電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э剡^(guò)程分析及預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)

劉木林 卜凡濤 林輝 孫洋

摘 要：文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)熱失控發(fā)生的過(guò)程進(jìn)行分析，提取出關(guān)鍵的信號(hào)特征。設(shè)計(jì)出一套全面完整的熱失控預(yù)警系統(tǒng)，并總結(jié)出多個(gè)報(bào)警條件，避免出現(xiàn)故障的誤報(bào)及漏報(bào)的情況。最后介紹了熱失控預(yù)警后整車及大數(shù)據(jù)的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;動(dòng)力電池;電池管理系統(tǒng);熱失控;過(guò)程分析;預(yù)警機(jī)制;大數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-15-03

Abstract： This paper analyzes the process of thermal runaway through experimental data， and extracts key signal characteris -tics. A comprehensive and complete early warning system for thermal runaway is designed， and several alarm conditions are summed up to avoid false alarm and missing alarm. Finally， it introduces the Countermeasures of the whole vehicle and big data after the early warning of thermal runaway.

Keywords： Electric vehicle; Power battery; Battery management system; Thermal runaway; Process analysis; Early warning mechanism; Big data

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）05-15-03

前言

由于近年來(lái)電動(dòng)汽車銷量的增長(zhǎng)同時(shí)也顯現(xiàn)許多安全問(wèn)題，安全事故頻發(fā)，先后有多輛電動(dòng)汽車發(fā)生起火等嚴(yán)重安全事故。其中不僅包含國(guó)內(nèi)的造成新勢(shì)力還有國(guó)外行業(yè)領(lǐng)軍電動(dòng)車品牌。在所有的事故原因中，熱失控問(wèn)題占有很大比例[1]。本文通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э剡^(guò)程的分析，設(shè)計(jì)出一套熱失控預(yù)警系統(tǒng)。這樣至少保證在整車發(fā)生熱失控之前能夠通知到車內(nèi)的乘客，避免造成人員傷亡，同時(shí)能夠盡量減少事故帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失。

1 熱失控過(guò)程分析

鋰電池的熱失控主要是由于電池內(nèi)部產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于散熱速率，在電池內(nèi)部積累了大量的熱量，從而引發(fā)單體電池的著火或爆炸[2]。單體電池的熱失控又會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)電池系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)甚至整車的起火或爆炸事故[3]。

為研究動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控發(fā)生的過(guò)程，我們外接熱源的方式對(duì)電池進(jìn)行加熱從而引發(fā)熱失控。試驗(yàn)表明，在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)伴隨有電池電壓的變化、電池及環(huán)境溫度的變化、電池包內(nèi)氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現(xiàn)異常的的信號(hào)分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個(gè)大類，分別進(jìn)行分析。

針對(duì)溫度信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的溫度在熱失控發(fā)生前會(huì)有一個(gè)持續(xù)的較快速率的上升過(guò)程，如圖1數(shù)據(jù)所示（橫軸時(shí)間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時(shí)間內(nèi)，溫度從室溫25℃持續(xù)升高到62℃。隨后發(fā)生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節(jié)電池能量釋放完之后溫度會(huì)下降，到第787秒第二節(jié)電池?zé)崾Э?，同樣溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升。如此發(fā)生連環(huán)性的熱失控反應(yīng)，最后整個(gè)電池包都發(fā)生熱失控。

針對(duì)單體電池電壓信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的電壓在熱失控發(fā)生之前基本維持在平臺(tái)電壓保持不變。在熱失控發(fā)生的瞬間，實(shí)測(cè)在2秒內(nèi)電壓會(huì)下降到1V以下。圖2（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)挝粸閂）中符合以上特征，第一個(gè)發(fā)生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開(kāi)始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測(cè)電壓的電路受損燒毀均為無(wú)效值。圖3（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)挝粸閂）為第二個(gè)發(fā)生熱失控的電池的電壓特征。與圖2的特征類似，只是開(kāi)始時(shí)間平移到第787秒。

針對(duì)電池包內(nèi)氣壓信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：如圖4（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)蜬Pa），電池包內(nèi)放置兩個(gè)氣壓傳感器，正常大氣壓為101KPa，在第720秒發(fā)生第一次單體電池?zé)崾Э?，此時(shí)氣壓會(huì)上升到120KPa。由于電池包內(nèi)存在平衡泄壓閥，一段時(shí)間后氣壓會(huì)下降到101KPa。與第二個(gè)發(fā)生單體熱失控的時(shí)間吻合，在第787秒，氣壓第二次上升到120KPa，隨后下降。以此連鎖反應(yīng)，直至整包熱失控。

通過(guò)以上分析，得出兩條結(jié)論，可作為熱失控報(bào)警機(jī)制設(shè)計(jì)的依據(jù)。一個(gè)是熱失控首先發(fā)生在單體電池，然后慢慢擴(kuò)散，最終引起整個(gè)電池包的熱失控，升級(jí)為整車嚴(yán)重事故。這之間一般會(huì)有5分鐘以上的預(yù)警時(shí)間。報(bào)警機(jī)制設(shè)計(jì)就是要準(zhǔn)確把握這段時(shí)間，及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)警。另一個(gè)是熱失控發(fā)生時(shí)有電壓、溫度、氣壓的明顯數(shù)據(jù)異常特征，報(bào)警設(shè)計(jì)的條件要從這些特征中提取。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э貓?bào)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

上圖是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)圖。現(xiàn)將各部分的名稱及在系統(tǒng)中的功能詳細(xì)描述如下：

BIC：電池信息采集單元。檢測(cè)串聯(lián)單體電芯的電壓，模組電壓，電池溫度。

BMU：電池管理單元。主要進(jìn)行電池?zé)崾Э氐膱?bào)警條件判斷，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境溫度的監(jiān)控及喚醒，氣壓的檢測(cè)（可選項(xiàng)）。

VCU：整車控制單元。接受熱失控報(bào)警信號(hào)并結(jié)合整車情況采取相應(yīng)措施，包括給儀表進(jìn)行報(bào)警提示、傳數(shù)據(jù)給T-BOX、下高壓電等整車邏輯相應(yīng)的處理等。

ICU：儀表控制單元。執(zhí)行VCU命令，報(bào)警提示乘員危險(xiǎn)。

T-BOX：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)警信號(hào)到大數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

大數(shù)據(jù)監(jiān)控中心：故障發(fā)生前做出風(fēng)險(xiǎn)提示，故障發(fā)生后聯(lián)系車主及其他相關(guān)人員處理危險(xiǎn)情況。

3 熱失控預(yù)警條件判斷

熱失控發(fā)生前一段時(shí)間溫度信號(hào)有一些較明顯特征，但也不一定能確認(rèn)出現(xiàn)這些特征就一定會(huì)發(fā)生熱失控[4]。溫度相關(guān)的條件包括：

（1）某個(gè)溫度值大于或等于一定值（推薦溫度值60℃）并且持續(xù)一定時(shí)間（推薦時(shí)間3秒）。

（2）最高溫度值在一定時(shí)間內(nèi)（推薦時(shí)間5秒）的溫升大于或等于一定值（推薦2℃）。

只要出現(xiàn)三個(gè)條件中的任何一個(gè)條件就應(yīng)該引起注意，有可能會(huì)發(fā)生熱失控。相應(yīng)的處理上僅做低級(jí)預(yù)警提示、數(shù)據(jù)的記錄及上報(bào)給上一級(jí)控制單元，不做其他任何實(shí)質(zhì)性措施。另外該預(yù)警的一個(gè)重要作用是通過(guò)車載終端上報(bào)大數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，通過(guò)人工分析熱失控的可能性有多大，從而采取進(jìn)一步措施

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在熱失控發(fā)生的時(shí)刻，如果BMS的所有測(cè)量值均有效，則可以檢測(cè)到的故障子條件包括：溫度過(guò)高，溫升過(guò)快，電壓過(guò)低，壓降過(guò)快，氣壓波動(dòng)。這些信號(hào)又分為溫度類，電壓類，氣壓類，如果出現(xiàn)任意兩類條件同時(shí)滿足，則可判斷發(fā)生熱事件?，F(xiàn)將所有熱事件報(bào)警的組合列舉如下表：

條件①——溫度過(guò)高

置位條件：如果有某個(gè)溫度值大于60℃并且持續(xù)一定時(shí)間（推薦時(shí)間3秒）。

清除條件：該溫度值小于一定值（推薦溫度值60℃）持續(xù)一定時(shí)間（推薦時(shí)間10分鐘）。

條件②——溫升過(guò)快2級(jí)

置位條件：最高溫度值在一定時(shí)間（推薦1秒）內(nèi)的溫升大于或等于一定值（推薦5℃）。

清除條件：一定時(shí)間內(nèi)（推薦5秒）沒(méi)有新的置位條件則故障清除。

條件③——電壓過(guò)低

置位條件：某個(gè)電壓值在小于等于一定值（推薦2V）并

且維持一定時(shí)間（推薦2秒）。

清除條件：該電壓值大于一定值（推薦2V）并且維持一定時(shí)間（推薦2秒）。

條件④——壓降過(guò)快

置位條件：最低電壓在一定時(shí)間（推薦2秒）之內(nèi)下降一定值（推薦1V）。

清除條件：每隔一定時(shí)間（推薦2秒）重新判斷。

條件⑤——?dú)鈮翰▌?dòng)

置位條件：兩個(gè)氣壓傳感器測(cè)量值在5秒時(shí)間間隔內(nèi)都出現(xiàn)過(guò)氣壓大于120KPa的情況。

清除條件：信號(hào)維持一定時(shí)間（推薦5秒）后無(wú)置位條件則故障清除。

4 整車及大數(shù)據(jù)相關(guān)的處理機(jī)制

熱失控的預(yù)警首先有電池包內(nèi)的電池管理系統(tǒng)報(bào)出來(lái)。整車控制器在收到該報(bào)警信號(hào)后要做的一個(gè)是給儀表發(fā)送命令，通知駕駛員及乘客立即撤離。報(bào)警要有聲音、文字及信號(hào)燈的閃爍等形式。

另外一點(diǎn)是通過(guò)整車的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端將報(bào)警信號(hào)及當(dāng)時(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心應(yīng)立刻通過(guò)電話等方式通知車主，同時(shí)數(shù)據(jù)中心要通知消防部門趕往現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)準(zhǔn)備滅火工作。

監(jiān)控中心的人員在得到數(shù)據(jù)相關(guān)熱失控之后也可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析，查出事故的根本原因。更重要的是如果能通過(guò)大數(shù)據(jù)方法提前進(jìn)行輔助的預(yù)警提示，及早進(jìn)行維護(hù)與升級(jí)，盡量降低事故發(fā)生的概率。

參考文獻(xiàn)

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