新能源汽車過熱問題及關鍵技術分析

徐曉東

（重慶長安汽車股份有限公司）

目前，國內外學者對新能源汽車過熱問題進行了大量的研究。文獻[1]研究了鋰離子電池充放電過程中的熱特性；文獻[2]研究了低壓環(huán)境對鋰電池熱失控釋放溫度的影響；文獻[3]研究了鋰離子電池模組結構因素對熱失控傳播的影響；文獻[4]研究了電池連接方式對熱失控傳播的影響；文獻[5]研究了基于阻抗相移快速監(jiān)測法的三元鋰電池熱失控預警策略；文獻[6]提出了一種串聯(lián)電池組接觸電阻故障診斷策略，及時預警識別熱失控風險。新能源汽車過熱問題的機理、解決方法（結構、策略）2 個方面的研究已經(jīng)得到了一定的完善，但是對過熱問題原因、減少過熱問題措施的研究還有很大的拓展空間。文章從用戶因素、服務站因素及車企因素進行了過熱問題的原因分析并提出了解決措施。

1 過熱問題原因分析

1.1 用戶因素

1.1.1 充電方式

由于三元鋰電池的高能量密度特性，使得其成為新能源乘用車廣泛采用的電池。然而三元鋰電池熱穩(wěn)定性較差，一旦過熱（達到70～120 ℃），單體電池會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，嚴重時會釋放易燃有毒氣體[7]。因此把電池包的溫度控制在標準范圍內是減少過熱風險的有效措施。目前市場上新能源汽車分為家用版和運營版。為了減少成本，部分家用版新能源汽車電池包內部沒有安裝冷循環(huán)系統(tǒng)。在夏季高溫環(huán)境下，用戶若經(jīng)常采用直流快充方式充電，鋰電池內部溫度會因大電流充電工況而急劇升高，嚴重時會存在過熱風險。

1.1.2 用戶改裝

正常工況下新能源汽車的行駛狀態(tài)和各控制器狀態(tài)都已經(jīng)經(jīng)過試驗測試，達到了比較理想的狀態(tài)。部分用戶為了給其他設備供電，可能會私自改裝線纜連接、飛線充電，這會導致整車的平衡狀態(tài)被打破，續(xù)駛里程發(fā)生變化，嚴重的話會導致電氣故障，引發(fā)過熱風險[8]。

1.1.3 使用場景

雨天行駛是汽車常見工況，新能源汽車是電氣高度集成化的產(chǎn)物，絕緣故障檢測是過熱問題管控的重中之重。新能源汽車通常會經(jīng)過一系列的浸水測試，但是由于車輛生產(chǎn)過程中的不一致性，車輛在長時間經(jīng)過涉水路段或者在暴雨天氣時泡水，可能會導致車身控制器的常電電路進入異物，造成接插件端子間發(fā)生微短路并逐漸產(chǎn)生銅綠腐蝕，嚴重時會產(chǎn)生火弧燒蝕，存在過熱風險。雨天充電也是較為常見的充電使用場景，它對充電樁的絕緣要求很高。在雨天充電時，若發(fā)現(xiàn)充電槍口磨損嚴重，無法確認其密封性時，應換樁充電，避免過熱風險。

1.2 服務站因素

目前，新能源汽車發(fā)展較快，但其售后維修市場卻發(fā)展緩慢。各個服務站維修水平參差不齊，大部分服務站都缺乏專業(yè)的高級維修工程師，這可能會帶來一些潛在的過熱風險。

1.2.1 軟件角度

由于新能源汽車發(fā)展較快，各控制器軟件版本更新?lián)Q代隨之加快。部分服務站在給新能源汽車刷寫最新版軟件時，存在將其他車型的控制器軟件版本更新到保養(yǎng)車輛的現(xiàn)象。由于軟件版本不一致，在充電過程中會存在動力電池過充風險，即單體電壓達到截止電壓（4.2 V）時，汽車仍在充電。動力電池過充會導致單體電池正極材料嚴重脫鋰，使正極材料與電解液發(fā)生化學反應產(chǎn)生大量熱量，若電池模組結構設計不合理，會導致熱量無法傳播，引發(fā)熱失控[9]。

1.2.2 硬件角度

新能源汽車故障從硬件角度可以分為高壓線束故障和系統(tǒng)部件故障。

高壓線束接插件接插需要遵循插拔力標準。服務站在進行排查維修復原時，如果高壓接插件接插不到位，汽車在顛簸路況行駛時產(chǎn)生的劇烈抖動以及大油門時刻產(chǎn)生的大電流2 個因素會造成高壓線束接插件部分產(chǎn)生電弧，引發(fā)燒蝕，帶來過熱風險。

系統(tǒng)部件故障分為電池包內、外故障。1）電池包內故障：目前新能源汽車電池包由幾千個單體電池組成，幾個單體電池組成一個電池模組，每個電池模組之間用銅排連接[10]。服務站在拆解、維修、更換電池模組時，如果對高壓銅排連接的螺栓未擰緊或者固定不到位，可能會導致行駛過程中銅排螺栓處抖動，產(chǎn)生電弧引發(fā)燒蝕，嚴重時有整包過熱的風險；2）電池包外故障：電機控制器及高壓分線盒中存在大量的電子元器件，服務站在拆裝維修完電機控制器或者高壓分線盒時，如果沒有對系統(tǒng)內部進行清潔，可能會導致一些異物（例如小螺釘、鐵絲或汗珠等）進入系統(tǒng)部件，進而導致行車中高壓短路，引起過熱風險。

1.3 車企因素

1.3.1 設計問題

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，部分車企技術積累不足的缺點逐漸暴露。導致過熱的設計問題主要是電池包設計不合理，主要包括：

1）結構設計問題。電池包內部由眾多電池模組、低壓線束、配電銅排及控制器組成，設計時若未考慮到極端工況下的使用情況，可能會導致電池包內部出現(xiàn)干涉，進而引發(fā)過熱問題。某新能源汽車在電池包設計時，未考慮到電池模組采樣線束與模組上蓋板擠壓干涉的可能性，導致汽車在一些極端工況下，采樣線束會被擠壓磨損，進而引發(fā)短路，導致過熱問題。

2）功能及可靠性測試問題。部分車企為了獲得政府補貼，盲目追求項目進度，縮短了電池包功能及可靠性的測試驗證時間，導致工程解決方案不成熟，這是造成售后產(chǎn)品質量問題頻發(fā)的根本原因，嚴重的會導致過熱問題[11]。

1.3.2 制造問題

生產(chǎn)制造問題是新能源汽車產(chǎn)生過熱現(xiàn)象的重要原因，可以分為供應商制造問題和車企制造問題。

供應商制造問題表現(xiàn)為高壓線束問題和電池模組問題。1）高壓線束問題：新能源汽車在使用過程中電流達到幾百安，絕緣層失效、高壓線束電纜與接插件端子的壓接高度、長度不達標，都會導致新能源汽車高壓上電時發(fā)生短路，引起火弧[12]。2）電池模組問題：電池模組主要由串并聯(lián)的單體電芯、溫度傳感器、采集信號板等組成，導致過熱的失效模式主要有模組裝配故障和模組焊接故障。a.模組裝配故障：單體電芯串并聯(lián)集成模組時采用機械結構件固定[13]，預緊力會使電芯之間的絕緣層互相擠壓，行車過程中劇烈的抖動會加劇該現(xiàn)象，造成模組絕緣（藍膜）破損；b.模組焊接故障：模組中電芯的極耳是通過激光或者超聲波焊接，若焊接過程中存在虛焊或者焊渣，都可能會導致極耳連接片過熱，出現(xiàn)模組漏電的現(xiàn)象[14]。

車企制造問題主要有電池包制造問題和整車制造問題。電池包制造過程中，新能源汽車存在的過熱風險主要是由于高壓接插件裝配不良。電池包由幾十個電池模組串聯(lián)而成，電池模組通過銅排連接。由于銅排裝配螺栓過多，會存在螺栓未擰緊或者未擰現(xiàn)象，造成行駛過程中抖動帶來的大電流燒蝕現(xiàn)象[15]。整車制造問題主要是高壓線束與系統(tǒng)部件的接插裝配和螺栓裝配問題，兩者都受人為因素影響較大，極易流到售后市場導致過熱故障。

2 減少過熱問題措施

2.1 用戶及服務站層面

在條件允許的范圍內，用戶應盡量選擇交流慢充的充電方式；夏季進行充電時，選擇陰涼的地點或者選擇在晚上充電，避免高溫天氣暴曬；避免私自改裝車，若需改裝應到專業(yè)機構評估實施；在使用場景方面，避免暴雨天氣充電，汽車泡水后應第一時間到服務站進行維護保養(yǎng)。

服務站應積極參加車企或者國家組織的新能源汽車維修培訓，定期開展維修技術討論，形成持續(xù)學習的習慣，積極引導用戶規(guī)范用車。

2.2 車企層面

2.2.1 設計角度

車企在進行研發(fā)設計時，應嚴格遵守政策法規(guī)，保證試驗驗證的充分性，避免出現(xiàn)驗證周期短導致后期質量問題頻發(fā)的現(xiàn)象。電池包內部的結構設計應該充分考慮到電池包內部干涉問題（是否有壓傷的風險、模組與線束在長期行駛中是否有磨損的風險）、內部結構散熱合理性（模組結構可有效減緩電池模組熱失控反應的發(fā)生速率，再通過適當?shù)碾姵乜刂撇呗砸?guī)避過熱模組擴散至其他電池模組）[16]；采用具有電池包熱失控擴散時間預測的模型策略，及時預警[17]；合理布置電池包內部冷卻回路結構。針對售后反饋的浸水電池包，制定零部件評估標準，根據(jù)浸水程度確定電池包更換標準。

2.2.2 制造角度

針對已發(fā)生過熱問題的電池模組，車企聯(lián)合國家大數(shù)據(jù)平臺中心進行數(shù)據(jù)分析，評估找出電池模組生產(chǎn)制造過程中過熱發(fā)生比例較高的工藝點，對其進行優(yōu)化整改或者制定國家標準。

針對電池包中高壓銅排連接處螺栓未擰緊或者松脫的現(xiàn)象，在研發(fā)角度，設計螺栓連接不良故障策略，如通過對相鄰單體電池采樣數(shù)列的相關系數(shù)進行數(shù)據(jù)分析，診斷螺栓連接松脫故障[18]；在制造工藝角度，采用高精度傳感器式螺栓擰緊設備，實時監(jiān)控螺栓力矩曲線數(shù)據(jù)，保證螺栓擰緊到位，避免歪斜、假貼合現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 國家層面

政府可以通過政策驅動、強化標準、加大監(jiān)控三方面對新能源過熱問題進行管控。1）政策驅動：在汽車行業(yè)安全評分指標中，針對新能源汽車將動力電池的安全表現(xiàn)增加分項，鼓勵車企將電動汽車安全性作為第一核心要素[19]；制定車輛檢查政策，要求車企定期對新能源車輛進行檢查維護，排除安全隱患。2）強化標準：加強加嚴安全測試工況，覆蓋更多的極限工況（如下雨天充電及行車、過積水路段時間及次數(shù)、下雨天滑車、碰撞、充電后不拔槍或者軟件策略異常導致不拔槍引起的過充等）；加快實施新能源汽車安全強制性國家標準，建立新能源汽車召回等制度[20]。3）加大監(jiān)控：加大督察力度，采用地方和行業(yè)自查、政府多部門聯(lián)合進行不定期實地督察形式；通過大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺對各車企新能源車輛狀態(tài)進行后臺監(jiān)控，設置過熱故障預警機制，及時處理過熱風險車輛。

3 結論

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，過熱問題已經(jīng)成為售后市場經(jīng)常出現(xiàn)的重要問題之一。文章主要研究了造成過熱問題的原因及減少過熱問題的措施。根據(jù)當前售后市場所表現(xiàn)出的過熱問題，提出用戶習慣引導、服務站維修能力提升等措施，可以防止售后市場新能源汽車過熱問題的流出；車企技術積累創(chuàng)新、國標加強加嚴是解決新能源汽車過熱問題的根本。