消防用鋰電池研究與分析

劉婕，路桂娟

(廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊065000)

鋰電池具有高活性、高能量密度和輕質(zhì)的基本特性。這使鋰電池成為消防設(shè)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(yīng)用的難題。對鋰電池的安全性能評價(jià)技術(shù)進(jìn)行了深入的分析探討，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的消防用鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)，保證了消防電池運(yùn)行的可靠性。

鋰離子電池；消防設(shè)備；安全性評價(jià)；監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)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(yīng)用水平和舒適度，電力電子設(shè)備被大量應(yīng)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(yùn)行的可靠性，大多數(shù)建筑都按照國家要求布置了相應(yīng)的消防報(bào)警和防火滅火裝置。而這些裝置的正常運(yùn)行，是關(guān)系人民生命財(cái)產(chǎn)安全是否能及時(shí)得到保全的重要問題，因此，保證消防設(shè)備的可靠運(yùn)行是消防工作的重要環(huán)節(jié)。

消防電源是消防設(shè)備的重要組成部分。對于一個(gè)消防系統(tǒng)來說，如果沒有可靠的消防電源，消防水源就無法啟動(dòng)、防火分區(qū)的防火卷簾和防火門無法到位、排煙系統(tǒng)，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(shè)備正常工作的保障，為建筑內(nèi)的所有消防設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行提供動(dòng)力。

1 消防用鋰電池電源分析

根據(jù)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了減少火災(zāi)的損失，發(fā)生火災(zāi)后市電在保持?jǐn)?shù)分鐘后會(huì)斷電，由于市電供電的消防設(shè)備的主電中斷，此時(shí)應(yīng)該由消防電源進(jìn)行供電。消防電源分為主機(jī)電源和備用電源，而當(dāng)主機(jī)電源用電耗盡時(shí)，就應(yīng)調(diào)用備用電源，備用電源要保證在8 h的時(shí)間內(nèi)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(hù)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(diǎn)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(zhì)作負(fù)極的化學(xué)電源的總稱。由于鋰的標(biāo)準(zhǔn)電極電位負(fù)值較大而且比容量較高，因此具有電源高、比能量大、可反復(fù)充放電、無記憶效應(yīng)和無污染的特征，因此，較為適合應(yīng)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(zhì)和導(dǎo)電物質(zhì)等)、負(fù)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(fù)極容易形成枝晶。枝晶體刺穿隔膜后，造成電池內(nèi)部的短路，形成大電源，而電流在一定條件下引發(fā)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(yīng)用的難題。為了提高鋰電池使用的可靠性，采取一定的技術(shù)手段對電池的工作狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控是保證鋰電池安全運(yùn)行的重要方式。

2 消防鋰電池安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2011年12月，國家標(biāo)準(zhǔn)委編制了GB28184-2011標(biāo)準(zhǔn)，其中對消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的功能作出了明確的規(guī)定。規(guī)定指出“用于監(jiān)控消防設(shè)備電源的工作狀態(tài)，在電源發(fā)生過壓、欠壓、過流、缺相等故障時(shí)能發(fā)出警報(bào)的監(jiān)控系統(tǒng)”，并強(qiáng)制規(guī)定了消防電源監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能、實(shí)驗(yàn)和檢測規(guī)則等內(nèi)容[1]。

根據(jù)以上的規(guī)定，本文所實(shí)現(xiàn)的消防鋰電池安全監(jiān)控系統(tǒng)在總體上完成以下功能設(shè)計(jì)：

(1)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)︿囯姵氐膶?shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控，監(jiān)控的內(nèi)容包括鋰電池的輸出電壓、電流、內(nèi)部溫度、是否出現(xiàn)缺項(xiàng)、錯(cuò)項(xiàng)、過載等供電異常現(xiàn)象；

(2)監(jiān)控系統(tǒng)能夠在100 s內(nèi)識(shí)別出鋰電池的運(yùn)行異常，并發(fā)出故障聲、光信號提示，顯示并記錄相應(yīng)的故障部位、基本故障類型和發(fā)生的時(shí)間，同時(shí)應(yīng)切斷故障點(diǎn)與其它工作點(diǎn)的影響，以保證非故障部分的正常工作；

(3)故障排除后，監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位其故障信號，并記錄相應(yīng)的維修信息，提供相應(yīng)故障及維修信息；

(4)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)保持一定的數(shù)據(jù)采集精度、控制指令的實(shí)時(shí)性等基本處理要求。

3 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)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(jiān)測鋰電池內(nèi)部的溫度情況，本文采用紅外測溫技術(shù)來完成相應(yīng)的監(jiān)測功能。

紅外測溫技術(shù)是一種非接觸性遠(yuǎn)距離測量溫度的技術(shù)。在電力系統(tǒng)的故障診斷中應(yīng)用較為廣泛。紅外測溫技術(shù)與傳統(tǒng)測溫技術(shù)相比，具有以下的特點(diǎn)：

(1)具有較好的測量精度和速度

紅外測溫在測量時(shí)不會(huì)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(dá)到0.01℃。同時(shí)，紅外測溫可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測溫，不需要達(dá)到熱平衡時(shí)就可以讀出所測物體的溫度，所以測溫速度非?？欤@一點(diǎn)非常適合于故障的預(yù)警，當(dāng)溫度稍有異常時(shí)，系統(tǒng)就報(bào)警，可以縮短故障預(yù)警的時(shí)間。

(2)具有良好的測溫適應(yīng)能力

紅外測溫可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測溫，測量的距離可近可遠(yuǎn)，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(biāo)的測溫過程，具有相當(dāng)強(qiáng)的適應(yīng)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(huì)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(shù)所具有的靈敏度高、檢測效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、測量范圍寬等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消防、電力、建筑、安防等領(lǐng)域，因此，對于鋰電池等被測物體，利用紅外測溫技術(shù)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(huán)境因素的影響下，其輻射率也具有不穩(wěn)定性的一面，因此，對其進(jìn)行應(yīng)用改造也是必須的。

本文所改造的紅外測溫系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 紅外測溫系統(tǒng)圖

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

S3C6410是一款低功率、高性價(jià)比、高性能的通用處理RSIC處理器，采用64/32的內(nèi)部總線架構(gòu)，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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的有線數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)數(shù)據(jù)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(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，以完成相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

基于以上設(shè)計(jì)的紅外測溫系統(tǒng)，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(jìn)行測量；另一方面，也可以有效地防止紅外測溫受環(huán)境影響的弊端[2]。

4 結(jié)論

本文利用紅外測溫技術(shù)設(shè)計(jì)了鋰電池安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用嵌入式芯片對紅外測溫進(jìn)行了改進(jìn)，可以有效地防止環(huán)境對監(jiān)測結(jié)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(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的必要性與應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)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(xué)，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?yàn)榛瘜W(xué)教育。