的必要性與應用[J].消防技術與產品信息，2014(1)：63-65.

[2]王友鵬.基于ARM的熱釋電紅外測溫儀的研制[D].南京：南京信息工程大學，2007：14-16.

Research and analysis of lithium batteries for fire fighting apparatus

LIU Jie,LU Gui-juan
(Langfang Polytechnic Institute,Langfang Hebei 065000,China)

Lithium battery has some basic characteristics such as high active,high energy density,and lightness,making lithium batteries battery become ideal battery form of fire fighting equipment,but the safety of the lithium battery has also been a problem in widely using of lithium batteries.The evaluation techniques for safety performance of lithium-ion batteries were discussed.The corresponding monitoring system with lithium batteries for fire fighting was designed to ensure the operation reliability of fire fighting battery.

lithium ion batteries;fire fighting equipment;safety evaluation;monitoring system

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1588-02

2016-02-26

劉婕(1977—)，女，河北省人，講師，主要研究方向為化學教育。