新能源乘用車用動(dòng)力電池安全測(cè)試分析*

熊紅紅，焦紅星

（1.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南 新鄭 451100；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121）

1 引言

發(fā)展新能源汽車是中國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路，是應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[1]。2012年以來(lái)，中國(guó)堅(jiān)持純電驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略取向，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了巨大成就，成為世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要力量之一。2020年10月，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）也就是“十四五規(guī)劃”。規(guī)劃指出要深化“三縱三橫”的研發(fā)布局，以純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力（含增程式）汽車、燃料電池汽車為“三縱”，以動(dòng)力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)為“三橫”。動(dòng)力電池與管理系統(tǒng)作為重要的“一橫”，其未來(lái)發(fā)展對(duì)整個(gè)新能源汽車行業(yè)舉足輕重。同時(shí)動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件，其性能直接影響整車動(dòng)力系統(tǒng)性能。新能源汽車的使用場(chǎng)景可分為行駛、停放、碰撞、水浸和充電5種。其中，充電工況出現(xiàn)頻繁且風(fēng)險(xiǎn)較高。新能源車輛在充電過(guò)程中，出現(xiàn)事故的主要原因是充電濫用行為，如過(guò)流充電、過(guò)壓充電以及使用不符合要求的充電設(shè)備進(jìn)行操作等。過(guò)流充電時(shí)，鋰離子會(huì)大量快速?gòu)恼龢O脫出，經(jīng)過(guò)電解液和隔膜到達(dá)負(fù)極，此時(shí)從正極脫出鋰離子的速度遠(yuǎn)大于嵌入負(fù)極的速度，來(lái)不及嵌入負(fù)極的鋰離子就會(huì)和外電路的電子結(jié)合生成鋰單質(zhì)，單質(zhì)不斷堆積生成鋰枝晶，枝晶會(huì)刺穿隔膜，造成正負(fù)極的導(dǎo)通，引發(fā)不可逆的安全事故，所以在對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的過(guò)程中要禁止過(guò)流充電。過(guò)壓充電狀態(tài)下，鋰離子會(huì)繼續(xù)從正極脫出，但是負(fù)極已經(jīng)沒(méi)有多余的位置供這一部分鋰離子嵌入，鋰離子就會(huì)和外電路的電子結(jié)合生成鋰單質(zhì)，單質(zhì)不斷堆積生成鋰枝晶，刺穿隔膜導(dǎo)通正負(fù)極，形成內(nèi)短路，引發(fā)爆炸起火等一系列的安全問(wèn)題[2]，因此在對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的過(guò)程中要禁止過(guò)壓充電。使用不符合要求的充電設(shè)備進(jìn)行操作存在極大的安全隱患，以及未按規(guī)定的充電制度進(jìn)行充電而引發(fā)的安全問(wèn)題，屢見(jiàn)不鮮。

本文基于GB 38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》，對(duì)新能源乘用車車用動(dòng)力電池過(guò)流和過(guò)壓充電進(jìn)行測(cè)試分析，驗(yàn)證動(dòng)力電池安全管理策略的科學(xué)性，為熱失控及擴(kuò)散預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)乘員安全提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)[3]，有利于保護(hù)成員的安全。

2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)所用動(dòng)力電池總成外觀照片如圖1所示，測(cè)試用電池模擬器為AVL ESTORGE-HV。

圖1 動(dòng)力電池總成外觀照片

2.1 過(guò)流保護(hù)

環(huán)境溫度為20℃±10℃，動(dòng)力電池系統(tǒng)SOC范圍為40%～60%，施加過(guò)電流值為50A，最大電壓為166V。過(guò)流保護(hù)可采用如下試驗(yàn)方法：改變或禁用電池對(duì)直流供電設(shè)備的通信，使充電電流可達(dá)到過(guò)流水平。起初以最大工作電流34.4A充電，然后5s內(nèi)增加到過(guò)電流值50A，繼續(xù)充電。當(dāng)符合以下任一條件時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

1）電池包發(fā)出自動(dòng)終止充電電流信號(hào)。BMS2（ID：0x122）充電電流過(guò)大（3級(jí)報(bào)警）；BMS5（ID：0x35C）電池最大允許充電電流為0，電池最大允許充電功率為0；BMS8（ID：0x492）30s 最大充電功率為0；BMSS（ID：0x3B5）最高允許充電電流為0，充電控制指令為停止。

2）電池包自動(dòng)終止充電電流。BMS5（ID：0x35C）電池正極接觸器狀態(tài)為斷開(kāi)。

3）試驗(yàn)對(duì)象溫度穩(wěn)定（2h 內(nèi)變化小于4℃）。當(dāng)BMS1_A＞55A時(shí)，為異常終止條件。

2.2 過(guò)充電保護(hù)

環(huán)境溫度為20℃±10℃，試驗(yàn)用動(dòng)力電池管理系統(tǒng)功能正常，模擬充電上電報(bào)文使電池充電繼電器閉合。過(guò)充電保護(hù)所用試驗(yàn)方法如下：連接外部充電設(shè)備到試驗(yàn)對(duì)象正負(fù)極端，禁用外部充電設(shè)備的充電限制。充電策略為試驗(yàn)樣包在試驗(yàn)溫度條件下，以34.4A恒流充電至最高單體電壓4.19V。當(dāng)符合以下任一條件時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

1）電池包發(fā)出自動(dòng)終止充電電流信號(hào)。BMS2（ID：0x122）單體電壓過(guò)高（2級(jí)或3級(jí)報(bào)警）、總電壓過(guò)高（2級(jí)或3級(jí)報(bào)警）；BMS5（ID：0x35C）電池最大允許充電電流為0，電池最大允許充電功率為0；BMS8（ID：0x492）30s最大充電功率為0。

2）電池包自動(dòng)終止充電電流。BMS5（ID：0x35C）電池正極接觸器狀態(tài)為斷開(kāi)。

3）過(guò)程保護(hù)未起作用，試驗(yàn)對(duì)象超過(guò)最高工作溫度10℃。

4）若溫度低于最高工作溫度10℃，持續(xù)充電＞12h。當(dāng)最大單體電壓BMS3_Max_Voltage＞4.2V時(shí)，為異常終止條件。

3 試驗(yàn)結(jié)果

關(guān)于過(guò)充電和過(guò)流保護(hù)處理的故障閾值如表1所示。

表1 關(guān)于過(guò)充電和過(guò)流的保護(hù)處理的故障閾值表

3.1 過(guò)流保護(hù)

對(duì)電池包以50A電流充電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷正極繼電器，終止充電。試驗(yàn)結(jié)束，電池系統(tǒng)無(wú)泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現(xiàn)象，無(wú)異常終止，絕緣≥100Ω/V。具體過(guò)程如圖2～圖4所示。當(dāng)電池包以最大工作電流34.4A充電，然后5s內(nèi)增加到過(guò)電流值50A，繼續(xù)充電。圖2為過(guò)流報(bào)警等級(jí)與充電電流的關(guān)系曲線，電流升至34.5A后5s內(nèi)報(bào)充電電流過(guò)大（1級(jí)報(bào)警）；電流升至40A后6s報(bào)充電電流過(guò)大（2級(jí)報(bào)警），充電電流減半；電流升至44A后6s報(bào)充電電流過(guò)大（3級(jí)報(bào)警），BMS5和BMS8相關(guān)充電電流和充電功率為0，充電允許指令由1變?yōu)?，5s后正極繼電器狀態(tài)由閉合變?yōu)閿嚅_(kāi)。

圖2 過(guò)流報(bào)警等級(jí)與充電電流的關(guān)系曲線

圖3 充電允許指令

圖4 正極繼電器狀態(tài)（過(guò)流保護(hù)）

3.2 過(guò)充電保護(hù)

對(duì)電池包進(jìn)行過(guò)充電試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)最高單體電壓觸發(fā)閾值4.18V后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷正極繼電器，終止充電。試驗(yàn)結(jié)束，電池系統(tǒng)無(wú)泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現(xiàn)象，無(wú)異常終止，絕緣≥100Ω/V。具體過(guò)程如圖5～圖7所示。電池包起始，最大單體電壓為3.945V，以34.4A恒流充電，當(dāng)單體電壓充至4.16V后第14s報(bào)單體電壓過(guò)大（1級(jí)報(bào)警）；繼續(xù)以34.4A恒流充電，單體電壓充至4.17V后第13s報(bào)單體電壓過(guò)大（2級(jí)報(bào)警），BMS5和BMS8相關(guān)充電電流和充電功率均為0；繼續(xù)以34.4A恒流充電，單體電壓充至4.18V后第8s報(bào)單體電壓過(guò)大（3級(jí)報(bào)警），BMS5和BMS8相關(guān)充電電流和充電功率保持為0，3級(jí)故障確認(rèn)時(shí)間5s后斷開(kāi)正極繼電器，正極繼電器狀態(tài)由1（閉合）變?yōu)?（斷開(kāi)）。

圖5 充電過(guò)程最大單體電壓曲線

圖6 單體電壓過(guò)高報(bào)警曲線

圖7 正極繼電器狀態(tài)（過(guò)充電保護(hù)）

4 結(jié)論

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車銷量的增長(zhǎng)，也顯現(xiàn)出許多安全問(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，其中熱失控問(wèn)題占有很大比例[4]。為保護(hù)乘員安全，GB 38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》明確要求動(dòng)力電池系統(tǒng)必須具有熱失控及擴(kuò)散預(yù)警功能。熱失控預(yù)警功能必須滿足以下任一條件：①電池單體熱失控導(dǎo)致熱擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙危險(xiǎn)前5min提供一個(gè)熱事件預(yù)警信號(hào)。②熱擴(kuò)散不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致車輛乘員危險(xiǎn)的情況。本文從新能源汽車動(dòng)力電池故障著手，對(duì)過(guò)流和過(guò)壓充電工況進(jìn)行測(cè)試分析，驗(yàn)證了故障閾值表中關(guān)于過(guò)流和過(guò)壓充電保護(hù)處理的一致性，為熱失控及擴(kuò)散預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)乘員安全提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)。