CN109961602A - 一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置，主要由火灾信号监控系统和通讯预警系统组成。火灾信号监控系统主要包括红外温度传感器，一氧化碳气体传感器和烟雾气敏传感器等。通讯预警系统主要包括Arduino单片机电路板，液晶显示屏(LCD)，预警蜂鸣器和预警指示灯等。火灾信号监控系统实时监控目标锂离子电池的工作状态，并将信号传输至单片机控制中心，单片机做出相应判断后，得到目标锂离子电池的实际工作状态，并决定是否发出预警声光信号和采取后续消防联动措施。火灾信号监控系统和通讯预警系统相互配合，协同工作，可以在锂离子电池发生热失控的早期发现险情，采取应对措施。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池的监测预警的技术领域，具体涉及一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置，其为可实时监测目标锂离子电池工作状态并在发生热失控前发出声光预警信号的火灾预警装置。
背景技术
随着我国对于新兴清洁能源日益增大的市场需求，锂离子电池因其高比能量储能、高循环比、环境友好、应用范围广泛等优点而得到了大力发展。尤其在近几年，我国从政策层面上极力推进新能源汽车的普及，新能源汽车的产销量爆发性增长，市场呈现出明显的政策性倾向。但是，锂离子电池本身仍存在一些技术问题亟待解决，锂离子电池的热安全性是最重要的问题之一。锂离子电池在热滥用的外部条件下发生热失控可达到使铝集流体熔化的温度，从而导致电池释放大量烟气、发生着火爆炸等情况。因此，锂离子电池的安全问题是其大规模应用的瓶颈。
本发明旨在设计一种以锂离子电池为应用对象的安全预警装置，可以在目标锂离子电池发生热失控前发出三级声光预警信号，提醒相关人员电池出现危险征兆，从而保证足够的反应时间来采取紧急措施。因为锂离子电池在发生热失控之前电池表面会伴随明显的升温过程，直至达到一个较高的温度，发生热失控，同时伴随烟雾及特征气体的释放，所以本发明选用了电池表面温度、烟雾浓度及一氧化碳气体浓度作为测量信号，设定相应的阈值进行报警判断，实现了在锂离子电池热失控早期发现问题并发出三级声光预警信号的目标，增大了锂离子电池系统的整体安全性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种专门针对锂离子电池的新型火灾预警装置，提高锂离子电池的使用安全性。本发明要解决的问题是：设计一种锂离子电池火灾信号监控装置，可以在目标锂离子电池发生热失控前检测到相应的异常信号，并发出声光预警信号以联动后续消防措施。从而应对锂离子电池热失控的发生与传播，有效提高以锂离子电池为动力源的系统的整体安全性能。
为了解决上述问题并实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置，主要由火灾信号监控系统和通讯预警系统组成。火灾信号监控系统主要包括红外温度传感器、烟雾气敏传感器、一氧化碳特征气体传感器和通讯线路等；通讯预警系统主要包括Arduino单片机电路板、预警发光二极管(LED)灯、蜂鸣器、液晶显示屏(LCD)和通讯线路等。
其中，火灾信号监控系统布置在目标锂离子电池附近，可实时采集电池的工作状态信号。
进一步的，红外温度传感器选用非接触式红外测温传感器，金属封筒里同时集成安装了红外感应热电堆探测器芯片以及信号处理专用集成芯片，同时集成了低噪声放大器、17位模数转换器和数字信号处理单元。可以长时测量-70～380℃的物体表面温度，相应的探测温度分辨率为0.02℃，测温精度为0.5℃，该传感器适宜工作环境温度为-40～125℃。所需的电源直接由Arduino单片机电路板提供。
进一步的，烟雾气敏传感器选用烟雾气敏传感器，监测浓度范围50～10000ppm，工作环境为常温常湿。所需的电源直接由Arduino单片机电路板提供。
进一步的，一氧化碳特征气体传感器选用一氧化碳可燃气体传感器，监测CO浓度范围为10～1000ppm，工作环境为常温常湿。所需的电源直接由Arduino单片机电路板提供。
其中，通讯预警系统主要包括作为控制中心的Arduino单片机电路板、液晶显示屏(LCD)和发出三级声光预警信号的发光二极管(LED)彩灯以及蜂鸣器。
进一步的，Arduino单片机是开源电子原型平台，本装置使用unor3开发学习控制板。在Arduino IDE中编写程序代码，上传至Arduino电路板后，就可以实现预期功能。Arduino单片机的电源可以搭配专用电池盒，也可以直接连接家庭电路等常用电源。
进一步的，发光二极管(LED)彩灯和蜂鸣器可发出三级声光预警信号，具体模式如下：初次报警信号为蓝色LED警示灯持续亮起，提示相关人员被检测锂离子电池的表面温度发生异常升温现象，继续升温将有可能发生危险情况；二级报警信号是蓝色LED警示灯熄灭，红色LED警示灯亮起并开始闪烁，同时蜂鸣器发出间断的报警蜂鸣声，提示相关人员锂离子电池内部已经超出了设计使用温度，具有很大的不安全性，应立即采取措施降温；三级预警信号是蜂鸣器发出连续的警报蜂鸣声，红色LED警示灯开始持续发亮，提示相关人员被检测锂离子电池内部已开始反应，释放出许多特征气体，如不采取相应措施，锂离子电池有极大可能发生热失控，导致后续火灾爆炸等危险情况。
进一步的，液晶显示屏(LCD)选用16×2型号，即可以在两行中显示16个字符，每个字符5像素宽、8像素高，由HD44780内置芯片驱动，有16个可用引脚，所需的电源直接由Arduino单片机电路板提供。
本发明的优点在于：1、专门针对锂离子电池火灾预警需求而设计制作，相应预警参数基于锂离子电池的实际研究结果而设置，更具有使用针对性。2、红外测温为非接触式测温方式，有效避免了锂离子电池热失控时表面高温对传感器本身的损害。3、温度信号和特征气体浓度信号协同进行预警判断，提高预警精度，且可以在锂离子电池热失控早期就发现险情，采取措施。4、体积小，布置灵活，可以在多样化的实际工程环境中得到应用。
附图说明
图1为本发明一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置电路图；
图2为本发明一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置实物图；
图3为本发明一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置实施案例图；
图4为本发明一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置实施案例预警结果图；
图5为锂离子电池火灾预警装置工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图、具体实施方式和验证实验案例进一步说明本发明。
本发明一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置主要包括：火灾信号监控系统和通讯预警系统。
火灾信号监控系统的三种传感器安装在目标锂离子电池附近。其中，红外温度传感器为非接触式测温，布置在正对目标锂离子电池表面，相距3～5cm；烟雾气敏传感器和一氧化碳特征气体传感器布置在目标锂离子电池的上部空间内。锂离子电池发生热失控时表面往往会出现急剧升温，伴随大量高温烟气的释放，因此传感器布置位置应与目标锂离子电池保持合适的距离，确保传感器本身适宜的工作环境。
通讯预警系统主要包括Arduino单片机电路板、LCD液晶显示屏和发出预警信号的LED彩灯以及蜂鸣器。其中LED彩灯、蜂鸣器和LCD液晶显示屏焊接在同一块电路板上，与Arduino单片机一起布置在较为远离目标锂离子电池的位置。火灾信号监控系统的实时监测信号通过通讯线路传输至单片机中进行阈值判断。以18650型锂离子电池为例，三级温度阈值设定为60℃、80℃和90℃，其他工程应用情况可根据实际需求调节预警阈值。烟雾和一氧化碳气体浓度阈值设定为300ppm，即任何有别于大气环境的气体浓度变化均视为异常情况。如图1所示，展示了预警装置发出预警信号的逻辑流程图，单片机内部代码即按照该逻辑流程编写。
图2展示了本预警装置的具体电路图，相应电路的连接即按照该图所示进行焊接。其中预警装置的电力来源可以采用专用电池盒，也可以通过家庭电路、汽车电源等方式获得电力来源。
图3展示了本装置的简略实物图，体积较小，便于使用，传感器探头可以自由安装于适合的位置。
为验证本预警装置的实用功能，以18650型三元锂离子电池为预警监测目标进行了4次验证性实验，实验布置如图4所示，具体实验数据展示如表1。
表1装置预警时间点与电池特征实验现象时间点汇总表
分析实验数据，可基本得到以下结论：本发明在锂离子电池发生热失控前，可以及时发出声光预警信号，基本保证5分钟左右的预警反应时间，有利于后续灭火等消防措施的开展。该组验证性实验检验了本发明确实具有提前预警锂离子电池热失控的功能，客观上调高了锂离子电池使用过程中的安全性能，具体预警结果见图5。本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置，其特征在于：主要由火灾信号监控系统和通讯预警系统组成，其中：
所述火灾信号监控系统主要由红外温度传感器、烟雾气敏传感器、一氧化碳特征气体传感器和通讯线路组成，火灾信号监测系统用于以目标电池的表面温度、烟雾与特征气体浓度作为监测信号，实时测量目标电池的状态信息，并通过通讯线路传输至数据处理中心进行阈值判断。
所述通讯预警系统由Arduino单片机电路板、预警发光二极管(LED)灯、蜂鸣器、液晶显示屏(LCD)和通讯线路组成，Arduino单片机电路板选用Arduino Uno型电路板，可在Arduino IDE环境中编写相应的程序代码，预警发光二极管(LED)灯和蜂鸣器可在发生险情时发出声光预警信号。
2.如权利要求1所述的一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置，其特征在于：以Arduino单片机电路板作为数据处理中心以及控制中心，接收各传感器的实时监测信号并进行统一阈值判定，当确定出现危险情况时，可启动发光二极管(LED)彩灯及蜂鸣器发出声光预警信号。
3.如权利要求1所述的一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置，其特征在于：专门针对锂离子电池设计，布置灵活，本预警装置使用的各传感器可自由布置在目标锂离子电池表面、上方、附近位置，可视实际情况灵活布置，为针对锂离子电池热失控时表面升温明显问题，采用红外测温方式，并选用一氧化碳/氢气作为特征气体来检测锂离子电池的工作状态，相应阈值参数可针对不同电池进行针对性设定，可实现锂离子电池发生热失控前5分钟发出预警信号。
4.如权利要求1所述的一种基于单片机的锂离子电池火灾预警装置，其特征在于：液晶显示屏(LCD)可实时显示红外温度传感器测量温度，并记录测量到的最高温度值和最低温度值，液晶显示屏(LCD)选用16×2型液晶显示屏。
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