新能源汽車安全技術(shù)應(yīng)用與實踐

張?zhí)鞆?qiáng) 宋芳

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：NEV 安全 動力電池 充電

1 前言

近幾年，在國家多種政策的支持下，電動汽車銷量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。2018年,我國新能源汽車的產(chǎn)銷量均超過了120萬輛，同比增長近60%，市場滲透率首次超過4%，領(lǐng)跑全球新能源汽車市場[1]。然而，由于新能源汽車產(chǎn)品成熟度仍與傳統(tǒng)燃油車存在一定差距，伴隨著電動車的產(chǎn)銷量的增長，電動車相關(guān)安全事故也隨之增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，2019年前8個月的事故總數(shù)已達(dá)到2018全年事故總數(shù)的80%，如圖1所示。新能源車的安全事故尤其是著火爆炸事故，造成了使用者財產(chǎn)損失與人身安全的損害，同時還對整個行業(yè)發(fā)展造成了深遠(yuǎn)的影響。保障電動汽車安全是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要目標(biāo)，也是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題之一。本文針對新能源汽車安全問題進(jìn)行了深度解析，并提供了相應(yīng)的安全技術(shù)應(yīng)用方案。

2 新能源汽車事故分析

為了更有針對性地解決新能源汽車安全問題，需要從分析新能源事故角度展開工作，下面針對事故場景、事故原因及事故失效模式來進(jìn)行詳細(xì)的解析。

圖1 國內(nèi)新能源汽車安全事故不完全統(tǒng)計

從圖2所示的新能源汽車安全事故場景調(diào)查結(jié)果來看，在充電、行駛和停放使用場景中均有不同比例的起火事故發(fā)生，在3個場景中充電所占比例最高。對事故原因進(jìn)行分析及調(diào)查，如圖3所示，動力電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的問題占著火事故的58%，占比最大，是新能源車安全事故的重點。除電池外，碰撞引起的著火事故占19%，其他原因如浸水、總成故障、電氣連接故障等共占23%[2]，這部分事故主要發(fā)生在車輛運行一段時間后，零部件出現(xiàn)老化、變形，從而導(dǎo)致高壓部件密封失效或電氣連接件破損等問題，進(jìn)而造成短路著火。

圖2 安全事故場景比例

圖3 安全事故原因構(gòu)成

對新能源汽車不同狀態(tài)下的起火事故進(jìn)行深度分析，如圖4所示，以故障發(fā)生的車輛狀態(tài)為出發(fā)點，疊加以濫用條件，得出電芯失效、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS）失效、絕緣失效、機(jī)械及密封失效和連接失效的5大失效模式。各失效模式又會間接或直接導(dǎo)致短路及過熱問題，最后導(dǎo)致充電裝置、動力電池或其他附件起火。相比其他起火情況，動力電池引起的火災(zāi)危險性更高，且不易滅火，并對環(huán)境造成一定的污染。

新能源汽車全生命周期的車輛狀態(tài)可以歸結(jié)為正常行駛、非充電停放、碰撞、浸水和充電5種，經(jīng)常出現(xiàn)且安全風(fēng)險較高的為充電狀態(tài)。車輛在充電過程中，可能導(dǎo)致事故的主要原因是充電濫用行為，包括電池的過充和不符合要求的充電操作兩個方面。其中過充會導(dǎo)致電芯損傷甚至失效，而電芯的失效可能會導(dǎo)致電池包整體密封失效甚至機(jī)械結(jié)構(gòu)的破壞；同時可能會造成電芯模組間的短路、發(fā)熱甚至燃燒，進(jìn)而導(dǎo)致動力電池起火。充電操作方面，如果用戶采用飛線方式充電，很可能發(fā)生插線板的功率不滿足充電要求情況，此時因充電回路供電端電流承載能力不滿足充電電流要求，會導(dǎo)致充電回路過熱而起火。

圖4 安全事故原因分析圖解

3 新能源汽車安全設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

針對安全事故統(tǒng)計分析結(jié)果中出現(xiàn)的碰撞、浸水、零部件及電連接失效、充電使用等問題，應(yīng)通過合理的系統(tǒng)流程體系、整車結(jié)構(gòu)布置及完善的功能設(shè)計予以系統(tǒng)性的解決。另外，也需要考慮車輛使用和維修保養(yǎng)方面的要求和措施。

首先，在系統(tǒng)流程體系方面，應(yīng)以安全為核心，構(gòu)建如圖5所示的全體系業(yè)務(wù)流程，在新能源產(chǎn)品誕生過程中，從頂層危害分析，確立安全目標(biāo)，到系統(tǒng)總成的設(shè)計驗證，再到生產(chǎn)制造，售后維保及運營安全監(jiān)控實施全體系安全流程，從而保證產(chǎn)品的安全。

圖5 新能源汽車安全開發(fā)流程

新能源汽車硬件構(gòu)成與傳統(tǒng)車有明顯區(qū)別，如圖6所示，包括動力電池、電驅(qū)動系統(tǒng)、充電機(jī)、DC/DC、電氣連接部件及電源分配部件等。整車布置方案要盡量避免高壓部件及其電氣連接部件在碰撞后，出現(xiàn)接觸防護(hù)失效、絕緣失效、短路等情況。

圖6 新能源汽車安全可靠性分析

新能源汽車的安全，除了流程體系的保證與結(jié)構(gòu)方面的安全預(yù)防措施外，還應(yīng)對功能及控制策略方面予以合理的設(shè)計，尤其是在發(fā)生安全故障后的處理機(jī)制，以保證整車運行的安全性。

為了保證整車的安全可靠，一般至少要通過比燃油車更加苛刻的整車高低溫、高原、潮濕、壞路、高速等一系列試驗來驗證車輛是否能在整個生命周期內(nèi)安全。

下面介紹以整車結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計為核心的五項安全技術(shù)的應(yīng)用。

3.1 基于安全要求的整車平臺設(shè)計

平臺的設(shè)計以乘員保護(hù)、防止起火爆炸、防止觸電3個方面為核心原則，采用如圖7所示的整體式碰撞安全設(shè)計，優(yōu)化力的傳遞路徑，增加防撞吸能部件，增強(qiáng)車身的整體剛度，將電池布置在最安全的位置，盡量避免在整車碰撞時電池不受到擠壓變形。

3.2 碰撞后快速斷電技術(shù)

一般在車輛碰撞時，從碰撞傳感器感知到BMS控制高壓繼電器切斷供電回路時間在30～80 ms，而在碰撞發(fā)生時，最短的高壓接觸時間為50 ms左右，所以存在高壓繼電器未切斷時已發(fā)生高壓回路短路的情況，進(jìn)而引起安全事故。針對該問題，可采取如圖8所示的雙路高壓斷電系統(tǒng)，采用主動熔斷器和高壓繼電器同時切斷雙路斷電原理，可以控制斷電時間小于25 ms，滿足整車碰撞高壓接觸50 ms的時間要求，確保整車碰撞后的安全。

圖8 碰撞后斷電安全設(shè)計

3.3 充電系統(tǒng)三級安全防護(hù)機(jī)制

對于充電系統(tǒng)，可采取如圖9所示的結(jié)構(gòu)安全技術(shù)、控制安全技術(shù)和大數(shù)據(jù)防護(hù)技術(shù)，并通過全體系流程的監(jiān)控，確保從開發(fā)到生產(chǎn)到售后運營全過程的安全，避免由于充電系統(tǒng)異常而引發(fā)的危害發(fā)生。

3.4 整車故障分析與預(yù)警防護(hù)技術(shù)

基于整車大數(shù)據(jù)平臺，針對故障率較高的部件開展故障預(yù)防措施，例如可以基于電池絕緣電阻值的變化對電池包密封失效進(jìn)行故障預(yù)警，如圖10所示。通過建立數(shù)據(jù)模型，判斷觸發(fā)密封失效的可能性，提前預(yù)警，提示駕駛員及早維護(hù)，避免故障發(fā)生。

3.5 新能源汽車運營安全監(jiān)控技術(shù)

構(gòu)建以安全性為主的運營監(jiān)控系統(tǒng)，實施在線監(jiān)測新能源產(chǎn)品的運營狀態(tài)。應(yīng)用新能源汽車大數(shù)據(jù)進(jìn)行故障情況統(tǒng)計，分析故障相關(guān)影響因素及規(guī)律，通過挖掘相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)律實現(xiàn)故障預(yù)警，保證車輛安全。

圖9 充電安全防護(hù)設(shè)計

圖10 大數(shù)據(jù)安全預(yù)警

4 動力電池安全設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

動力電池作為新能源整車上的關(guān)鍵零部件，其產(chǎn)品安全關(guān)乎用戶的生命安危。在進(jìn)行動力電池產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)將動力電池的安全設(shè)計置于設(shè)計的首要位置。在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)全方位分析各種失效模式并制訂相應(yīng)的解決措施。

動力電池在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，首先要解決的是熱安全，避免動力電池因熱失控造成著火爆炸風(fēng)險。其次要滿足高壓防觸電安全，保證駕乘人員及從業(yè)安全的使用操作安全；再次，電池系統(tǒng)要保證車輛在發(fā)生碰撞翻轉(zhuǎn)等事故后電池的機(jī)械安全。除了系統(tǒng)層面外，動力電池在進(jìn)行從單體到模組還有BMS的設(shè)計時也需要考慮很多安全因素。

動力電池安全的可靠性也是十分重要的，即保證動力電池在各種環(huán)境下、全生命使用周期內(nèi)的性能一致、安全可靠。應(yīng)充分考慮到溫度、鹽霧等環(huán)境因素及振動、泡水等使用因素在車輛運行一段時間后對動力電池產(chǎn)生的影響，以及動力電池的外殼與內(nèi)部材料老化、機(jī)械變形、表面氧化等現(xiàn)象而導(dǎo)致的密封失效、絕緣失效、電阻增大等問題。一般來說，整車廠都會通過充分的試驗驗證確保動力電池的可靠性，如圖11所示，試驗主要包括機(jī)械沖擊、溫度沖擊、濕熱循環(huán)、過充電、過放電、鹽霧、跌落、振動等共15項試驗項目。

下面介紹以動力電池為核心的三項安全技術(shù)的應(yīng)用與實踐。

圖11 動力電池可靠性試驗項目

4.1 電池安全及壽命設(shè)計技術(shù)

構(gòu)建如圖12所示的Q-S系統(tǒng)模型，包含電芯一致性、電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作環(huán)境、控制策略、工作模式和工作時長6因素，做好動力電池正向理論安全設(shè)計。同時以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，面向用戶的系統(tǒng)安全設(shè)計，從車輛端和用戶端分析和解決電池使用過程中的安全和壽命問題。

圖12 動力電池的安全設(shè)計概念

4.2 電池?zé)崾Э仡A(yù)警防護(hù)技術(shù)

這項技術(shù)主要目的是在發(fā)生熱失控時能夠提早預(yù)警，確保人員有足夠時間逃生。實現(xiàn)方式如圖13所示，通過對BMS實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和云端歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立完整的電池?zé)崾Э仡A(yù)警模型，判斷電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險，通過人機(jī)界面（HMI）顯示、車端預(yù)警、云端預(yù)警和主動防護(hù)控制措施，實現(xiàn)風(fēng)險預(yù)警和處理，確保人員和車輛的安全。

圖13 動力電池?zé)崾Э仡A(yù)警設(shè)計流程

4.3 動力電池智能健康管理技術(shù)

通過數(shù)據(jù)標(biāo)簽限制，變化趨勢，環(huán)境數(shù)據(jù)，保養(yǎng)日期記錄等方法監(jiān)控分析電池運行數(shù)據(jù)，提醒用戶改善使用行為，使電池處于更好的使用狀態(tài)，延長電池壽命，提升電池安全性。

5 結(jié)束語

本文梳理了新能源汽車的事故原因并對事故失效模式進(jìn)行分析，對新能源汽車如何保證整車及其關(guān)鍵零部件動力電池的安全與可靠進(jìn)行了技術(shù)分析與應(yīng)用。新能源汽車的安全防護(hù)設(shè)計應(yīng)從產(chǎn)品策劃，研發(fā)設(shè)計，生產(chǎn)制造到售后服務(wù)等多個環(huán)節(jié)中體現(xiàn)，在新能源汽車產(chǎn)品開發(fā)中所包含的功能、性能、安全、成本等多個方面，堅持安全第一的設(shè)計理念，并需采用從整車到總成，再到零部件多維度安全技術(shù)保證新能源汽車的安全。