潘志杰

（福州公共交通集團(tuán)有限責(zé)任公司 福建福州 350001）

0 引言

伴隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，城市公共交通領(lǐng)域也越來(lái)越多使用電動(dòng)公交車。為保障車輛日常營(yíng)運(yùn)，純電動(dòng)公交車一般車載動(dòng)力電池載電量都較高，且車輛充電都在停車場(chǎng)夜間集中進(jìn)行，車輛充電過(guò)程中的安全問(wèn)題需引起高度重視。雖然公交車車載使用的磷酸鐵鋰電池安全系數(shù)極高，但若發(fā)生自燃，火勢(shì)會(huì)在短短數(shù)秒鐘就在鋰電池模塊內(nèi)部快速蔓延，并釋放大量的熱量，使電池的溫度達(dá)到500 ℃以上，足以引燃汽車內(nèi)的其他可燃材料，造成火災(zāi)擴(kuò)大，致使滅火較為困難［1-3］。鋰離子電池?zé)崾Э匾坏┌l(fā)生，很難終止其反應(yīng)，因此需在熱失控發(fā)生初期進(jìn)行階段性預(yù)警。

1 動(dòng)力電池起火的原因

1.1 磷酸鐵鋰電池簡(jiǎn)介

磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池主要有大容量、長(zhǎng)壽命和安全性3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。正極是磷酸鐵鋰，具有良好的電化學(xué)性能。電池負(fù)極是石墨，中間是隔膜板，電池中部的上下端間裝有機(jī)電解質(zhì)，外殼由金屬材料密封。隔膜板可把正極與負(fù)極隔開(kāi)，在電池異常高溫時(shí)，隔膜板上的細(xì)孔起阻斷鋰離子通道的作用，可中止充電或放電反應(yīng)，有效防止電池外部短路電流過(guò)大時(shí)，反應(yīng)過(guò)激產(chǎn)生溫度過(guò)高的現(xiàn)象［4］。

磷酸鐵鋰電池的單體電池標(biāo)稱電壓是3.2 V，充電終止時(shí)的最高電壓為3.6 V，最大放電的電壓為2.0 V。標(biāo)準(zhǔn)充放電流為2 C～5 C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10 C，10 s 的瞬間脈沖放電可達(dá)20 C。在環(huán)境-20 ℃～75 ℃溫度下均能正常工作，電熱峰值可達(dá)350 ℃以上。

磷酸鐵鋰電池缺點(diǎn)是單體電池的均勻一致性較差，其性能上可能會(huì)出現(xiàn)10%～20%的較大差異，造成單體電芯電壓差，需在完成一個(gè)完整的充電過(guò)程中進(jìn)行一次電池均衡。另外，磷酸鐵鋰電池中含有鐵的成分，單質(zhì)鐵會(huì)引起電池的微短路，從而造成電池最忌諱的放電反應(yīng)，使電池容量下降。

1.2 磷酸鐵鋰電池充電原理

鋰電池是一種二次電池，主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間的往返嵌入和脫嵌來(lái)工作，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。

電池充電時(shí)，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場(chǎng)力的作用下，進(jìn)入電解液，然后穿過(guò)隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，而后嵌入石墨品格中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池正極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極極耳流向電池負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵。

1.3 動(dòng)力電池?zé)崾Э?/h3>

作為純電動(dòng)汽車能量來(lái)源的鋰電池，起火的主要原因是電池過(guò)熱而造成的熱失控，也就是電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度和壓力以很快速率上升，從而將能量浪費(fèi)掉，這種過(guò)熱在電池充放電過(guò)程中最容易發(fā)生［2］。由于鋰電池自身具有一定的內(nèi)阻，在充放電同時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的熱量，使得自身溫度變高。當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍時(shí)，將會(huì)損害整個(gè)電池的壽命和安全［4］。

1.4 引起熱失控的原因

引起熱失控的原因有三類。第一類是動(dòng)力鋰電池外部因素。假如電池所處的環(huán)境溫度過(guò)高，電池散熱不好，或者內(nèi)部卷得不好，導(dǎo)致電池散熱不通暢。第二類是動(dòng)力鋰電池內(nèi)部因素——微短路。微短路有2 種情況，一種是電池工藝中的缺陷，包括毛刺；另一種是使用過(guò)程中的短路，導(dǎo)致電池局部溫度高于熱失控溫度，從而出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。第三類是動(dòng)力鋰電池過(guò)充電，過(guò)充以后會(huì)降低材料的熱失控溫度。尤其電池在使用中后期的容量已經(jīng)衰減了，這時(shí)候電池本身就已經(jīng)處于過(guò)充狀態(tài)，熱失控溫度自然會(huì)下降。

2 動(dòng)力電池充電過(guò)程簡(jiǎn)介

2.1 充電樁簡(jiǎn)介

直流充電樁輸出由9 根線組成，分別是：直流電源線路DC+、DC-；設(shè)備地線PE；充電通信線路S+、S-；充電連接確認(rèn)線路CC1、CC2；低壓輔助電源線路A+、A-。

直流充電樁通過(guò)9 根線給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，其具體的充電模型如下：直流充電樁和電動(dòng)汽車二者通過(guò)車輛插座相連。S 開(kāi)關(guān)是一個(gè)常閉開(kāi)關(guān)，與直流充電槍頭上的按鍵（即機(jī)械鎖）相關(guān)聯(lián)，當(dāng)我們按下充電槍頭上的按鍵，S 開(kāi)關(guān)即打開(kāi)。U1、U2 是一個(gè)12 V 上拉電壓，R1～R5 是阻值約1 000 Ω 的電阻，R1、R2、R3 在充電槍上，R4、R5 在車輛插座上。

2.2 充電樁充電流程

整個(gè)充電過(guò)程包括6 個(gè)階段：①物理連接完成；②低壓輔助上電；③充電握手協(xié)議；④充電參數(shù)配置階段；⑤充電階段；⑥充電結(jié)束階段。

2.3 充電階段組成

充電階段由3 個(gè)部分組成。

（1）預(yù)充電階段。通過(guò)低電流，使單體電芯升至3 V 以上電壓后，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)充電階段。

（2）標(biāo)準(zhǔn)充電階段。以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電是指充電過(guò)程中使充電電流保持不變的方法。以恒定大電流對(duì)電池充電，電池的電壓漸漸地緩慢地上升，上升到一定程度，電池電壓達(dá)到標(biāo)稱值，轉(zhuǎn)入浮充充電階段。

（3）涓流充電階段。當(dāng)充電電壓達(dá)到標(biāo)稱值后，充電樁繼續(xù)以恒壓小電流對(duì)電池充電，充電電流隨蓄電池電動(dòng)勢(shì)的升高而減小，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行電池均衡。在次階段充電電壓保持不變，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。

2.4 充電結(jié)束階段數(shù)據(jù)

當(dāng)進(jìn)入充電結(jié)束階段，BMS 向充電機(jī)發(fā)送整個(gè)充電過(guò)程中的充電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括：初始SOC、終了SOC、充電過(guò)程中電壓、電流曲線等。

3 充電樁監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)模型

3.1 監(jiān)測(cè)原理

動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題表現(xiàn)為3 個(gè)層次，即演變、觸發(fā)與擴(kuò)展。從這3 個(gè)層次出發(fā)，利用充電樁充電過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)控動(dòng)力電池狀態(tài)，在演變階段發(fā)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)異常及時(shí)中斷充電，并在充電系統(tǒng)后臺(tái)發(fā)出預(yù)警，防范電池起火事故的發(fā)生，增加純電動(dòng)公交車充電的安全性。

在充電過(guò)程中，電壓突然出現(xiàn)持續(xù)的升降梯式的波動(dòng)，說(shuō)明電池組出現(xiàn)異常，有可能會(huì)有電池?fù)舸?、鼓脹破裂的情況出現(xiàn)［5］。這種情況下，我們需要暫停充電，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行檢查，避免電池在后續(xù)的使用過(guò)程中發(fā)生自燃。

3.2 電流

監(jiān)控車輛進(jìn)入恒流充電階段時(shí)，當(dāng)電壓變化幅度在1 min超過(guò)5 V 時(shí)，向后臺(tái)發(fā)出預(yù)警，當(dāng)電壓變化幅度在1 min 超過(guò)10 V 時(shí)或總電壓超過(guò)車輛鋰電池設(shè)定最高充電電壓則立即停止充電。

監(jiān)控車輛進(jìn)入涓流充電階段，當(dāng)電壓未開(kāi)始下降時(shí)，向后臺(tái)發(fā)出預(yù)警并停止充電。

3.3 電壓

監(jiān)控車輛進(jìn)入恒流充電階段時(shí)，當(dāng)電流變化幅度在1 min超過(guò)0.5 A 時(shí)，向后臺(tái)發(fā)出預(yù)警，當(dāng)電流變化幅度在1 min 超過(guò)1 A 時(shí)立即停止充電。

監(jiān)控車輛進(jìn)入涓流充電階段，當(dāng)電流未開(kāi)始下降時(shí)，向后臺(tái)發(fā)出預(yù)警并停止充電。

3.4 電池表面溫度

監(jiān)控車輛進(jìn)入恒流充電階段時(shí)，當(dāng)電池溫度超過(guò)55 ℃，向后臺(tái)發(fā)出預(yù)警，電池溫度超過(guò)65 ℃停止充電。

監(jiān)控車輛進(jìn)入涓流充電階段，當(dāng)電池溫度超過(guò)55 ℃，向后臺(tái)發(fā)出預(yù)警，電池溫度超過(guò)65 ℃停止充電。

3.5 時(shí)間

監(jiān)控車輛進(jìn)入涓流充電階段時(shí)，當(dāng)該階段充電時(shí)間超過(guò)10 min 時(shí)，向后臺(tái)發(fā)出預(yù)警，充電時(shí)間超過(guò)15 min 時(shí)停止充電。充電樁監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)模型見(jiàn)圖1。

圖1 充電樁監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)模型

4 基于模型的監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)踐

4.1 基于充電樁監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)模型的預(yù)警案例

根據(jù)所建立充電樁監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)模型，當(dāng)系統(tǒng)后臺(tái)車輛出現(xiàn)預(yù)警，充電數(shù)據(jù)如圖2、表1 所示。本部車SOC 從47%充至滿電，充電量121.85 kWh，共用時(shí)59 min 28 s，單體電池溫度最高溫度46 ℃，最低溫度41 ℃，單體電芯最高電壓3.62 V，最低電壓3.34 V。

從圖2、表1 中我們可以看到，在充電過(guò)程中，電壓在進(jìn)入恒流充電階段出現(xiàn)持續(xù)的升降梯式的波動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生預(yù)警。直至SOC 達(dá)到額定電量2/3 左右時(shí)，電壓才趨于穩(wěn)定、緩慢上升。經(jīng)檢查，該車輛電池已使用多年，導(dǎo)致鋰離子濃度極化，鋰電池端壓不穩(wěn)定直至接近到充電期間最大電壓后趨于穩(wěn)定。在這種情況下，我們立即對(duì)電池進(jìn)行了更換處理，避免因電池異常導(dǎo)致充電造成的熱失控引起火宅事故的發(fā)生，杜絕了電動(dòng)公交車的充電過(guò)程中的起火事故。

圖2 某后臺(tái)預(yù)警車輛充電各項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線

表1 某后臺(tái)預(yù)警車輛電池充電過(guò)程各項(xiàng)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本方法基于分析充電樁接收到車輛BMS 發(fā)送的充電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常立即中斷充電，同時(shí)對(duì)動(dòng)力電池異常演變期間后臺(tái)管理人員進(jìn)行安全性預(yù)警，避免了電池異常繼續(xù)充電發(fā)生的熱失控火災(zāi)，有效提高電動(dòng)公交車的使用安全性。