電動(dòng)汽車動(dòng)力電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及安全防護(hù)方法研究

馮婧

（西安汽車科技職業(yè)學(xué)院 710068)

電動(dòng)汽車的3大組成部分是動(dòng)力電池、電機(jī)及電控系統(tǒng)。動(dòng)力電池屬于電動(dòng)汽車核心部件，其性能好壞直接決定電動(dòng)汽車的續(xù)航里程及使用成本。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中最基本的功能是電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)，內(nèi)容包括電壓、電流及溫度等[1]。

1 動(dòng)力電池電壓監(jiān)測(cè)

在監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的電壓、電流及溫度3種物理量中，電壓監(jiān)測(cè)相對(duì)于電流及溫度監(jiān)測(cè)信息量很大。動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)主要在于電壓采集精度指標(biāo)，但是精度指標(biāo)并不是越高越好，精度高的器件成本高，難以產(chǎn)業(yè)化，而且采集數(shù)據(jù)時(shí)間長，影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及同步性。動(dòng)力電池采集的精度與數(shù)據(jù)用途有關(guān)，如電壓數(shù)據(jù)是用于過電壓保護(hù)的，由于磷酸鐵鋰電池的電壓在3.2～3.3 V之間，而高電壓門限在3.6 V以上，所以電壓采樣精度要求相對(duì)較低。電壓數(shù)據(jù)如果用于顯示，由于數(shù)據(jù)的微量差異化對(duì)駕駛員影響不大，所以數(shù)據(jù)采樣精度要求也不高。但剩余電量對(duì)車輛的行駛有較大影響，所以數(shù)據(jù)精度要求較高。

2 動(dòng)力電池電壓采集方式

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的電壓，以保證電動(dòng)汽車正常和安全行駛。電壓數(shù)據(jù)的獲取是通過電壓采集電路及A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)的。因串聯(lián)電池組的整體性能取決于電池組單體電池狀態(tài)，需實(shí)時(shí)監(jiān)視串聯(lián)電池組中單體電池狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)電池組有效管理。

動(dòng)力電池充電和放電方式的選擇、剩余電量的計(jì)算、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及電池性能的分析，是體現(xiàn)單體動(dòng)力電池工作狀態(tài)的基本依據(jù)。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)對(duì)每個(gè)單體或多個(gè)單體進(jìn)行精確測(cè)量，可以有效避免動(dòng)力電池的不均衡性帶來的局部過充、過放所引起的安全問題。傳統(tǒng)電壓采集方式為利用繼電器和電容隔離處理、浮動(dòng)技術(shù)測(cè)量電池端電壓、共模檢測(cè)法和差模檢測(cè)法。其他測(cè)量方式為基于專用芯片的電壓采集方式、基于繼電器及共享A/D芯片的輪流采集方式、基于精密電阻的分壓方式和每個(gè)動(dòng)力電池分配電壓采集前端方式。

3 動(dòng)力電池電流檢測(cè)

3.1 電流檢測(cè)特點(diǎn)

因?yàn)閯?dòng)力電池串聯(lián)使用，所以電流采樣的通道少，電流采樣頻率對(duì)于剩余電量的評(píng)估精度及系統(tǒng)安全性有重要影響，所以采樣頻率要更高[2]。

3.2 動(dòng)力電池電流監(jiān)測(cè)精度問題

為保障電動(dòng)汽車的安全，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)對(duì)充放電設(shè)置限制，一旦工作電流超過限制電流，系統(tǒng)則啟動(dòng)保護(hù)措施。實(shí)際工作中，電流變化范圍較大，且存在動(dòng)態(tài)變化性，儀表顯示數(shù)據(jù)存在少量的偏差，對(duì)駕駛員正確判斷不會(huì)造成太大負(fù)面影響。當(dāng)車輛處于靜態(tài)時(shí)，駕駛員對(duì)數(shù)據(jù)誤差的絕對(duì)值是較為敏感的，此時(shí)對(duì)電流監(jiān)測(cè)精確度要求較高。在電流采樣頻率高的情況下，利用電流積分法評(píng)估剩余電量的精度。

3.3 基于分流器的電流監(jiān)測(cè)

分流器實(shí)際上就是一個(gè)阻值很小的電阻，其精度高且溫漂小，當(dāng)電流流過分流器時(shí)，可通過測(cè)量其兩端的壓降計(jì)算出電流的大小。例如需要在分流器上產(chǎn)生75 mV壓降，分流器的阻值為0.25 Ω，因75 mV數(shù)值太小，需要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上放大電路。

3.4 利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)電流

可以利用霍爾效應(yīng)測(cè)量各種電流，需要注意3個(gè)方面的問題：第一，放大電路，霍爾效應(yīng)的工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過控制磁場(chǎng)和電流變化獲取電壓值，需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，以提高電流的測(cè)量精確度；第二，霍爾電流傳感器的標(biāo)定，傳感器在實(shí)際工作時(shí)存在系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致輸出電壓的零點(diǎn)并非對(duì)應(yīng)電流的零點(diǎn)，I-U曲線是一條直線，但實(shí)際工作時(shí)可能是曲線，所以需要對(duì)霍爾電流傳感器進(jìn)行標(biāo)定；第三，電流輸出量程的選擇，需要根據(jù)電動(dòng)汽車實(shí)際的需要選擇合適的量程，為獲取更大的電壓范圍，在設(shè)計(jì)或者選擇霍爾傳感器時(shí)，盡量選擇大的工作電流。

4 動(dòng)力電池溫度監(jiān)測(cè)

溫度對(duì)動(dòng)力電池的工作影響較大，過低或過高的溫度均易損壞動(dòng)力電池。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中需要對(duì)動(dòng)力電池溫度、環(huán)境溫度和動(dòng)力電池箱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而延長電池使用壽命。受系統(tǒng)工作的影響，溫度監(jiān)測(cè)同樣存在誤差，在小范圍內(nèi)的誤差，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，對(duì)剩余電量的評(píng)估影響不大。但是溫度監(jiān)測(cè)易受電磁干擾，最好的解決辦法是加入數(shù)字濾波器，濾除高頻信號(hào)。

5 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)是根據(jù)動(dòng)力電池的單體電壓、總電壓、電流和溫度等信息，對(duì)動(dòng)力電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)，判斷動(dòng)力電池的狀態(tài)。

5.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全特征

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為高能量載體，在不需要外部能量輸入的情況下，本身因能量非正常釋放而產(chǎn)生巨大破壞威力。能量非正常釋放的表現(xiàn)形式主要包括燃燒或爆炸的化學(xué)能釋放情況。燃燒過程的能量轉(zhuǎn)換包括化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和光能等，而爆炸過程則是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和光能，并伴隨著巨大的機(jī)械能。

燃燒及爆炸兩者均需要具備可燃物、氧化劑及火源等基本因素。燃燒和爆炸本質(zhì)相同，區(qū)別在于二者氧化反應(yīng)速度不同。動(dòng)力電池的化學(xué)特征包括：電池的電解液及塑料部件具有可燃性，金屬鋁在高溫下也可以燃燒；電池的正負(fù)極材料均為氧化劑；電池組釋放的能量會(huì)引起溫度快速上升成為火源。動(dòng)力電池的機(jī)械特性包括：電池空間成密閉空間，可以防塵防水；電池殼體材料具有足夠的強(qiáng)度，可以耐受劇烈的機(jī)械負(fù)荷[3]。

5.2 點(diǎn)擊分析

動(dòng)力電池是非安全電壓的直流電力系統(tǒng)，造成的點(diǎn)擊危害為人體直流觸電。構(gòu)成直流觸電的基本要素包括：電壓等級(jí)超過安全電壓；存儲(chǔ)電荷達(dá)到足以致命的能量級(jí)別；人體與高壓直流電構(gòu)成放電回路。導(dǎo)致動(dòng)力電池發(fā)生人體觸電的原因是，外殼或高壓端口的接觸防護(hù)失效或者正負(fù)極與殼體絕緣失效，人體接觸二者亦可造成回路而觸電。在安裝、拆卸和充電時(shí)均需注意安全防護(hù)，避免觸電事件的發(fā)生。

6 動(dòng)力電池的安全防護(hù)功能

動(dòng)力電池事故來源于因碰撞引發(fā)的短路、電路連接故障、電池進(jìn)水引發(fā)的短路、電池漏液引發(fā)的短路及電池過充電等[4]。

6.1 動(dòng)力電池的安全性

動(dòng)力電池受熱到一定溫度后就會(huì)不可控制，溫度就會(huì)急劇上升，一旦超過500℃就會(huì)燃燒爆炸，該現(xiàn)象稱為動(dòng)力電池?zé)崾Э?。?dòng)力電池?zé)崾Э氐脑蛑饕ǎ簻囟壬仙|發(fā)動(dòng)力電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)，使溫度急劇上升，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)力電池?zé)崾Э?；?dòng)力電池外部短路、背部短路及過充電燈都會(huì)產(chǎn)生大量的熱，產(chǎn)生電觸發(fā)引起的熱失控；車輛在發(fā)生劇烈碰撞時(shí)，擠壓導(dǎo)致動(dòng)力電池發(fā)生短路，造成熱失控。一旦產(chǎn)生熱失控就會(huì)產(chǎn)生大量的熱，引起一系列的內(nèi)部反應(yīng)，最終造成爆炸。

6.2 動(dòng)力電池的安全防護(hù)功能

BSM直接對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行管理或接收整車多能源管理系統(tǒng)的指令，對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行控制和保護(hù)，動(dòng)力電源系統(tǒng)安全保護(hù)功能就是通過BSM來實(shí)現(xiàn)的。安全管理的主要功能包括：在車輛維護(hù)的狀態(tài)下切斷動(dòng)力電池系統(tǒng)電源；在車輛進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時(shí)能夠釋放掉動(dòng)力元件的電容電壓；在車輛故障或者發(fā)生碰撞時(shí)能夠及時(shí)切斷動(dòng)力電池系統(tǒng)電源；控制充放電相關(guān)參數(shù)；動(dòng)力電池電量的計(jì)算與故障診斷；系統(tǒng)在高溫、高壓等情況下出現(xiàn)故障時(shí)，通知駕駛員進(jìn)行相關(guān)檢查；提高網(wǎng)絡(luò)通訊功能等。

6.2.1 電氣控制保護(hù)

電氣控制保護(hù)功能是基于動(dòng)力電池技術(shù)及類型來設(shè)定的一個(gè)控制充放電的算法邏輯，以此作為充放電的控制標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)力電池控制保護(hù)主要對(duì)動(dòng)力電池及電源系統(tǒng)的過壓、欠壓及過流等狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)，避免損壞或出現(xiàn)安全事故。電氣控制保護(hù)的另一功能是漏電保護(hù)控制，防止高壓電荷高電流漏電。

6.2.2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

該系統(tǒng)的功能是通過風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)和熱敏電阻加熱裝置，使動(dòng)力電池處于正常的工作范圍。其特點(diǎn)是通過分析傳感器顯示溫度與動(dòng)力電池組的關(guān)系，確定動(dòng)力電池組外殼及控制單元的擺放位置，使動(dòng)力電池箱具有有效的熱平衡狀態(tài)，確保動(dòng)力電池運(yùn)行正常[5]。

6.2.3 管理診斷系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要檢測(cè)各項(xiàng)功能控制單元是否處于正常工作范圍，檢測(cè)動(dòng)力電池組是否存在異常情況。自診斷功能能夠?yàn)殡娫垂芾硐到y(tǒng)提供有效數(shù)據(jù)，控制單元可根據(jù)該數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的指令，確保系統(tǒng)安全。

7 結(jié)束語

通過對(duì)動(dòng)力電池在電壓、電流和溫度等方面監(jiān)測(cè)，可以不斷促進(jìn)動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展，延長動(dòng)力電池使用壽命，減少環(huán)境污染。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車唯一的能量來源和混合動(dòng)力汽車的重要能量來源，動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性顯得尤為重要，需要對(duì)動(dòng)力電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及加強(qiáng)動(dòng)力電池的安全防護(hù)，避免事故發(fā)生。