基于STM32的動力鋰電池火災報警裝置設計研究

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用，但是由于動力鋰電池使用安全問題，為新能源汽車的發展和進步帶來了負面影響。為了提升動力鋰電池火災預警響應效率與速度，降低誤報率，需要基于STM32系統設計出動力鋰電池火災報警裝置，并且使用至少四種傳感設備從不用角度詳細探測電池運轉環境，結合電池預警實際情況，選擇出一種適合系統運行的預警方案。

關鍵詞：動力鋰電池；報警裝置；運行模式；電池設備

新能源汽車是我國全新發展產業之一。近幾年，新能源汽車迎來了全新發展時期，但是隨著動力鋰電池使用安全性的問題越來越多，鋰電池所產生的火災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世紀開發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、貯存壽命長等優點，已廣泛應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，其基礎續航時間、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別。動力電池一般被稱為汽車電池包，從本質上來看，電池包則是依靠單組的或者單個電池內芯構成。首先汽車內部一定數量的電池內芯相互組合在一起，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行的電池使用模式有利于汽車對于電池使用情況進行統一管理和系統化管控，因此動力電池自身具有較高的安全性。

（一）電池類型

按照電池結構的劃分，電池內芯一般被分為圓柱形電池結構、方形電池結構以及軟包電池結構，現階段三種運行模式的電池內芯在新能源汽車上都被應用，比如特斯拉汽車一般選擇圓柱形電池模式，而日產汽車則使用軟包電池。圓柱形電池是人們日常生活中常見的電池存在形式，所以車輛所使用的電池設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字編碼中，前兩位數字一般表示電池占地直徑參數，單位為毫米，第三、四位數字則表示電池高度參數，而最后一位表示電池的外部形態。由于圓柱形電池自生產過程中普遍具有相對統一的生產規格，所以如果想要進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格會受到限制，所以電池的基礎容量也會受到影響［1］。

方形電池通常為鋁材質制作或者鋼材質制作的方形外殼電池，此種電池并沒有相對統一的生產規格約束與限制，能夠根據用戶或者車輛的實際需求進行個人定制，所以相對于傳統的圓形電池來說，此種電池的能量密度參數較高，并且電池重量輕。但是由于此種外形結構在長時間使用之后其邊角位置會產生明顯的電解液性能弱化現象，從而影響電池使用性能。

（二）電池特點

1.重量較輕

相比于傳統電池結構，動力鋰電池的基礎能量為150Wh/Kg，是鎳氫電池結構的2倍，所以動力鋰電池的結構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部結構相對比較簡單，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，該電池在生產過程中體積僅僅是傳統鉛酸電池的二分之一，同時鋰電池在外表設計上可以為電動車輛提供更科學、合理的內部結構與外部形態。由于電動汽車內部設計過程中，其供電設備受到了鉛酸電池體積和重量的約束，設計人員受到了極大的約束，導致電動汽車電池設備在外觀結構上十分雷同。而動力鋰電池的合理使用為設計人員提供了更為廣泛且全面的設計思維模式與想象空間。但是此種動力鋰電池的設計現狀同樣造成電池尺寸數據具有多樣化，不利于電池行業的安全性與通用性。隨著電力汽車發展進程不斷被推進，越來越多的企業在電動汽車的電能儲存模式上選擇鋰電池，然而鋰電池應用的廣泛性、不同生產材料、生產工藝所產生的差異性導致動力鋰電池生產的統一性成為技術研究的重點問題［2］。

（三）動力鋰電池火災報警參數特點

車輛行駛過程中，動力鋰電池如果產生熱量失控問題產生之前，電池內部必然會產生明顯的熱量問題，其主要問題則是由于電化學反應熱量以及電池極化熱量，最終產生一定可燃氣體物質，比如：電池內部的有機材料受到熱量分解反應以及電池正負極氧化還原反應等。加上如果電池內部的電解液體環境中產生大量的有機溶液物質，一旦產生熱量失控則會產生大量氧氣以及一氧化碳物質，此時如果不能及時進行技術處理，則會隨著熱量失控進一步損壞電池內部結構穩定性，而電解液物質的劇烈反應還會釋放出巨大的熱量物質，直至將電池損壞，其內部結構的可燃氣體會大量噴出，并且產生大量煙霧物質。

（四）動力鋰電池火災產生原因

動力鋰電池在運轉過程中所產生的火災原因相對比較復雜且多變，比如：劇烈碰撞、結構擠壓等都會導致鋰電池產生機械類型的形變問題，其電池內部的隔膜產生明顯的損壞問題。或者動力電池設備過度充電或者放電則會導致電池內部結構的晶體不斷生長，一旦電池所處環境過熱，電池正負極基礎隔膜會不斷被分解，此時隔膜受到損壞之后，電池的正負極與電解質溶解相互反應產生巨大的熱量，從而加劇了電池正負極與結合試劑的化學反應效果，進一步造成電池電解溶液的不斷分解，最終導致電池產生火災，甚至是爆炸問題［3］。

（五）動力鋰電池火災報警裝置設計方案

根據動力鋰電池火災報警裝置運轉現狀以及失控流程進行詳細分析最終得知：動力鋰電池設備所產生的熱量失控則是一種隨著煙霧、光線以及熱量的化學反應流程，因此實際開展動力鋰電池火災報警裝置設計方案時，應通過對電池內部結構電解液體揮發物質、炭燒特殊氣體物質、煙霧顆粒以及電池外部環境溫度等特點進行詳細的探測處理，以此作為基礎條件進一步分析火災產生與發展階段［7］。

1．預警硬件設計

由于動力鋰電池設備硬件結構主要包含以下幾個管理模塊，其中包含：系統主要控制芯片、外圍保護電路、電池控制模擬信號傳感設備、數字信號控制設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報警裝置設計方案中最小的功能系統，該系統主要包含微型控制設備、電池內部結構晶體振蕩控制區域以及電池復位控制區域等。所以為保證動力鋰電池可以正常運轉，主要控制芯片需要使用型號為STM32F103系列，該設備系列具有至少3個ADC，其系統運轉精度為12位，其中每一個系統的ADC系統具有至少16條連接通道。除此之外，該系統還具有2路總線路連接端口以及1路CAN總體線路連接端口，同時電池設備內部管理模塊需要選擇汽車專用等級的電源控制芯片，由于該芯片從本質上來看是一種集合高壓、高電流的開關調節設備，所以為保證電池正常運轉，電池設備的電壓參數需要設定為3.3-3.6V，其電池的靜態電流最小可以達到3uA［4］。

（2）信號模擬電路

信號模擬電路在動力鋰電池火災報警裝置設計方案中，主要包含：VOC傳感設備以及一氧化碳傳感設備，其中VOC傳感設備能夠有效檢測電解液揮發物質使用型號為MEMS的薄膜半導體氣體敏感傳感設備，因此此種電路結構對于電解液發揮物質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環節上，主要包含氣體敏感傳感設備以及外殼保護裝置，其中氣體敏感傳感設備主要由型號為MEMS基礎芯片以及外部保護薄膜組成，其中MEMS基礎芯片有效結合硅膠基礎結構、加熱電機設備以及信息數據測算等區域，所以使用此種系統生產的氣體敏感傳感設備芯片普遍具有尺寸較小、系統性高等優勢。

氣體敏感傳感設備的運轉流程主要包含：金屬氧化物質在空氣環境中一旦加熱至一定溫度參數之后，空氣環境中氧氣物質被吸附在攜帶正負電荷的晶體物質表面，此時晶體物質表面所產生的能量元素則被電子所轉移，最終在金屬氧化物質空間環境中形成正向電荷，長期以往，金屬氧化物質表面會形成相應的保護結構，有效阻礙電子元素的流動。

2.預警軟件設計

（1）系統初始化

系統的預警軟件進行方案設計時，系統初始化主要包含：控制始終、ADC管理模塊、信息通信模塊等環節，本系統在方案設計過程中為保證正常運轉，經常使用8MHz 晶振管理系統，并且經過4倍運轉頻率的24MHz主要頻率進行電池內部運行模式控制，經過分頻最終得到ADC控制時鐘，并且電池系統軟件設計的GPIO端口則需要單獨搭配系統運轉模式進行模擬參數輸入。除此之外，系統初始化應使用軟件進行模擬操作，并給CAN信息通信則需要設定數據控制幀、拓展幀等，等待系統初始按成之后需要對系統內部結構上的所有連接端口科學、合理的配置，以此保證各個子系統的控制功能可以被科學配置，并且對硬件連接端口開展性能檢測，比如：系統傳感設備以及線路開路檢測等方面，一旦發現系統產生故障問題之后，則需要立刻上傳至BMS系統中。

（2）傳感器信息處理

對于模擬信號傳感設備來說，想要保證汽車電池系統可以正常運轉，要根據系統運轉實際情況設定ADC運轉參數，以此作為樣品收集標準，為保證電池系統正常運轉，還應將模擬信號基礎轉化時間設定為7秒，并且所得到的結果要通過DMA進行信息傳輸。由于模擬信號傳感設備在運行時，極易受到外部環境的影響和干擾，原始傳感設備的樣品實際數值可能產生明顯的變異情況，針對此種現狀需科學、合理的處理系統所產生的數據信息，通過加權平滑的參數計算形式，減少由于參數偶發信息數據的轉變所產生負面作用。

對于電池設備的信息化傳感設備來說，由于傳感器內部已經產生的數據過濾波設備預處理，所以數據收集數值相對穩定與可靠。而單片設備想要正常運轉，則要通過IIC傳感器中的芯片所發出的控制信號，詳細判斷型號為ADPD188BI的設備是否能夠勝任數據的收集和處理，并且在此基礎條件上，獲取電視設備上顯示區域的紅光參數以及藍光參數，最終利用兩種光源的結構占比，詳細計算出電池設備內顆粒物質的直徑數據，詳細判斷出電池設備所產生煙霧物質的重要類型。所以新能源車輛電池設備內部想要正常運轉，需通過單體總線設定基礎的工作模式，進一步轉化系統精準程度，最后再想個1秒之后啟動溫度轉化，詳細測算電池溫度控制設備的相關數值，最終轉化為標準溫度再上傳。

（3）多項傳感器融合技術

汽車電池系統中的火災探測設備主要針對單項傳感設備信號進行合理處理，并且以此作為核心條件，通過有效控制汽車電池系統的處理信號波動服務，進一步判斷出電池設備所產生火災風險的幾率，其中包含判決門限以及變化斜率等技術方式，但是此種傳統的監測技術手段在噪聲較大時極易產生誤報警問題。因此需要使用多項傳感設備同時結合融合技術，結合多項傳感器中所維度參數詳細推測，有效拓展電池設備火災產生種類，有效提高系統的基礎靈敏程度，降低火災誤預報率［6］。

在動力鋰電池火災報警裝置設計環節上，由于電池設備所產生的火災預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，信號的參數設定應基于電池模擬數據參數計算模式，并且有效將火災探測技術方式按照一定模糊比例轉化為模糊變量，同時將以上變量作為模糊推理的參數輸入，按照預先定義好的規則推算出結論模糊變量，通過模糊化的計算流程有效轉化為明確變量輸出。其中語言設計規則對于電池火災預警來說是十分重要的推算流程，是模擬處理系統的核心條件，最終決定了系統的準確性［8］。

結語

由此可見，本次研究所設計的動力鋰電池火災報警裝置，在實際運行中普遍具有安全穩定等優勢，能夠有效滿足對系能源汽車電池火災報警的核心要求，使得報警裝置在復雜的電池包環境下具備自學習功能。

參考文獻

［1］ 余岑.基于STM32的動力鋰電池火災報警裝置設計［J］.信息系統工程，2021（12）：77-80.

［2］ 陳帥，郗小鵬，張勇.STM32的無人機動力鋰電池充電器設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2020，20（05）：68-71.

［3］ 李泓沛，劉桂雄，鄧威.基于LSTM+UKF融合的動力鋰電池SOC估算方法［J］.中國測試，2022，48（08）：22-28.

［4］ 張凱博，賈凱麗，徐曉明，等.涂炭鋁箔對高能量密度LiFePO4動力電池的影響［J/OL］.儲能科學與技術，2022 （12）：1-7.

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［7］ 余岑.基于STM32的動力鋰電池火災報警裝置設計［J］.信息系統工程，2021（12）：77-80.

［8］ 田龍禎，謝春麗，王昊潔.電動汽車電池火災預警報警及自動滅火裝置設計［J］.科學技術創新，2020（04）：155-156.