鋰電池?zé)崾Э仡A(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)

邵慶 喻攀 黃歡 胡志祥 李驍 王晨鳴

摘要：鋰離子動(dòng)力電池是我國新能源汽車宏觀發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵部件，其安全性問題如熱失控等至今依然是鋰電池產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。本文針對(duì)三元鋰電池包，以過充試驗(yàn)這種電池濫用形式對(duì)熱失控現(xiàn)象進(jìn)行探討，預(yù)測鋰離子動(dòng)力電池發(fā)生熱失控的趨勢和時(shí)間，并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)熱失控過程的預(yù)警機(jī)制，然后基于ABB AC 800M設(shè)計(jì)一套預(yù)警控制系統(tǒng)，并通過半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了預(yù)警機(jī)制的有效性。該預(yù)警機(jī)制通過給駕駛?cè)藛T提供熱失控預(yù)警信息，保證了危險(xiǎn)狀況下乘客的逃生時(shí)間，為電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行提供保障。

Abstract： Lithium-ion power battery is the key component of the macro-development strategy of new energy vehicles in China， and its safety problems such as thermal runaway are still the key technical bottleneck in the process of lithium-ion battery production and industrialization. In this paper， the thermal runaway phenomenon of ternary lithium battery pack is discussed in the form of overcharge test. The trend and time of thermal runaway of lithium ion power battery are predicted. Combining with the experimental phenomena， the early warning mechanism of thermal runaway process is designed. Then a set of early warning control system is designed based on ABB AC 800M， and half of the system is passed. The effectiveness of the early warning mechanism is verified by the simulation test on the physical simulation platform. By providing drivers with early warning information of thermal runaway， the early warning mechanism ensures passengers'escape time under dangerous conditions and provides security for the safe operation of electric vehicles.

關(guān)鍵詞：鋰電池;熱失控;預(yù)警機(jī)制;半實(shí)物仿真

Key words： lithium battery;thermal runaway;early warning mechanism;hardware-in-the-loop simulation

0? 引言

鋰離子動(dòng)力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵組成部件，其儲(chǔ)能問題是限制新能源汽車發(fā)展的主要障礙，決定著新能源汽車的安全穩(wěn)定發(fā)展。如何對(duì)鋰離子電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，判斷鋰離子電池包是否發(fā)生熱擴(kuò)散的嚴(yán)重危害性事件，保障新能源汽車的安全運(yùn)行，是目前鋰離子動(dòng)力電池安全管理系統(tǒng)的主要研究目標(biāo)。

1? 鋰電池?zé)崾Э馗拍?/p>

鋰離子動(dòng)力電池的熱擴(kuò)散反應(yīng)是指電池在使用過程中，由于產(chǎn)熱量嚴(yán)重超過散熱量，而導(dǎo)致電池溫度急劇升高，最終引起電池失效的一種形式。

2? 熱失控機(jī)理及過充狀態(tài)下失控過程分析

2.1 熱失控機(jī)理

熱失控主要是由于電池內(nèi)部溫度上升，SEI膜的分解速率超過形成速率，使得內(nèi)部自反應(yīng)速度增大，加快電池內(nèi)部熱量積累，最終電池正極、負(fù)極及電解液發(fā)生連鎖反應(yīng)，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度急劇上升，引發(fā)熱失控。因此，判斷熱失控的溫度臨界點(diǎn)和預(yù)測熱失控發(fā)生時(shí)間，是監(jiān)控?zé)崾Э氐闹饕绞健?/p>

2.2 過充狀態(tài)下熱失控過程分析

根據(jù)電池包實(shí)際使用情況，選取電流2.0C對(duì)電池包進(jìn)行過充試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)經(jīng)過半小時(shí)2.0C充電后，電池達(dá)到滿電狀態(tài)，進(jìn)入過充階段。電池在達(dá)到F點(diǎn)80℃后，溫度會(huì)接著電池溫度變化率會(huì)明顯加快，并最終達(dá)到最高溫度G點(diǎn)561℃。這是因?yàn)殡姵叵日３潆姡?dāng)電池電量達(dá)到100%之后進(jìn)入過充階段，鋰離子被還原成金屬鋰。在80℃后，金屬鋰會(huì)急劇增加，再堆積成鋰枝晶，鋰枝晶在過充過程中會(huì)不斷成長并生出很多枝梢，一定規(guī)模后便會(huì)刺破隔膜致使電池內(nèi)部發(fā)生短路現(xiàn)象，瞬時(shí)放出大量熱量，產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。因此，可以將F點(diǎn)最為電池包熱失控的拐點(diǎn)，認(rèn)為電池包在80℃后，內(nèi)部開始出現(xiàn)短路現(xiàn)象，反應(yīng)性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致熱失控進(jìn)入不可逆階段。

3? 預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)

根據(jù)鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理及實(shí)際試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，分析熱失控發(fā)生的反應(yīng)條件，設(shè)計(jì)熱失控預(yù)警機(jī)制，基于ABB AC800M搭建熱失控預(yù)警系統(tǒng)，并通過Matlab Simulink搭建仿真模型，驗(yàn)證預(yù)警系統(tǒng)的有效性。

3.1 預(yù)警方式分析

通過分析鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)機(jī)理，可以將80℃作為熱失控的標(biāo)志性信號(hào)，在預(yù)警系統(tǒng)檢測到電池包內(nèi)部電芯溫度達(dá)到80℃后，立即啟動(dòng)電池包熱失控預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)采集到的溫度值和變化速率計(jì)算電池即將要發(fā)生熱失控反應(yīng)的時(shí)間。具體控制流程圖如圖2所示。

3.2 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)熱失控預(yù)警機(jī)制，基于ABB AC800M型號(hào)的PLC設(shè)計(jì)出一套熱失控控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控設(shè)備和熱電偶等傳感器設(shè)備，將控制信號(hào)傳遞至PLC中，PLC進(jìn)行信號(hào)處理后，判斷是否發(fā)生熱失控，并根據(jù)采集信號(hào)的編號(hào)速率計(jì)算熱控制發(fā)生時(shí)間，然后將預(yù)警信號(hào)傳遞至上位警報(bào)系統(tǒng)，提醒司機(jī)及乘客進(jìn)行安全撤離，保障人身財(cái)產(chǎn)安全。

熱失控控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及熱失控預(yù)警控制程序如圖3和圖4所示。

3.3 預(yù)警系統(tǒng)驗(yàn)證

由于鋰電池的熱失控試驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)性，且鋰電池包直接試驗(yàn)成本較高，本文基于Matlab Simulink搭建鋰電池包仿真模型，通過OPC通訊，搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，進(jìn)行熱失控仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證預(yù)警機(jī)制的有效性。

3.3.1 電池?zé)崾Э啬Ｐ?/p>

通過分析鋰電池結(jié)構(gòu)和熱擴(kuò)散反應(yīng)機(jī)理，可將鋰電池包分解為多個(gè)電池單體的結(jié)合體進(jìn)行分析。而鋰電池包熱失控發(fā)生階段，通常是由于內(nèi)部某一電芯單體發(fā)生異常反應(yīng)，進(jìn)而逐漸影響臨近電芯單體，并最終擴(kuò)散至整個(gè)電池包。 因此在搭建數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)先將電池包簡化為一個(gè)失控電芯、三個(gè)正常電芯、BMS與冷卻系統(tǒng)四個(gè)模塊，然后使用機(jī)理建模與外特性曲線相結(jié)合的方式，基于Matlab Simulink建立復(fù)合數(shù)學(xué)模型。

鋰電池包模型以輸入電流和外部溫度作為輸入量，并添加PLC通訊單位代替BMS進(jìn)行聯(lián)合控制，然后通過OPC通訊，將各單體的電流、電壓及溫度等數(shù)據(jù)傳遞至BMS管理系統(tǒng)，建立半實(shí)物仿真模型，實(shí)現(xiàn)電池包模型的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，具體模型如圖5所示。

3.3.2 電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

根據(jù)鋰電池包仿真模型和PLC搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，并選取過充方式進(jìn)行鋰電池?zé)崾Э胤抡鎸?shí)驗(yàn)，驗(yàn)證預(yù)警機(jī)制的有效性。

試驗(yàn)過程中，通過模擬過充工況，實(shí)現(xiàn)鋰電池包熱失控現(xiàn)象仿真，并根據(jù)試驗(yàn)過程中采集的電池失控單體的溫度和上位儀表盤顯示時(shí)間，得出模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制溫度-失控時(shí)間曲線，如圖6所示。

通過圖6可以看出，在80℃時(shí)，上位界面開始輸出報(bào)警信號(hào)，并顯示熱失控預(yù)警時(shí)間，隨著檢測到的溫度不斷上升，上位界面輸出的熱失控預(yù)警時(shí)間不斷減少，并在溫度到達(dá)300℃時(shí)，判斷出鋰電池進(jìn)入溫度驟變區(qū)，即將發(fā)生熱失控。試驗(yàn)證明預(yù)警系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的電池包內(nèi)部單體電芯的溫度變化，向司機(jī)實(shí)時(shí)反映電池包實(shí)際運(yùn)行情況，并及時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，為乘員提供足夠的逃生時(shí)間，保障乘員的生命安全。

4? 總結(jié)

本文通過分析鋰電池?zé)崾Э馗拍?，深入分析了鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理，并結(jié)合鋰電池?zé)崾Э貙?shí)際案例，設(shè)計(jì)出鋰電池預(yù)警機(jī)制，并基于ABB AC800M搭建出一套鋰電池控制系統(tǒng);基于Matlab搭建了鋰離子電池包熱失控仿真模型，利用OPC通訊搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，并選取過充方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明預(yù)警系統(tǒng)可以根據(jù)探測電池包內(nèi)部單體溫度變化，及時(shí)為駕駛員提供報(bào)警信息，保證了危險(xiǎn)狀況下乘客的逃生時(shí)間，為電動(dòng)汽車安全運(yùn)行提供了保障。

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