電動車動力電池熱失控特征及報警方法設(shè)計★

王陸陽，盧 晨，葛俊良，黃祖朋，李 彬

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西汽車新四化重點實驗室，廣西 柳州 545007）

引言

新能源汽車是國家重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[1]。純電動汽車的動力來源是動力蓄電池系統(tǒng)。根據(jù)統(tǒng)計，動力蓄電池系統(tǒng)的熱失控是引發(fā)電動汽車火災(zāi)、爆炸的主要原因，因此，在2020 年，國家發(fā)布了強制標準GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，對動力蓄電池系統(tǒng)的熱失控報警提出了要求。

動力蓄電池系統(tǒng)觸發(fā)熱失控的主要原因有，針刺、過充、火燒（加熱）、電芯內(nèi)短路等，根據(jù)動力蓄電池的熱失控特征研究，以及目前主流的傳感器技術(shù)，組合出一種高精度、低成本、可推廣，很可靠的熱失控預(yù)警技術(shù)是十分必要的。

1 動力蓄電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控時的特征量

1.1 溫度

1）外部溫度。外部動力蓄電池的熱失控主要分為兩種，內(nèi)因和外因。當因外部熱量導致動力蓄電池溫度升高，進而引起熱失控時，一般表現(xiàn)為動力蓄電池系統(tǒng)的溫度的整體升高，隨后觸發(fā)鋰離子電池自身的熱失控。

2）自身放熱。鋰離子電池在發(fā)生故障時，伴隨著劇烈的化學反應(yīng)，短時間內(nèi)的劇烈放電，瞬間產(chǎn)生大量的熱量，導致溫度急劇升高。一般表現(xiàn)為單個電芯的溫度急劇升高，隨后該電芯釋放的熱量誘發(fā)熱擴散，觸發(fā)臨近電芯的熱失控。如圖1 所示。

圖1 動力蓄電池系統(tǒng)熱失控時溫度變化

1.2 電壓

1）單體電壓過高。過充是動力蓄電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控的一個重要原因，其特征表現(xiàn)為電芯的單體電壓超過正常的電壓，并持續(xù)一定的時間后，電芯內(nèi)部析鋰刺穿隔膜，進而引發(fā)電芯的內(nèi)短路。

2）單體電壓跌落。鋰離子電池熱失控時，劇烈的化學反應(yīng)在電壓的表現(xiàn)為單體電壓的瞬間跌落。

1.3 氣壓

劇烈的化學反應(yīng)，會釋放大量的氣體和熱量，從而引起氣壓的變化。

1.4 煙霧

在高溫狀態(tài)下，高分子材料熱裂解或燃燒所形成的物質(zhì)，以及燃燒物在不完全燃燒時的產(chǎn)生物，最終形成煙霧。

1.5 氣體成分

動力鋰電池熱失控初期發(fā)生化學反應(yīng)時，會產(chǎn)生CO、HF、H2、CH4、C2H4、H2S、SO2等，通過可燃氣體傳感器、CO 傳感器、VOC 傳感器等可檢測這些氣體濃度值[2]。

1.6 聲音

熱失控導致熱量急劇上升，當空氣受熱膨脹時會產(chǎn)生燃燒音，這是一種頻率為數(shù)赫茲的壓力聲波，通過次聲波傳感器可有效檢測燃燒中產(chǎn)生的聲壓。但此因為動力蓄電池系統(tǒng)安裝在汽車底盤處，工況復雜，較難精準分辨。

1.7 火焰

燃燒過程中的光輻射、熱輻射、圖像信息等構(gòu)成火焰信息，通過熱紅外傳感器或攝像頭可采集火焰信息。此特征量發(fā)生在存在明火時，對提醒乘客遠離車輛的熱失控預(yù)警意義不大，故不做考慮。

2 熱失控關(guān)鍵報警算法設(shè)計

2.1 實驗設(shè)計

在一個設(shè)計完好的動力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)，分別布置好適當數(shù)量的電壓傳感器，溫度傳感器，氣壓傳感器，煙霧傳感器，CO 傳感器，并分別布置在適當?shù)奈恢茫⑦@些傳感器與電池管理系統(tǒng)（BMS）連接起來，最后通過BMS 傳輸各傳感器的采集到的動力蓄電池熱失控時的關(guān)鍵特征量數(shù)據(jù)。如圖2 所示。

圖2 動力蓄電池系統(tǒng)熱失控實驗設(shè)計

1）加熱。在動力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)布置加熱裝置，對其中單個電芯或多個電芯布置加熱裝置，讓其對一個電芯進行加熱，直至觸發(fā)熱失控。試驗中需全程采集數(shù)據(jù)。

2）過充。在動力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)布置充電裝置，對其中單個電芯或多個電芯布置充電裝置，讓其對一個電芯進行充電至過充，直至觸發(fā)熱失控。試驗中需全程采集數(shù)據(jù)。

3）針刺。如圖3 所示，在動力蓄電池系統(tǒng)側(cè)邊布置針刺裝置，試驗時將動力蓄電池系統(tǒng)殼體、以及電芯刺穿，直至觸發(fā)熱失控。試驗中需全程采集數(shù)據(jù)。

圖3 動力蓄電池系統(tǒng)針刺觸發(fā)熱失控試驗

2.2 邏輯處理

在經(jīng)過多次試驗后，得到一批最真實的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析處理后得到以下三個結(jié)論。

1）實驗數(shù)據(jù)指導傳感器位置設(shè)計。煙霧、氣壓、氣體傳感器和熱失控電芯的相對位置會影響傳感器采集的數(shù)據(jù)，從而影響熱失控報警的時效性和精準性，所以必須根據(jù)實驗數(shù)據(jù)指導傳感器位置設(shè)計。以煙霧傳感器為例，對比同一時刻不同位置的煙霧傳感器采集到的濃度值，選擇能快速采集到煙霧且煙霧濃度更為高的位置。

2）故障閾值確認。熱失控在任何一串電芯處都可能會發(fā)生，因此，單一特征量的報警閾值必須滿足快速且精準的條件。該故障閾值受經(jīng)驗和積累數(shù)據(jù)的影響，同時還受傳感器的位置，動力蓄電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等因素影響。

3）報警策略的處理。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定好的報警閾值，可以設(shè)定多種熱失控報警的判斷邏輯，如單體電壓+溫度；煙霧濃度達到報警閾值；氣壓濃度達到報警閾值；CO 濃度達到報警閾值。

考慮到動力蓄電池成本問題，若減少響應(yīng)傳感器，則應(yīng)適當增加其他熱失控的報警條件，需結(jié)合具體的實驗數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的策略，確保熱失控報警的提前性和準確性。

3 結(jié)語

動力蓄電池的熱失控問題是一個長期存在的問題，與動力蓄電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制策略和狀態(tài)監(jiān)控息息相關(guān)。安全問題，重在預(yù)防。在設(shè)計層面，設(shè)計足夠安全的結(jié)構(gòu)，合理的電氣選型，合適的阻燃、吸熱降溫結(jié)構(gòu)，足夠堅硬的底殼防護等；在策略方面，需要電池管理系統(tǒng)的策略充分考慮到電芯的特性，避免電芯的不當使用而引起的安全風險。在使用方面，需要全社會普及鋰離子電池的相關(guān)安全常識，充分利用純電動汽車在節(jié)能減排、環(huán)境保護等方面的積極貢獻，規(guī)避鋰離子電池可能帶來的安全風險。