新能源汽车用电池的监测与防自燃报警系统设计

廖海宇，谭巧，苏晓锋，覃阳，叶晓峰，徐光青，江研

（闽江学院计算机与控制工程学院，福建福州，350108）

0 引言

目前能源和环境问题日益严重，社会舆论压力空前，发展新能源汽车产业已成为国家战略，发展趋势不可逆。在国家大力倡导绿色出行的环境下，新能源汽车逐渐被人们所认识和关注，其低能耗、低排量的特点，不仅可以满足人们的出行需要，还为国家环保事业做出贡献。

随着新能源汽车的大力推广和使用，许多有关新能源汽车自燃、起火的话题引起了大家的广泛关注。据相关调查数据显示[1]，新能源车辆自燃起火的因素占比分布中，其中电池问题占比为58%，碰撞问题19%，浸水问题7%，使用问题7%，零件故障3%，外部原因3%，其他3%。而在2020年，新能源汽车自燃起火事件超过60起，包含传统车企和新势力车企旗下的车型。值得注意的是[2]，这60余起中，纯电动车自燃的比例占了84%。自燃的主要原因是锂电池内部或外部短路后，短时间内的电池释放大量热量，温度急剧上升，超过电池极限温度，从而导致热失控引发自燃。我国“863”计划电动汽车重大专项计划书中对用于电动汽车的动力电池的性能做出一定要求，其中动力电池的工作温度为-20～50℃。再者根据相关研究表明[3],电芯适宜温度在0～40℃，当电池温度超过60℃时，会产生爆燃现象。可见，电池温度已是新能源汽车自燃隐患的集中点。

因此，我们拟设计一款可靠性强、实时性好的新能源汽车防自燃报警系统。该系统可以通过显示屏实时监测电池温度，当电池温度超过电池工作温度上限时，触发报警，并自动开启降温系统，使电池逐步恢复到正常工作状态。即使电池出现意外自燃情况，也可通过智能灭火系统进行及时灭火。

1 系统总设计

新能源汽车用电池的监测与防自燃报警系统主框架如图1所示，其主要由五大部分组成：STC89C52主控模块、测温报警模块、无线通信模块降温防自燃模块和电源模块，并具备以下功能：

图1 新能源汽车用电池的监测与防自燃报警系统总框架

（1）温度监测：实时监测并显示电池温度。

（2）辅助降温：当温度超过电池正常运行值40℃时，开启风冷降温。

（3）高温预警：当温度超过60℃时，蜂鸣器发出报警声，同时无线通信模块给用户拨打电话并发出提醒信息。

（4）灭火降温：当电池着火时，系统喷射气溶胶，阻断可燃物与空气中的氧气接触，达到灭火效果。

2 系统硬件设计

系统硬件结构如图2所示，主要包括：STC89C52单片机、内含天线和SIM卡的GPRS模块、ULN2003D芯片、DS18b20温度传感器、LCD1602液晶显示器、蜂鸣器、降温风扇、全自动气溶胶灭火器及电源。STC89C52处理芯片根据经I/O相连接的温度传感器采集的数据来判断是否开启降温风扇、蜂鸣器以及无线通信模块（图2中GPRS），其中蜂鸣器通过ULN2003D直接被主控逻辑芯片控制，降温风扇由继电器间接被主逻辑芯片控制，而全自动气溶胶灭火器直接粘附在系统表面。此外，系统设有内置电池以及液晶显示器分别用以给系统供电以及实时显示电池温度。

图2 新能源汽车用电池的监测与防自燃报警系统硬件结构图

STC89C52处理芯片，主要用来实现两个主控逻辑功能。一是将温度传感器终端采集到的数据发送给无线通信模块，然后上传到云端；二是根据温度传感器终端采集的数据来判断是否开启高温预警以及降温灭火装置。

2.1 核心组件的选取

（1）单片机采用8位标准MCS-51内核超低功耗STC89C52处理芯片，具有反应高速、低功耗等优点。

（2）GPRS无线通信选择的是SIM900A模块，该模块低功耗、工作频段双频（900/1800Mhz），可以实现低功耗语音、SMS（短信，彩信）、数据和传真信息的传输，支持RS232串口和LVTTL串口，带硬件流，支持5V-24V的超宽工作范围；故本模块易与89C52单片机进行连接，给系统提供包括语音、短信和GPRS数据传输在内的诸多功能。

（3）温度检测采用数字量输出的DS18b20温度传感器，它可以以0.1℃的增量在－55℃至+125℃的范围内测量温度，数据在单线接口上串行发送。

（4）蜂鸣器选择的是有源SFM-27高分贝报警器，主体直径30mm,谐振频率3000±500Hz,具有小型、可靠、声音大等优点。

（5）风冷降温主要由12V、1.6A、每分钟8000转的暴力强风风扇，该款风扇尺寸为8×8cm，具有风力大，功耗小、降温效果显著等优点。

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（6）显示器选择LCD1602，它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。

（7）ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。可直接驱动继电器等负载；其输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V，可用于蜂鸣器与电动机的驱动。

（8）灭火系统采用全自动气溶胶灭火器，当环境温度≥170℃具有自动感应、自动预防、密闭空间内6秒快速灭火、体积小等特点。

（9）电源采用5V容量为2WmAH供电的充电宝，具有可重复使用的功能。

2.2 模块化的安装方式设计

硬件电路连接如图3所示，并进行模块化封装设计，如图4所示。系统模块都采用封装良好的小型芯片设计，由蜂鸣器、GPRS模块、LCD显示屏、DS18b20温度传感器、降温风扇、全自动气溶胶灭火器组装而成，采用磁吸方式固定，并进行二次封装，其未封装的实物图如图5所示。因此，该系统具有小巧又美观、高可靠性、易于安装和方便使用等优点[4]。

图3 新能源汽车用电池的监测与防自燃报警系统硬件连接设计图

图4 模块外观设计图

图5 未封装的实物图

3 系统软件设计

系统软件流程图如图6所示，主要包括主控程序和报警模块两部分。

图6 系统程序流程图

3.1 主控程序设计

系统上电后，程序执行初始化子程序，这部分的功能包括I/O口输入输出状态的设定，寄存器清零、初始化定时器等[5]。DS18B20将检测到的温度数字信号直接输入单片机，单片机经过数据处理将结果通过LED显示，并根据温度纸判断是否执行相关动作。

3.2 报警模块

当单片机检测到经DS18B20温度传感器上传的温度数据超过40℃，系统会开启辅助降温功能；开启辅助降温功能后，如果温度持续上升，上升到60℃，此时单片机发送高温预警指令，开启高温预警模块。高温预警模块主要包括两个：一是高分贝蜂鸣器发出报警声，二是通过无线通信模块给用户拨打预警电话并发送提醒短信。如果系统从60℃以上的温度降到60℃系统除了会关掉蜂鸣器报警外，还会向用户发送一条危险解除短信。

4 系统测试与结果分析

4.1 设备入网测试

图7 SIM卡卡座

当模块接通电源时，SIM900A就会启动起来。当SIM900A模块接入电源时，模块上会有两个指示灯亮起，其中指示灯D5常亮，D6会开始闪烁，通信模块上的两个指示灯开始工作。此时可以通过观察D5和D6的工作状态来大致判断通信模块的工作状态。

4.2 系统功能测试

4.2.1 温度测试

为测试风冷降温系统的功能和对电池的降温效果，我们在环境温度为33℃的条件下对系统的自启动功能和降温效果进行了测试。测试的温度表1所示。

表1 系统测试

测试结果显示，在电池温度未达到40℃时风冷系统并未启动，其智能启动功能良好;在电池温度为42.5℃时降温系统启动10分钟后电池温度为34.5℃，相比系统未启动的情况电池温度下降了5℃;在电池温度为45.6℃时降温系统启动10分钟后电池温度为38.7℃，相比系统未启动的情况电池温度下降了5℃;在电池温度为55.2℃时降温系统启动10分钟后电池温度为43.2℃，相比系统未启动的情况电池温度下降了11℃。由此可以看出系统的降温功能良好，电池温度越高降温效果越明显。

4.2.2 系统灵敏度

(1)系统启动时间：10s

(2)风扇启动时间：0.1s

(3)报警启动时间：0.1s

(4)电话报警启动时间：5s

(5)短信报警启动时间：15s

(6)温度数据更新时间：1s

5 结语

本系统灵感来源于新能源汽车自燃现象，旨在最大程度上降低新能源汽车因电池温度过高而引起自燃所带来的损失。其主要功能包括实时温度监控与智能防护，实时温度监控可以随时随地了解电池温度，智能防护表现在蜂鸣报警、远程报警、自动降温等功能。本系统的成功研制可以有效避免由于新能源汽车用电池自燃而引起的火灾，并在一定程度上减少了人民群众利益的损失。同时，该电池监测与防自燃报警系统还可以运用在与大电池使用相关的产品上，如电动车、吸尘器、打草机等，具有较强的应用推广价值。