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電動電動汽車動力電池?zé)崾Э剡^程分析及預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)

2020-04-15 23:37:59·  來源：電動學(xué)堂  
　
作者單位：東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽）有限公司DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.05.005前言由于近年來電動汽車銷量的增長同時(shí)也顯現(xiàn)許多安全問題，安全事故頻
作者單位：東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽）有限公司
DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.05.005
前言
由于近年來電動汽車銷量的增長同時(shí)也顯現(xiàn)許多安全問題，安全事故頻發(fā)，先后有多輛電動汽車發(fā)生起火等嚴(yán)重安全事故。其中不僅包含國內(nèi)的造成新勢力還有國外行業(yè)領(lǐng)軍電動車品牌。在所有的事故原因中，熱失控問題占有很大比例。本文通過對動力電池?zé)崾Э剡^程的分析，設(shè)計(jì)出一套熱失控預(yù)警系統(tǒng)。這樣至少保證在整車發(fā)生熱失控之前能夠通知到車內(nèi)的乘客，避免造成人員傷亡，同時(shí)能夠盡量減少事故帶來的財(cái)產(chǎn)損失。
1熱失控過程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內(nèi)部產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于散熱速率，在電池內(nèi)部積累了大量的熱量，從而引發(fā)單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會擴(kuò)散到整個(gè)電池系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)甚至整車的起火或爆炸事故。
為研究動力電池系統(tǒng)熱失控發(fā)生的過程，我們外接熱源的方式對電池進(jìn)行加熱從而引發(fā)熱失控。試驗(yàn)表明，在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)伴隨有電池電壓的變化、電池及環(huán)境溫度的變化、電池包內(nèi)氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現(xiàn)異常的的信號分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個(gè)大類，分別進(jìn)行分析。
針對溫度信號在熱失控過程中的分析：電池的溫度在熱失控發(fā)生前會有一個(gè)持續(xù)的較快速率的上升過程，如圖1數(shù)據(jù)所示（橫軸時(shí)間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時(shí)間內(nèi)，溫度從室溫25℃持續(xù)升高到62℃。隨后發(fā)生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節(jié)電池能量釋放完之后溫度會下降，到第787秒第二節(jié)電池?zé)崾Э?，同樣溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升。如此發(fā)生連環(huán)性的熱失控反應(yīng)，最后整個(gè)電池包都發(fā)生熱失控。
 
針對單體電池電壓信號在熱失控過程中的分析：電池的電壓在熱失控發(fā)生之前基本維持在平臺電壓保持不變。在熱失控發(fā)生的瞬間，實(shí)測在2秒內(nèi)電壓會下降到1V以下。圖2（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓單位為V）中符合以上特征，第一個(gè)發(fā)生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測電壓的電路受損燒毀均為無效值。圖3（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓單位為V）為第二個(gè)發(fā)生熱失控的電池的電壓特征。與圖2的特征類似，只是開始時(shí)間平移到第787秒。
 
 
針對電池包內(nèi)氣壓信號在熱失控過程中的分析：如圖4（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓單KPa），電池包內(nèi)放置兩個(gè)氣壓傳感器，正常大氣壓為101KPa，在第720 秒發(fā)生第一次單體電池?zé)崾Э兀藭r(shí)氣壓會上升到120KPa。由于電池包內(nèi)存在平衡泄壓閥，一段時(shí)間后氣壓會下降到101KPa。與第二個(gè)發(fā)生單體熱失控的時(shí)間吻合，在第787 秒，氣壓第二次上升到120KPa，隨后下降。以此連鎖反應(yīng)，直至整包熱失控。通過以上分析，得出兩條結(jié)論，可作為熱失控報(bào)警機(jī)制設(shè)計(jì)的依據(jù)。一個(gè)是熱失控首先發(fā)生在單體電池，然后慢慢擴(kuò)散，最終引起整個(gè)電池包的熱失控，升級為整車嚴(yán)重事故。這之間一般會有5分鐘以上的預(yù)警時(shí)間。報(bào)警機(jī)制設(shè)計(jì)就是要準(zhǔn)確把握這段時(shí)間，及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)警。另一個(gè)是熱失控發(fā)生時(shí)有電壓、溫度、氣壓的明顯數(shù)據(jù)異常特征，報(bào)警設(shè)計(jì)的條件要從這些特征中提取。
2電動汽車動力電池?zé)崾Э貓?bào)警系統(tǒng)架構(gòu)圖
 
上圖是電動汽車動力電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)圖。現(xiàn)將各部分的名稱及在系統(tǒng)中的功能詳細(xì)描述如下：
BIC：電池信息采集單元。檢測串聯(lián)單體電芯的電壓，模組電壓，電池溫度。
BMU：電池管理單元。主要進(jìn)行電池?zé)崾Э氐膱?bào)警條件判斷，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境溫度的監(jiān)控及喚醒，氣壓的檢測（可選項(xiàng)）。
VCU：整車控制單元。接受熱失控報(bào)警信號并結(jié)合整車情況采取相應(yīng)措施，包括給儀表進(jìn)行報(bào)警提示、傳數(shù)據(jù)給T-BOX、下高壓電等整車邏輯相應(yīng)的處理等。
ICU：儀表控制單元。執(zhí)行VCU命令，報(bào)警提示乘員危險(xiǎn)。
T-BOX：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)警信號到大數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。
大數(shù)據(jù)監(jiān)控中心：故障發(fā)生前做出風(fēng)險(xiǎn)提示，故障發(fā)生后聯(lián)系車主及其他相關(guān)人員處理危險(xiǎn)情況。
3熱失控預(yù)警條件判斷
熱失控發(fā)生前一段時(shí)間溫度信號有一些較明顯特征，但也不一定能確認(rèn)出現(xiàn)這些特征就一定會發(fā)生熱失控。溫度相關(guān)的條件包括：
（1）某個(gè)溫度值大于或等于一定值（推薦溫度值60℃）并且持續(xù)一定時(shí)間（推薦時(shí)間3秒）。
（2）最高溫度值在一定時(shí)間內(nèi)（推薦時(shí)間5秒）的溫升大于或等于一定值（推薦2℃）。
只要出現(xiàn)三個(gè)條件中的任何一個(gè)條件就應(yīng)該引起注意，有可能會發(fā)生熱失控。相應(yīng)的處理上僅做低級預(yù)警提示、數(shù)據(jù)的記錄及上報(bào)給上一級控制單元，不做其他任何實(shí)質(zhì)性措施。另外該預(yù)警的一個(gè)重要作用是通過車載終端上報(bào)大數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，通過人工分析熱失控的可能性有多大，從而采取進(jìn)一步措施。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在熱失控發(fā)生的時(shí)刻，如果BMS的所有測量值均有效，則可以檢測到的故障子條件包括：溫度過高，溫升過快，電壓過低，壓降過快，氣壓波動。這些信號又分為溫度類，電壓類，氣壓類，如果出現(xiàn)任意兩類條件同時(shí)滿足，則可判斷發(fā)生熱事件?，F(xiàn)將所有熱事件報(bào)警的組合列舉如下表：
 
條件①——溫度過高
置位條件：如果有某個(gè)溫度值大于60℃并且持續(xù)一定時(shí)間（推薦時(shí)間3秒）。
清除條件：該溫度值小于一定值（推薦溫度值60℃）持續(xù)一定時(shí)間（推薦時(shí)間10分鐘）。
條件②——溫升過快2級
置位條件：最高溫度值在一定時(shí)間（推薦1秒）內(nèi)的溫升大于或等于一定值（推薦5℃）。
清除條件：一定時(shí)間內(nèi)（推薦5秒）沒有新的置位條件則故障清除。
條件③——電壓過低
置位條件：某個(gè)電壓值在小于等于一定值（推薦2V）并且維持一定時(shí)間（推薦2秒）。
清除條件：該電壓值大于一定值（推薦2V）并且維持一定時(shí)間（推薦2秒）。
條件④——壓降過快
置位條件：最低電壓在一定時(shí)間（推薦2秒）之內(nèi)下降一定值（推薦1V）。
清除條件：每隔一定時(shí)間（推薦2秒）重新判斷。
條件⑤——氣壓波動
置位條件：兩個(gè)氣壓傳感器測量值在5秒時(shí)間間隔內(nèi)都出現(xiàn)過氣壓大于120KPa的情況。
清除條件：信號維持一定時(shí)間（推薦5秒）后無置位條件則故障清除。
4整車及大數(shù)據(jù)相關(guān)的處理機(jī)制
熱失控的預(yù)警首先有電池包內(nèi)的電池管理系統(tǒng)報(bào)出來。整車控制器在收到該報(bào)警信號后要做的一個(gè)是給儀表發(fā)送命令，通知駕駛員及乘客立即撤離。報(bào)警要有聲音、文字及信號燈的閃爍等形式。
另外一點(diǎn)是通過整車的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端將報(bào)警信號及當(dāng)時(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心應(yīng)立刻通過電話等方式通知車主，同時(shí)數(shù)據(jù)中心要通知消防部門趕往現(xiàn)場隨時(shí)準(zhǔn)備滅火工作。
監(jiān)控中心的人員在得到數(shù)據(jù)相關(guān)熱失控之后也可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析，查出事故的根本原因。更重要的是如果能通過大數(shù)據(jù)方法提前進(jìn)行輔助的預(yù)警提示，及早進(jìn)行維護(hù)與升級，盡量降低事故發(fā)生的概率。
 
 
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