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摘要：随着新能源行业的快速发展，锂电池被广泛应用在新能源汽车动力电池和储能设备中，但是由于锂电池的管理复杂性，电池管理失效导致的汽车自燃现象层出不穷，如何对锂电池系统的安全检测进行有效管理和预警，如何在火情发生的第一时间进行灭火已经成为新能源领域的一个重要课题。本文提出一种基于紫外微火花检测为主，兼具传统烟雾和温度检测的复合检测的锂电池消防检测管理系统，通过采用针对微火花的紫外线检测方法，集合温度和烟气检测，能够快速、准确识别出电池系统的火情，并及时采取对应的消防措施。相比传统的烟气温度检测，大大提高的响应时间，并且可以做到电气故障预警检修提示，从而有效提高了电池系统的使用安全性，降低了发生火灾对企业和个人造成的损失。

关键词： 紫外光敏管 ；微火花检测；新能源电池系统；火情分级管控

ABSTRACT：With the rapid development of the new energy industry， lithium batteries are widely used in new energy vehicle and energy storage devices. However， due to the complexity of lithium battery management， the spontaneous combustion phenomenon of vehicles caused by battery management failure is endless. How to effectively manage and warn the safety detection of lithium battery packs and how to put out the fire as soon as the fire occurs become an important topic in this field.

In this paper， a lithium battery fire detection management system based on ultraviolet photosensitive tube with traditional smoke and temperature detection is proposed. By using ultraviolet detection method for micro sparks and integrating temperature and smoke detection， the fire can be quickly and accurately identified， and the corresponding fire control measures can be taken in time. Greatly improve the response time， and can do electrical fault warning beforehand， so as to improve the safety of the battery system， reduce the loss of the enterprise.

KEY WORDS：  Ultraviolet arc detection， New energy battery pack， Fire grading control

背景

随着新能源行业的快速发展，锂电池作为新能源汽车的动力电池被广泛使用，更大规模的电池储能领域也得到快速的发展。锂电池作为一种能量的载体，其内存储了大量能量，现有的电池主要通过电化学储能的方式实现储能。

在电池的使用过程中，一方面，其在能力释放的过程中，会产生大量热量，若电池热量产生速度大于散热速度，则电池温度将快速升高，并由此导致自燃等安全隐患；另一方面，电池在受热条件下非常容易发生剧烈的化学反应，并进一步使得电池的温度升高，甚至出现“热失控”现象，并导致安全事故的发生；此外，在电池系统中还有很多电气元件和大电流的接插件，由于振动或元件老化导致元件的接触点在工作时容易产生电弧或电火花，如不及时维修或更换，将导致烧蚀进而引发电池系统的高温燃烧等安全事故的发生。

为了解决上述技术问题，技术人员采用温度传感和烟雾传感的方式对电池系统进行监控，在电池系统内温度达到一定值后采取对应的安全措施，或在检测到存在特殊气体，如甲烷、二氧化氮、一氧化碳；或烟雾到达一定浓度后，认为电池系统发生了火灾，再采取对应的安全措施。

然而在实际应用过程中，温度传感的方式受到电池使用的正常发热、外界环境温度等的影响，因此存在较大偏差，无法做到精确检测；而采用烟气传感的方式，一方面存在较大的滞后性，即只能在电池系统已经发生较大火情后才能被检测到。但由于锂电池的特性，系统在发生火情检测隐患之后一般会在极短的时间发展为大型火灾并造成巨大损失，根据多次新能源汽车自燃的状况和灭火情况看，一旦产生明显火焰或烟气后，基本无法控制灭火，只能等待锂电池系统自身燃尽。

本文提出了一种针对基于紫外光敏管检测电弧和火焰为主，兼具传统烟雾和温度检测的复合检测的锂电池系统的消防检测管理系统。通过采用微火花的紫外线特征的检测方法，能够极快速、并准确识别出电池系统的火情，并及时采取对应的消防措施，相比传统的烟气、温度检测，大大提高的响应时间，并且可以做到电气故障预警检修提示，从而有效提高了电池系统的使用安全性，降低了发生火灾对企业和个人造成的损失。本文着重讨论了紫外光敏管的特性选型，如何搭建火灾监测和消防系统，基于紫外光敏管的复合火灾检测的硬件电路的搭建，软件程序的设计，以及主要的关键电路和算法实现进行了探讨。

基于紫外光敏管的微火花检测原理分析

紫外光敏管是一种利用光电子发射效应的光电管，‌它主要响应300nm以下的紫外辐射，‌具备高灵敏度、‌高输出、‌高响应速度等特性。‌这种传感器能够检测到人感官觉察不到的紫外线，‌同时避免日光、‌灯光和其他常见光源的干扰，‌因此在安全防护和自动化控制方面有广泛的应用价值。‌紫外光敏管具有抗干扰能力强、‌稳定可靠、‌寿命长、‌耗电少的特点，‌可以应用于火焰监控、‌报警器等设备中作为紫外探测器件。‌其光谱响应范围通常在185～290nm之间，‌峰值波长约为210nm，‌具有工作电压范围宽、‌良好的日光盲特性以及快速的响应等特点。

紫外光敏管的应用场景非常广泛，‌主要包括医疗、‌环境监测、‌火灾探测、‌杀菌消毒等领域。特别是在‌火灾探测领域：扮演着核心角色，‌利用探测物质燃烧所产生的紫外线来探测火灾。‌这种传感器能够可靠地探测火焰的微弱紫外发光，‌从而在火灾报警器、‌纵火监视、‌燃烧器的燃烧监控设备中发挥重要作用。但是在新能源锂电池系统领域的使用，国内的应用经验尚少，需要对微小电火花进行检测，在火情的极早期就要发现问题，所以对紫外光敏管器件的选择尤为重要。以本设计产品选用的HAMAMATSU公司的R2868紫外光敏管为例，其光谱响应曲线如下图所示：

从图1可以看出，该紫外光敏管在180～260nm区间有相当高的灵敏度，并且基本上避开的太阳光的光谱，具备相当好的日光盲特性，在自然环境下的使用基本上不会受到自然光的干扰。

但是紫外光敏管也有自身的局限性，包括以下几点：

检测距离有限：‌常规的紫外火焰检测器直接检测火焰中180-260nm的紫外光谱，‌虽然检测目标明确，‌响应速度较快，‌但存在距离限制，一般‌导致检测距离小于15m，‌限制了其应用范围。

不能抗雷电干扰：‌紫外火焰检测器在检测过程中可能受到雷电干扰，‌存在一定的误报率，‌因此主要适用于封闭或室内环境。

但是在新能源电池系统领域，由于其特殊的应用场景，一般为室内或封闭场景，近距离检测，恰好避开了这些不足。检测单元一般会放置在电池包内，或者储能集装箱内，距离短，不会受到雷电等干扰，可以得到非常良好的应用。

系统架构设计

单独使用微火花传感器，其实已经能够满足电池系统的火灾检测要求，但是由于紫外微火花传感器由于自身特性可能会产生的自激或偶尔干扰现象；长时间使用后的灵敏度下降，所以我们的检测单元还融合了传统的烟雾和温度检测，形成一个复合的检测单元。在软件层面采用融合算法，避免有单个传感单元故障导致的误报。

整个系统的架构由一个或多个紫外复合检测器、供电电源、控制器、一个或多个灭火器、声光报警器、启动和灭火开关等组件组成。

在电池包系统的应用下，控制器一般为BMS主控单元，一个电池包可以内部安装一个紫外复合监测器和一个外挂的灭火器，灭火器通过一个固定喷嘴接入到电池包里面。检测流程如下，如某电池包内的紫外复合监测器检测到微弱的电弧拉弧或者火焰信号，检测器通过CAN总线或RS485总线发送到主控制器。主控制器根据判断的火情等级控制接入的声光报警器进行提醒和报警。如果某个电池包内的监测器检测到的是比较严重的火灾信号，则主控制器直接控制该电池包的灭火器进行对电池包的包内灭火。

在储能系统的应用下，根据储能集装箱柜的大小，布置多个紫外复合检测器，一般在集装箱的四角，如果特别大型的，可以考虑在中部两侧分别布置两个或四个；灭火器装置根据电池系统的安装位置进行布局。主控制器为储能柜的电气控制单元。检测流程、报警逻辑以及灭火逻辑和电池包系统相同。

系统硬件电路设计

系统硬件主要分为两个部分，一部分是火情检测电路，一部分为火灾抑制电路。

在火情检测电路方面，本系统采用MicroChip的ATSAMC21芯片作为主控CPU，该微控制器 （MCU） 采用32位ARM® Cortex®-M0+处理器，专门针对工业自动化、电气设备的应用进行大量优化。内核规格 32 位单核，速度 48MHz，连接能力具备CANbus，I²C，LINbus，SPI，UART/USART；外设包括欠压检测/复位，DMA，POR，WDT，I/O 数 26；FLASH程序存储容量 256KB（256K x 8），RAM 大小最大为32K x 8；电压供电 （Vcc/Vdd） 2.7V ～ 5.5V，具备多路数据转换器A/D 10x12bit，1x16bit; D/A 1x10bit；工作温度符合工业级要求 -40℃ ～ 85℃。本设计选用该芯片满足了工业级要求，CAN和RS485接口的输出，烟气传感器和温度传感器部分的AD采样等功能，也兼顾了产品的成本和性能的考量。

紫外检测电路部分：由于紫外光敏管的工作条件为300～350V 之间，过低无法有效激发紫外光敏管工作，或者检测灵敏度过低，过高极容易损坏光敏管或者使用寿命大大下降。但是在普通的低压电子电路中产生如此稳定的高压比较复杂，单纯采用普通升压电路很难做到稳定的高压输出，并且无法保证生产的一致性。本设计采用了反馈回路的方式获得相当稳定的高压，通过单片机的IO口产生PWM波控制电路驱动MOS管，MOS再驱动变压器，产生320V左右的高压；反馈端通过AD采样电路检测产生高压的数值；MCU再根据计算得到的高压的数值调整PWM波的占空比，通过不断地反馈调整，让输出的电压始终稳定在320～330V的高压上面。确保光敏管在最佳工作条件下工作，也保证了其灵敏度和使用寿命。

温度和烟气检测部分，这两部分是非常成熟的设计，有很多可靠的检测方案，火灾监测对温度的精度要求并不高，1℃左右的精度已经足够，所以温度检测采用普通的NTC温度传感器即可，接入单片机内部的AD接口直接进行实时采样。烟气检测的方式雷同，这里不再赘述。

火灾抑制电路部分在不同的应用场景有一些区别。在电池包的应用中采用基于全氟己酮的灭火器，灭火器通过一个喷嘴连接到电池包内，电路上使用12V I/O信号进行控制，电路比较简单，可以采用MOS管开关或者继电器控制均可。当收到灭火控制指令时，灭火器的控制开关打开，灭火器快速向电池包内喷出全氟己酮溶液，排出电池包内的空气，起到阻隔空气，避免燃烧的效果。全氟己酮的特点是无色无残留，喷射灭火过后，物体表面无残留，无腐蚀，无颜色，非常便于后续的维修和整顿。在储能系统的应用中，由于空间比较大，通过灭火器喷出物排出储能集装箱柜的空气不大可能，一般选用干粉灭火器，快速对电池系统区域进行铺盖阻断与空气的接触。

软件实现

本设计的软件层次结构如下图所示：

系统的软件架构如下图所示：

底层软件可以基于的MicroChip提供的 MPLAB集成开发环境，MCC模块通过类似系统原理框图配置的方式，快速生成HAL驱动程序。中间层的微火花检测程序、气体检测程序、温度检测程序等各个检测模块可以通过FreeRTOS创建独立的任务来进行，非常便捷，系统调试也相对独立，互补干扰。

为了减小系统的误报率，增加系统可靠性，以及对系统火情检测的分级控制。中间层软件增加了火情融合分析检测程序模块，该模块融合分析微火花，气体，温度三个底层单元的监测结果，结合通过上位机设置的监测灵敏度，综合分析出当前的火情等级。该系统火情等级，分为三级，一级提醒，二级报警，三级故障。

提醒和报警的声光输出程序是I/O输出控制；报警信息的输出基于制定的软件协议，通过CAN和RS485的通讯输出到主控制器；自检程序进行系统各个检测单元的自检并反馈故障，以上均为常见处理程序逻辑，在此不再赘述。

测试验证

测试验证主要针对紫外检测单元，温度检测单元，烟气检测单元的基本功能和灵敏度进行测试验证。

对紫外检测单元的验证，一方面需要对微火花的监测性能进行评估，特别是对拉弧，火焰的检测性能和检测距离进行评估，另一方便还要检测在干扰环境下紫外光敏管的误判性进行评估。我们采用了两个检测样本，一个是燃气点火器用于模拟微弱电弧的发生，一个是普通打火机模拟微小火焰发生；通过设置不同距离，在普通室内灯光下，和室外阳光下，在1米，2米，5米，10米的距离下进行多次试验。

经测试验证，本产品系统在3米以内对燃气点火器，和打火机火焰有非常可靠的检测结果，且不会受到自然光的影响；5米左右有相对可靠的监测结果。响应灵敏度低于100ms，并且响应灵敏度与检测距离无关。结合使用场景，在电池包的应用领域，电池包的尺寸基本上不会超过3米，并且在封闭环境，具备了相当高的可靠性。在储能集装箱柜的应用领域，可以根据集装箱柜的尺寸大小，每隔3米左右放置一个检测单元，来满足检测精度的要求。

通过紫外光敏管对电弧或火焰的监测方式比传统的温度、烟气传感器检测方法，对火情的监测检测响应速度大大提高。温度和烟气具有逐渐变化的特性，需要时间累积到一定程度才能别识别，所以传统的温度、烟气传感器检测方法基本上在30s以上，大部分甚至超过一分钟。而电弧或火焰的发生是瞬变的，采用紫外光敏管对电弧和火焰进行检测效率大大的提高。结合我们灭火器的电气控制，其控制响应速度也低于1s，喷射基本上也在3s内完成。也就是说，从检测到火焰，到最后执行火灾的灭火，整个系统基本上可以在秒级完成。

除此之外，对温度的监测验证，可以使用对NTC温度传感器加热，确认系统检测的温度值和温度计等仪器测试值是否匹配。对烟气的监测验证雷同，这里不再赘述。

结论

本设计的最终产品为整合到不同应用场景的电池系统产品的一套火情检测和消防系统。在电池包应用上，每个电池包包含一个内置的紫外微火花复合检测器，和外挂的全氟己酮消防单元，在储能应用上，根据储能柜的大小和电池的放置方式来配置检测单元和灭火单元。该产品已经广泛使用在我们的动力和储能电池系统中，并作为新能源锂电池系统的标准配置。在对安全敏感的工程领域，由于大多数客户的要求，火情检测和报警信息需要传送到后台的综合监控平台，本产品提供的火灾前期的电气故障报警和检修提醒，用户管理方定期根据此类信息安排人员进行有目的的维护和保养，防患未然。受到了客户的积极好评。

除此之外，该产品系统还可以广泛应用新能源充电桩，电力储能柜，电力电气设备的火情检测领域。

参考文献：

[1]HAMAMATSU， datasheet of FLAME/Dischage Sensor UVtron，2021.

[2]赵太飞、姜凤娇、高鹏，紫外光散射机理与应用技术，2024年

[3]陆海，宽禁带半导体紫外光电探测器，2021年

[4]全国分析检测人员能力培训委员会著， 紫外-可见吸收光谱分析技术，2013年

[5]MicroChip， datasheet of ATSAMC21， 2021.

[6]刘火良、杨森，FreeRTOS内核实现与应用开发实战指南，2019年。