楊萬里，徐小兵，范鵬飛，黃 進(jìn)，田鳳軍

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

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

1 純電動客車電池系統(tǒng)安全技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 整車動力電池系統(tǒng)的布置設(shè)計

1) 純電動客車的動力電池系統(tǒng)(下稱電池包)通常布置在車身后艙或車身骨架兩側(cè)的行李艙內(nèi)，以減少外部對電池包的擠壓、撞擊等；此外在電池包附近還會加裝防撞梁等，增強對電池包的保護(hù)；通過嚴(yán)苛的整車碰撞和側(cè)翻實驗，進(jìn)一步檢驗整車電池包安裝處的結(jié)構(gòu)強度，保證電池包在受外力撞擊的情況下依然能夠安全。

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

1.2 高壓連接器的選型設(shè)計

高壓連接器是整車高壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在選型時要綜合考慮其IP防護(hù)等級、連接可靠性、插拔壽命和斷電響應(yīng)速度等。以某純電動客車為例，其整車電壓平臺為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足如下要求：

1) 達(dá)到IP67防護(hù)等級。至少需要兩個不同的動作才能將其從相互的對接端分離，且高壓連接器與其他某個機構(gòu)有機械鎖止關(guān)系，在高壓連接器打開前，該鎖止機構(gòu)必須要使用工具才能打開。

2) 插拔壽命不少于200次。在高壓連接器分開之后，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

整車高壓系統(tǒng)設(shè)計要求高壓部件要具備高壓互鎖功能[5-7]，實時監(jiān)測整車高壓部件的連接狀態(tài)。以某純電動客車為例，電池管理系統(tǒng)(下稱BMS)與電機控制器等電控器件實時監(jiān)測每一個高壓連接器的互鎖回路的連接狀態(tài)信號，當(dāng)某一個高壓連接器互鎖回路信號異常時，BMS或電機控制器等相應(yīng)的控制器將異常狀態(tài)反饋給整車控制器(下稱VCU)，VCU根據(jù)故障類別決策相應(yīng)的故障處理措施，并將相應(yīng)的決策命令反饋給BMS或電機控制器等執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，及時斷開動力電池系統(tǒng)的高壓回路，保證整車高壓安全。

1.4 動力電池系統(tǒng)防水設(shè)計

為了防止動力電池系統(tǒng)因為內(nèi)部進(jìn)水導(dǎo)致高壓部件短路，主要從以下兩個方面進(jìn)行防水設(shè)計：

1) 對電池系統(tǒng)層面進(jìn)行必要的防水設(shè)計與浸水實驗。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)行浸水實驗和氣密性檢測。

2) 對整車層面進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計及實驗。純電動客車一般要求電池包擺放在車輛行李艙或者車艙內(nèi)部，部分車型布置在整車底盤上，但離地間隙要足夠。車輛安裝調(diào)試好后，進(jìn)行整車涉水實驗和淋雨實驗，驗證電池系統(tǒng)防水能力。

1.5 動力電池系統(tǒng)防過度充電和低溫充電設(shè)計

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

1) 充電前動力電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與潛在故障診斷。在車輛進(jìn)行充電前，BMS實時監(jiān)測動力電池數(shù)據(jù)，包括單體電池的電壓、溫度、動力電池系統(tǒng)總壓，BMS計算電池系統(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)值超過標(biāo)準(zhǔn)值，BMS將故障信息與故障等級反饋給VCU，VCU根據(jù)故障等級判斷是否允許車輛充電。

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

3) 充電時電池系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測與故障診斷。在車輛進(jìn)行充電時，BMS實時監(jiān)測系統(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)任一項監(jiān)測值超過預(yù)設(shè)的故障閾值時，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，停止車輛充電，并通過儀表進(jìn)行聲光報警，提醒用戶車輛電池系統(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)故障信息通過液晶顯示界面文字顯示，提醒用戶電池系統(tǒng)存在故障，保障電池系統(tǒng)充電安全。

1.6 動力電池系統(tǒng)放電安全設(shè)計

鋰離子電池過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程也需要進(jìn)行安全設(shè)計。

1) 當(dāng)整車電池系統(tǒng)電量較高時，為了避免由于能量回饋導(dǎo)致電池電壓上升觸發(fā)電壓過高報警機制，一般設(shè)定當(dāng)純電動客車電池系統(tǒng)電量大于預(yù)設(shè)值95%時關(guān)閉車輛能量回饋功能。

2) 當(dāng)車輛電量較低時，為了避免電池過度放電導(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，整車會結(jié)合整車動力性能要求，對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行分級處理。以某純電動客車的控制策略為例：當(dāng)電量低于20%時，通過整車儀表進(jìn)行聲光提示，提醒用戶及時補電；當(dāng)電量低于10%時，在儀表聲光提示的同時，VCU進(jìn)行限功率行駛，降低車速和動力電池的放電電流；當(dāng)電量低于3%時，為避免車輛動力電池系統(tǒng)過度放電造成電池?fù)p壞，禁止車輛行駛，VCU控制高壓回路繼電器斷開，完成整車端高壓處理。通過這樣的分級處理，既可以保證用戶的體驗感又可以保護(hù)動力電池。

1.7 動力電池系統(tǒng)熱失控預(yù)警設(shè)計

目前，動力電池系統(tǒng)內(nèi)部通過增加由高靈敏度的煙霧和特殊氣體傳感器以及自動滅火裝置組成的消防系統(tǒng)，當(dāng)傳感器檢測到電池系統(tǒng)內(nèi)部有煙霧和異常氣體時，消防系統(tǒng)第一時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

雖然目前純電動客車電池系統(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明其安全技術(shù)仍需要不斷提升。除了繼續(xù)提升整車動力電池系統(tǒng)的安全防護(hù)水平，防止電池系統(tǒng)機械濫用和電氣濫用之外，還可以從以下幾個方面進(jìn)一步提升整車的安全水平。

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)電芯的極限實驗和常規(guī)的實驗室性能測試數(shù)據(jù)制定的，實驗室的測試值與真實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)確度也會變低。加強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)在整車不同使用工況下的極限狀態(tài)，并結(jié)合電池系統(tǒng)實測值，定期動態(tài)調(diào)整原先設(shè)定好的故障診斷閾值，從而實現(xiàn)在全生命周期下整車電池系統(tǒng)動態(tài)的安全管控。

2.2 提高BMS的狀態(tài)預(yù)測能力和故障預(yù)警水平

目前，BMS對電池安全狀態(tài)的預(yù)測能力有限，一方面電池系統(tǒng)的狀態(tài)估計(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)評估模型，因此也就很難做到對電池安全狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測，更別說是提前預(yù)警。

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

2.3 加強大數(shù)據(jù)的分析與利用

前期整車電池系統(tǒng)狀態(tài)難以準(zhǔn)確估計的一個原因是缺乏大量的車輛電池系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，使得電池狀態(tài)估計更多地依賴實驗室測試數(shù)據(jù)。但目前國內(nèi)純電動客車的運營監(jiān)管平臺已經(jīng)建立，可以獲得海量的車輛實時運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。后續(xù)整車與電池企業(yè)可以通過對這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同電池系統(tǒng)的運行規(guī)律。結(jié)合BMS原有的狀態(tài)估計和故障診斷能力，可以進(jìn)一步提前發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)存在的問題并及時報給VCU，VCU根據(jù)不同故障類型對整車進(jìn)行分類管控，從而保障電池系統(tǒng)運行安全，防止電池?zé)崾Э厥录陌l(fā)生。

例如，通過分析同一批次車輛電池系統(tǒng)的歷史與實時運行數(shù)據(jù)，通過多維度參數(shù)分析電池系統(tǒng)壓差變化情況，可以及時發(fā)現(xiàn)動力電池系統(tǒng)一致性較差的車輛，通過后臺監(jiān)控平臺及時聯(lián)系駕駛員，安排專業(yè)技術(shù)人員對車輛動力電池系統(tǒng)進(jìn)行檢查并及時處理，將熱失控風(fēng)險降到最低。來自新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟的信息表明，已經(jīng)接入到國家新能源汽車數(shù)據(jù)平臺的車輛，實現(xiàn)了在車輛實際出現(xiàn)故障之前提示過預(yù)警信息的將近有60%，由此可見新能源汽車事故是可發(fā)現(xiàn)、可預(yù)判、可處理的[11]。

3 結(jié)束語

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