基于充電樁監(jiān)測動力電池數(shù)據(jù)模型預防電動公交車起火方法研究

潘志杰

（福州公共交通集團有限責任公司 福建福州 350001）

0 引言

伴隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，城市公共交通領域也越來越多使用電動公交車。為保障車輛日常營運，純電動公交車一般車載動力電池載電量都較高，且車輛充電都在停車場夜間集中進行，車輛充電過程中的安全問題需引起高度重視。雖然公交車車載使用的磷酸鐵鋰電池安全系數(shù)極高，但若發(fā)生自燃，火勢會在短短數(shù)秒鐘就在鋰電池模塊內部快速蔓延，并釋放大量的熱量，使電池的溫度達到500 ℃以上，足以引燃汽車內的其他可燃材料，造成火災擴大，致使滅火較為困難［1-3］。鋰離子電池熱失控一旦發(fā)生，很難終止其反應，因此需在熱失控發(fā)生初期進行階段性預警。

1 動力電池起火的原因

1.1 磷酸鐵鋰電池簡介

磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池主要有大容量、長壽命和安全性3 個優(yōu)點。正極是磷酸鐵鋰，具有良好的電化學性能。電池負極是石墨，中間是隔膜板，電池中部的上下端間裝有機電解質，外殼由金屬材料密封。隔膜板可把正極與負極隔開，在電池異常高溫時，隔膜板上的細孔起阻斷鋰離子通道的作用，可中止充電或放電反應，有效防止電池外部短路電流過大時，反應過激產(chǎn)生溫度過高的現(xiàn)象［4］。

磷酸鐵鋰電池的單體電池標稱電壓是3.2 V，充電終止時的最高電壓為3.6 V，最大放電的電壓為2.0 V。標準充放電流為2 C～5 C、連續(xù)高電流放電可達10 C，10 s 的瞬間脈沖放電可達20 C。在環(huán)境-20 ℃～75 ℃溫度下均能正常工作，電熱峰值可達350 ℃以上。

磷酸鐵鋰電池缺點是單體電池的均勻一致性較差，其性能上可能會出現(xiàn)10%～20%的較大差異，造成單體電芯電壓差，需在完成一個完整的充電過程中進行一次電池均衡。另外，磷酸鐵鋰電池中含有鐵的成分，單質鐵會引起電池的微短路，從而造成電池最忌諱的放電反應，使電池容量下降。

1.2 磷酸鐵鋰電池充電原理

鋰電池是一種二次電池，主要依靠鋰離子在正負極之間的往返嵌入和脫嵌來工作，實現(xiàn)能量的存儲和釋放。

電池充電時，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，然后穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，而后嵌入石墨品格中。與此同時，電子經(jīng)導電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池正極柱、外電路、負極極柱、負極極耳流向電池負極的銅箔集流體，再經(jīng)導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵。

1.3 動力電池熱失控

作為純電動汽車能量來源的鋰電池，起火的主要原因是電池過熱而造成的熱失控，也就是電池內部的放熱反應會導致電池內部溫度和壓力以很快速率上升，從而將能量浪費掉，這種過熱在電池充放電過程中最容易發(fā)生［2］。由于鋰電池自身具有一定的內阻，在充放電同時會出現(xiàn)一定的熱量，使得自身溫度變高。當自身溫度超出其正常工作溫度范圍時，將會損害整個電池的壽命和安全［4］。

1.4 引起熱失控的原因

引起熱失控的原因有三類。第一類是動力鋰電池外部因素。假如電池所處的環(huán)境溫度過高，電池散熱不好，或者內部卷得不好，導致電池散熱不通暢。第二類是動力鋰電池內部因素——微短路。微短路有2 種情況，一種是電池工藝中的缺陷，包括毛刺；另一種是使用過程中的短路，導致電池局部溫度高于熱失控溫度，從而出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。第三類是動力鋰電池過充電，過充以后會降低材料的熱失控溫度。尤其電池在使用中后期的容量已經(jīng)衰減了，這時候電池本身就已經(jīng)處于過充狀態(tài)，熱失控溫度自然會下降。

2 動力電池充電過程簡介

2.1 充電樁簡介

直流充電樁輸出由9 根線組成，分別是：直流電源線路DC+、DC-；設備地線PE；充電通信線路S+、S-；充電連接確認線路CC1、CC2；低壓輔助電源線路A+、A-。

直流充電樁通過9 根線給電動汽車進行充電，其具體的充電模型如下：直流充電樁和電動汽車二者通過車輛插座相連。S 開關是一個常閉開關，與直流充電槍頭上的按鍵（即機械鎖）相關聯(lián)，當我們按下充電槍頭上的按鍵，S 開關即打開。U1、U2 是一個12 V 上拉電壓，R1～R5 是阻值約1 000 Ω 的電阻，R1、R2、R3 在充電槍上，R4、R5 在車輛插座上。

2.2 充電樁充電流程

整個充電過程包括6 個階段：①物理連接完成；②低壓輔助上電；③充電握手協(xié)議；④充電參數(shù)配置階段；⑤充電階段；⑥充電結束階段。

2.3 充電階段組成

充電階段由3 個部分組成。

（1）預充電階段。通過低電流，使單體電芯升至3 V 以上電壓后，轉入標準充電階段。

（2）標準充電階段。以設定電流進行恒流充電。恒流充電是指充電過程中使充電電流保持不變的方法。以恒定大電流對電池充電，電池的電壓漸漸地緩慢地上升，上升到一定程度，電池電壓達到標稱值，轉入浮充充電階段。

（3）涓流充電階段。當充電電壓達到標稱值后，充電樁繼續(xù)以恒壓小電流對電池充電，充電電流隨蓄電池電動勢的升高而減小，同時對電池進行電池均衡。在次階段充電電壓保持不變，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10時，充電結束。

2.4 充電結束階段數(shù)據(jù)

當進入充電結束階段，BMS 向充電機發(fā)送整個充電過程中的充電統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括：初始SOC、終了SOC、充電過程中電壓、電流曲線等。

3 充電樁監(jiān)測動力電池數(shù)據(jù)模型

3.1 監(jiān)測原理

動力電池系統(tǒng)安全性問題表現(xiàn)為3 個層次，即演變、觸發(fā)與擴展。從這3 個層次出發(fā)，利用充電樁充電過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)控動力電池狀態(tài)，在演變階段發(fā)現(xiàn)電池數(shù)據(jù)異常及時中斷充電，并在充電系統(tǒng)后臺發(fā)出預警，防范電池起火事故的發(fā)生，增加純電動公交車充電的安全性。

在充電過程中，電壓突然出現(xiàn)持續(xù)的升降梯式的波動，說明電池組出現(xiàn)異常，有可能會有電池擊穿、鼓脹破裂的情況出現(xiàn)［5］。這種情況下，我們需要暫停充電，同時對電池進行檢查，避免電池在后續(xù)的使用過程中發(fā)生自燃。

3.2 電流

監(jiān)控車輛進入恒流充電階段時，當電壓變化幅度在1 min超過5 V 時，向后臺發(fā)出預警，當電壓變化幅度在1 min 超過10 V 時或總電壓超過車輛鋰電池設定最高充電電壓則立即停止充電。

監(jiān)控車輛進入涓流充電階段，當電壓未開始下降時，向后臺發(fā)出預警并停止充電。

3.3 電壓

監(jiān)控車輛進入恒流充電階段時，當電流變化幅度在1 min超過0.5 A 時，向后臺發(fā)出預警，當電流變化幅度在1 min 超過1 A 時立即停止充電。

監(jiān)控車輛進入涓流充電階段，當電流未開始下降時，向后臺發(fā)出預警并停止充電。

3.4 電池表面溫度

監(jiān)控車輛進入恒流充電階段時，當電池溫度超過55 ℃，向后臺發(fā)出預警，電池溫度超過65 ℃停止充電。

監(jiān)控車輛進入涓流充電階段，當電池溫度超過55 ℃，向后臺發(fā)出預警，電池溫度超過65 ℃停止充電。

3.5 時間

監(jiān)控車輛進入涓流充電階段時，當該階段充電時間超過10 min 時，向后臺發(fā)出預警，充電時間超過15 min 時停止充電。充電樁監(jiān)測動力電池數(shù)據(jù)模型見圖1。

圖1 充電樁監(jiān)測動力電池數(shù)據(jù)模型

4 基于模型的監(jiān)測預警實踐

4.1 基于充電樁監(jiān)測動力電池數(shù)據(jù)模型的預警案例

根據(jù)所建立充電樁監(jiān)測動力電池數(shù)據(jù)模型，當系統(tǒng)后臺車輛出現(xiàn)預警，充電數(shù)據(jù)如圖2、表1 所示。本部車SOC 從47%充至滿電，充電量121.85 kWh，共用時59 min 28 s，單體電池溫度最高溫度46 ℃，最低溫度41 ℃，單體電芯最高電壓3.62 V，最低電壓3.34 V。

從圖2、表1 中我們可以看到，在充電過程中，電壓在進入恒流充電階段出現(xiàn)持續(xù)的升降梯式的波動，此時系統(tǒng)發(fā)生預警。直至SOC 達到額定電量2/3 左右時，電壓才趨于穩(wěn)定、緩慢上升。經(jīng)檢查，該車輛電池已使用多年，導致鋰離子濃度極化，鋰電池端壓不穩(wěn)定直至接近到充電期間最大電壓后趨于穩(wěn)定。在這種情況下，我們立即對電池進行了更換處理，避免因電池異常導致充電造成的熱失控引起火宅事故的發(fā)生，杜絕了電動公交車的充電過程中的起火事故。

圖2 某后臺預警車輛充電各項數(shù)據(jù)曲線

表1 某后臺預警車輛電池充電過程各項數(shù)據(jù)

5 結語

本方法基于分析充電樁接收到車輛BMS 發(fā)送的充電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常立即中斷充電，同時對動力電池異常演變期間后臺管理人員進行安全性預警，避免了電池異常繼續(xù)充電發(fā)生的熱失控火災，有效提高電動公交車的使用安全性。