淺談純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全技術(shù)

楊萬(wàn)里，徐小兵，范鵬飛，黃 進(jìn)，田鳳軍

(1.北汽(常州)汽車(chē)有限公司，江蘇 常州 213133； 2.亨通電力產(chǎn)業(yè)集團(tuán) 新能源研究所，江蘇 蘇州 215200)

目前純電動(dòng)汽車(chē)安全性問(wèn)題依然存在，且主要集中在動(dòng)力電池系統(tǒng)方面。當(dāng)動(dòng)力鋰電池發(fā)生內(nèi)部或外部短路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池的熱失控，進(jìn)而引起車(chē)輛冒煙、起火甚至爆炸[1-4]。因此如何提高整車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性和管控水平，避免電池發(fā)生熱失控已經(jīng)成為純電動(dòng)汽車(chē)研究的重點(diǎn)。本文將討論純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全技術(shù)。

1 純電動(dòng)客車(chē)電池系統(tǒng)安全技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 整車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)

1) 純電動(dòng)客車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)(下稱(chēng)電池包)通常布置在車(chē)身后艙或車(chē)身骨架兩側(cè)的行李艙內(nèi)，以減少外部對(duì)電池包的擠壓、撞擊等；此外在電池包附近還會(huì)加裝防撞梁等，增強(qiáng)對(duì)電池包的保護(hù)；通過(guò)嚴(yán)苛的整車(chē)碰撞和側(cè)翻實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步檢驗(yàn)整車(chē)電池包安裝處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證電池包在受外力撞擊的情況下依然能夠安全。

2) 由于部分純電動(dòng)客車(chē)受限于車(chē)身結(jié)構(gòu)，將電池包布置于整車(chē)底盤(pán)下方。根據(jù)車(chē)型不同，對(duì)整車(chē)的離地間隙有嚴(yán)格的要求，以輕客為例，通常車(chē)輛滿(mǎn)載后電池包離地間隙不得小于180 mm，以防止地面有異物對(duì)電池包進(jìn)行撞擊、擠壓甚至刺穿。

1.2 高壓連接器的選型設(shè)計(jì)

高壓連接器是整車(chē)高壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在選型時(shí)要綜合考慮其IP防護(hù)等級(jí)、連接可靠性、插拔壽命和斷電響應(yīng)速度等。以某純電動(dòng)客車(chē)為例，其整車(chē)電壓平臺(tái)為360 V，電池系統(tǒng)工作電壓范圍為300～420 V。高壓連接器選型要滿(mǎn)足如下要求：

1) 達(dá)到IP67防護(hù)等級(jí)。至少需要兩個(gè)不同的動(dòng)作才能將其從相互的對(duì)接端分離，且高壓連接器與其他某個(gè)機(jī)構(gòu)有機(jī)械鎖止關(guān)系，在高壓連接器打開(kāi)前，該鎖止機(jī)構(gòu)必須要使用工具才能打開(kāi)。

2) 插拔壽命不少于200次。在高壓連接器分開(kāi)之后，連接器中帶電部分的電壓能在 1 s內(nèi)降低到不大于30 Va.c.(RMS)且不大于60 Vd.c.。

1.3 高壓互鎖功能設(shè)計(jì)

整車(chē)高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求高壓部件要具備高壓互鎖功能[5-7]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整車(chē)高壓部件的連接狀態(tài)。以某純電動(dòng)客車(chē)為例，電池管理系統(tǒng)(下稱(chēng)BMS)與電機(jī)控制器等電控器件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)高壓連接器的互鎖回路的連接狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)某一個(gè)高壓連接器互鎖回路信號(hào)異常時(shí)，BMS或電機(jī)控制器等相應(yīng)的控制器將異常狀態(tài)反饋給整車(chē)控制器(下稱(chēng)VCU)，VCU根據(jù)故障類(lèi)別決策相應(yīng)的故障處理措施，并將相應(yīng)的決策命令反饋給BMS或電機(jī)控制器等執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，及時(shí)斷開(kāi)動(dòng)力電池系統(tǒng)的高壓回路，保證整車(chē)高壓安全。

1.4 動(dòng)力電池系統(tǒng)防水設(shè)計(jì)

為了防止動(dòng)力電池系統(tǒng)因?yàn)閮?nèi)部進(jìn)水導(dǎo)致高壓部件短路，主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行防水設(shè)計(jì)：

1) 對(duì)電池系統(tǒng)層面進(jìn)行必要的防水設(shè)計(jì)與浸水實(shí)驗(yàn)。在電池包箱蓋與電池包箱體之間密封處加裝防水密封圈和少量的密封膠；箱體密封好后進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)和氣密性檢測(cè)。

2) 對(duì)整車(chē)層面進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)。純電動(dòng)客車(chē)一般要求電池包擺放在車(chē)輛行李艙或者車(chē)艙內(nèi)部，部分車(chē)型布置在整車(chē)底盤(pán)上，但離地間隙要足夠。車(chē)輛安裝調(diào)試好后，進(jìn)行整車(chē)涉水實(shí)驗(yàn)和淋雨實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電池系統(tǒng)防水能力。

1.5 動(dòng)力電池系統(tǒng)防過(guò)度充電和低溫充電設(shè)計(jì)

過(guò)度充電和低溫充電是動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控的兩個(gè)主要誘因[8]。以某純電動(dòng)客車(chē)為例，在充電過(guò)程中一般從以下幾個(gè)層面預(yù)防電池系統(tǒng)過(guò)度充電和低溫充電：

1) 充電前動(dòng)力電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與潛在故障診斷。在車(chē)輛進(jìn)行充電前，BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)，包括單體電池的電壓、溫度、動(dòng)力電池系統(tǒng)總壓，BMS計(jì)算電池系統(tǒng)最大單體電壓差和最大溫度差，判斷單體電壓、溫度、壓差和溫差等是否符合預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，若各參數(shù)值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，BMS將故障信息與故障等級(jí)反饋給VCU，VCU根據(jù)故障等級(jí)判斷是否允許車(chē)輛充電。

2) 低溫禁止充電或開(kāi)啟加熱功能。在車(chē)輛與充電設(shè)施進(jìn)行連接準(zhǔn)備充電時(shí)，BMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最低單體溫度信息，當(dāng)電池溫度低于0 ℃時(shí)，BMS判斷系統(tǒng)溫度過(guò)低，若電池系統(tǒng)不具備加熱功能，則將故障信息上報(bào)給整車(chē)和充電設(shè)備，禁止低溫充電；若電池系統(tǒng)具備加熱功能，BMS則開(kāi)啟電池系統(tǒng)內(nèi)的加熱回路繼電器，對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱，監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)溫度變化情況，直至溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)才允許正常充電。

3) 充電時(shí)電池系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)與故障診斷。在車(chē)輛進(jìn)行充電時(shí)，BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單體電壓、單體溫度、系統(tǒng)總壓、最大單體壓差、最大單體溫差、溫升速度、充電電流等信息，當(dāng)任一項(xiàng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)預(yù)設(shè)的故障閾值時(shí)，BMS立即將故障信息反饋給VCU和充電設(shè)備。VCU收到BMS反饋的故障信息后，停止車(chē)輛充電，并通過(guò)儀表進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒用戶(hù)車(chē)輛電池系統(tǒng)存在故障；充電設(shè)備收到BMS反饋的故障信息，停止充電，并將相關(guān)故障信息通過(guò)液晶顯示界面文字顯示，提醒用戶(hù)電池系統(tǒng)存在故障，保障電池系統(tǒng)充電安全。

1.6 動(dòng)力電池系統(tǒng)放電安全設(shè)計(jì)

鋰離子電池過(guò)度放電也有可能引發(fā)電池?zé)崾Э豙9]。因此，鋰離子電池的放電過(guò)程也需要進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。

1) 當(dāng)整車(chē)電池系統(tǒng)電量較高時(shí)，為了避免由于能量回饋導(dǎo)致電池電壓上升觸發(fā)電壓過(guò)高報(bào)警機(jī)制，一般設(shè)定當(dāng)純電動(dòng)客車(chē)電池系統(tǒng)電量大于預(yù)設(shè)值95%時(shí)關(guān)閉車(chē)輛能量回饋功能。

2) 當(dāng)車(chē)輛電量較低時(shí)，為了避免電池過(guò)度放電導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生一些不可逆的反應(yīng)，使電池性能受到損傷，整車(chē)會(huì)結(jié)合整車(chē)動(dòng)力性能要求，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)處理。以某純電動(dòng)客車(chē)的控制策略為例：當(dāng)電量低于20%時(shí)，通過(guò)整車(chē)儀表進(jìn)行聲光提示，提醒用戶(hù)及時(shí)補(bǔ)電；當(dāng)電量低于10%時(shí)，在儀表聲光提示的同時(shí)，VCU進(jìn)行限功率行駛，降低車(chē)速和動(dòng)力電池的放電電流；當(dāng)電量低于3%時(shí)，為避免車(chē)輛動(dòng)力電池系統(tǒng)過(guò)度放電造成電池?fù)p壞，禁止車(chē)輛行駛，VCU控制高壓回路繼電器斷開(kāi)，完成整車(chē)端高壓處理。通過(guò)這樣的分級(jí)處理，既可以保證用戶(hù)的體驗(yàn)感又可以保護(hù)動(dòng)力電池。

1.7 動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控預(yù)警設(shè)計(jì)

目前，動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)增加由高靈敏度的煙霧和特殊氣體傳感器以及自動(dòng)滅火裝置組成的消防系統(tǒng)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到電池系統(tǒng)內(nèi)部有煙霧和異常氣體時(shí)，消防系統(tǒng)第一時(shí)間將故障信息反饋給BMS并進(jìn)行消防處理，可以一定程度上限制電池?zé)崾Э氐臄U(kuò)散蔓延，降低危害。

2 電池系統(tǒng)安全技術(shù)提升

雖然目前純電動(dòng)客車(chē)電池系統(tǒng)安全防護(hù)的措施已經(jīng)非常豐富，但是頻繁發(fā)生的電池?zé)崾Э厥录舱f(shuō)明其安全技術(shù)仍需要不斷提升。除了繼續(xù)提升整車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全防護(hù)水平，防止電池系統(tǒng)機(jī)械濫用和電氣濫用之外，還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步提升整車(chē)的安全水平。

2.1 利用電池?zé)崾Э啬Ｐ吞嵘姵貐?shù)估算準(zhǔn)確度

當(dāng)前動(dòng)力電池系統(tǒng)的故障診斷閾值更多的是依據(jù)電芯的極限實(shí)驗(yàn)和常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試數(shù)據(jù)制定的，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試值與真實(shí)的使用工況仍有較大差異，隨著電池使用次數(shù)的增多，原先設(shè)定的參數(shù)準(zhǔn)確度也會(huì)變低。加強(qiáng)全生命周期下電池系統(tǒng)工作模型的建設(shè)，尤其是電池?zé)崾Э啬Ｐ偷慕ㄔO(shè)可以更加準(zhǔn)確地估算出電池系統(tǒng)在整車(chē)不同使用工況下的極限狀態(tài)，并結(jié)合電池系統(tǒng)實(shí)測(cè)值，定期動(dòng)態(tài)調(diào)整原先設(shè)定好的故障診斷閾值，從而實(shí)現(xiàn)在全生命周期下整車(chē)電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的安全管控。

2.2 提高BMS的狀態(tài)預(yù)測(cè)能力和故障預(yù)警水平

目前，BMS對(duì)電池安全狀態(tài)的預(yù)測(cè)能力有限，一方面電池系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)(主要包含電荷狀態(tài)SOC、健康狀態(tài)SOH、功率狀態(tài)SOP等)精度有限，另一方面缺乏完善的電池系統(tǒng)安全狀態(tài)評(píng)估模型，因此也就很難做到對(duì)電池安全狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，更別說(shuō)是提前預(yù)警。

未來(lái)需要進(jìn)一步提高電池系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性，獲取電池系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)量，同時(shí)結(jié)合完善的電池系統(tǒng)安全狀態(tài)評(píng)估模型，計(jì)算評(píng)估當(dāng)前動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全狀態(tài)，以采取合理的電池管理方法，有效地將動(dòng)力電池控制在最優(yōu)工作區(qū)間,保障動(dòng)力電池的電性能、一致性、安全性和使用壽命[10]。與此同時(shí)將相應(yīng)的狀態(tài)信息反饋給VCU，VCU結(jié)合車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)采取相應(yīng)的控制方法來(lái)調(diào)整整車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，以保證車(chē)輛運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.3 加強(qiáng)大數(shù)據(jù)的分析與利用

前期整車(chē)電池系統(tǒng)狀態(tài)難以準(zhǔn)確估計(jì)的一個(gè)原因是缺乏大量的車(chē)輛電池系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，使得電池狀態(tài)估計(jì)更多地依賴(lài)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)。但目前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)客車(chē)的運(yùn)營(yíng)監(jiān)管平臺(tái)已經(jīng)建立，可以獲得海量的車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。后續(xù)整車(chē)與電池企業(yè)可以通過(guò)對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同電池系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。結(jié)合BMS原有的狀態(tài)估計(jì)和故障診斷能力，可以進(jìn)一步提前發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)存在的問(wèn)題并及時(shí)報(bào)給VCU，VCU根據(jù)不同故障類(lèi)型對(duì)整車(chē)進(jìn)行分類(lèi)管控，從而保障電池系統(tǒng)運(yùn)行安全，防止電池?zé)崾Э厥录陌l(fā)生。

例如，通過(guò)分析同一批次車(chē)輛電池系統(tǒng)的歷史與實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)多維度參數(shù)分析電池系統(tǒng)壓差變化情況，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池系統(tǒng)一致性較差的車(chē)輛，通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)及時(shí)聯(lián)系駕駛員，安排專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)車(chē)輛動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行檢查并及時(shí)處理，將熱失控風(fēng)險(xiǎn)降到最低。來(lái)自新能源汽車(chē)國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟的信息表明，已經(jīng)接入到國(guó)家新能源汽車(chē)數(shù)據(jù)平臺(tái)的車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)了在車(chē)輛實(shí)際出現(xiàn)故障之前提示過(guò)預(yù)警信息的將近有60%，由此可見(jiàn)新能源汽車(chē)事故是可發(fā)現(xiàn)、可預(yù)判、可處理的[11]。

3 結(jié)束語(yǔ)

純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全問(wèn)題仍然是當(dāng)前業(yè)內(nèi)最敏感最棘手的問(wèn)題。隨著電池安全技術(shù)和整車(chē)安全技術(shù)的不斷成熟和完善，結(jié)合大數(shù)據(jù)的分析與利用，相信未來(lái)我國(guó)純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全問(wèn)題會(huì)得到很好的解決。