新能源乘用車用動力電池安全測試分析*

熊紅紅，焦紅星

（1.鄭州升達經貿管理學院，河南 新鄭 451100；2.鄭州職業技術學院，河南 鄭州 450121）

1 引言

發展新能源汽車是中國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，是應對氣候變化、推動綠色發展的戰略舉措[1]。2012年以來，中國堅持純電驅動戰略取向，新能源汽車產業發展取得了巨大成就，成為世界汽車產業發展轉型的重要力量之一。2020年10月，國務院辦公廳發布新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）也就是“十四五規劃”。規劃指出要深化“三縱三橫”的研發布局，以純電動汽車、插電式混合動力（含增程式）汽車、燃料電池汽車為“三縱”，以動力電池與管理系統、驅動電機與電力電子、網聯化與智能化技術為“三橫”。動力電池與管理系統作為重要的“一橫”，其未來發展對整個新能源汽車行業舉足輕重。同時動力電池系統作為新能源汽車的關鍵零部件，其性能直接影響整車動力系統性能。新能源汽車的使用場景可分為行駛、停放、碰撞、水浸和充電5種。其中，充電工況出現頻繁且風險較高。新能源車輛在充電過程中，出現事故的主要原因是充電濫用行為，如過流充電、過壓充電以及使用不符合要求的充電設備進行操作等。過流充電時，鋰離子會大量快速從正極脫出，經過電解液和隔膜到達負極，此時從正極脫出鋰離子的速度遠大于嵌入負極的速度，來不及嵌入負極的鋰離子就會和外電路的電子結合生成鋰單質，單質不斷堆積生成鋰枝晶，枝晶會刺穿隔膜，造成正負極的導通，引發不可逆的安全事故，所以在對鋰離子電池進行充電的過程中要禁止過流充電。過壓充電狀態下，鋰離子會繼續從正極脫出，但是負極已經沒有多余的位置供這一部分鋰離子嵌入，鋰離子就會和外電路的電子結合生成鋰單質，單質不斷堆積生成鋰枝晶，刺穿隔膜導通正負極，形成內短路，引發爆炸起火等一系列的安全問題[2]，因此在對鋰離子電池進行充電的過程中要禁止過壓充電。使用不符合要求的充電設備進行操作存在極大的安全隱患，以及未按規定的充電制度進行充電而引發的安全問題，屢見不鮮。

本文基于GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，對新能源乘用車車用動力電池過流和過壓充電進行測試分析，驗證動力電池安全管理策略的科學性，為熱失控及擴散預警功能的實現以及保護乘員安全提供試驗基礎和事實依據[3]，有利于保護成員的安全。

2 試驗過程

試驗所用動力電池總成外觀照片如圖1所示，測試用電池模擬器為AVL ESTORGE-HV。

圖1 動力電池總成外觀照片

2.1 過流保護

環境溫度為20℃±10℃，動力電池系統SOC范圍為40%～60%，施加過電流值為50A，最大電壓為166V。過流保護可采用如下試驗方法：改變或禁用電池對直流供電設備的通信，使充電電流可達到過流水平。起初以最大工作電流34.4A充電，然后5s內增加到過電流值50A，繼續充電。當符合以下任一條件時，結束試驗。

1）電池包發出自動終止充電電流信號。BMS2（ID：0x122）充電電流過大（3級報警）；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）電池包自動終止充電電流。BMS5（ID：0x35C）電池正極接觸器狀態為斷開。

3）試驗對象溫度穩定（2h 內變化小于4℃）。當BMS1_A＞55A時，為異常終止條件。

2.2 過充電保護

環境溫度為20℃±10℃，試驗用動力電池管理系統功能正常，模擬充電上電報文使電池充電繼電器閉合。過充電保護所用試驗方法如下：連接外部充電設備到試驗對象正負極端，禁用外部充電設備的充電限制。充電策略為試驗樣包在試驗溫度條件下，以34.4A恒流充電至最高單體電壓4.19V。當符合以下任一條件時，結束試驗。

1）電池包發出自動終止充電電流信號。BMS2（ID：0x122）單體電壓過高（2級或3級報警）、總電壓過高（2級或3級報警）；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）電池包自動終止充電電流。BMS5（ID：0x35C）電池正極接觸器狀態為斷開。

3）過程保護未起作用，試驗對象超過最高工作溫度10℃。

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

3 試驗結果

關于過充電和過流保護處理的故障閾值如表1所示。

表1 關于過充電和過流的保護處理的故障閾值表

3.1 過流保護

對電池包以50A電流充電時，系統會自動切斷正極繼電器，終止充電。試驗結束，電池系統無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現象，無異常終止，絕緣≥100Ω/V。具體過程如圖2～圖4所示。當電池包以最大工作電流34.4A充電，然后5s內增加到過電流值50A，繼續充電。圖2為過流報警等級與充電電流的關系曲線，電流升至34.5A后5s內報充電電流過大（1級報警）；電流升至40A后6s報充電電流過大（2級報警），充電電流減半；電流升至44A后6s報充電電流過大（3級報警），BMS5和BMS8相關充電電流和充電功率為0，充電允許指令由1變為0，5s后正極繼電器狀態由閉合變為斷開。

圖2 過流報警等級與充電電流的關系曲線

圖3 充電允許指令

圖4 正極繼電器狀態（過流保護）

3.2 過充電保護

對電池包進行過充電試驗時，當最高單體電壓觸發閾值4.18V后，系統會自動切斷正極繼電器，終止充電。試驗結束，電池系統無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現象，無異常終止，絕緣≥100Ω/V。具體過程如圖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，當單體電壓充至4.16V后第14s報單體電壓過大（1級報警）；繼續以34.4A恒流充電，單體電壓充至4.17V后第13s報單體電壓過大（2級報警），BMS5和BMS8相關充電電流和充電功率均為0；繼續以34.4A恒流充電，單體電壓充至4.18V后第8s報單體電壓過大（3級報警），BMS5和BMS8相關充電電流和充電功率保持為0，3級故障確認時間5s后斷開正極繼電器，正極繼電器狀態由1（閉合）變為0（斷開）。

圖5 充電過程最大單體電壓曲線

圖6 單體電壓過高報警曲線

圖7 正極繼電器狀態（過充電保護）

4 結論

近年來，隨著電動汽車銷量的增長，也顯現出許多安全問題，安全事故頻發，先后有多輛電動汽車發生起火等嚴重安全事故，其中熱失控問題占有很大比例[4]。為保護乘員安全，GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》明確要求動力電池系統必須具有熱失控及擴散預警功能。熱失控預警功能必須滿足以下任一條件：①電池單體熱失控導致熱擴散，進而導致乘員艙危險前5min提供一個熱事件預警信號。②熱擴散不會產生導致車輛乘員危險的情況。本文從新能源汽車動力電池故障著手，對過流和過壓充電工況進行測試分析，驗證了故障閾值表中關于過流和過壓充電保護處理的一致性，為熱失控及擴散預警功能的實現以及保護乘員安全提供試驗基礎和事實依據。