高 蕓，閆志瀚

新能源汽車關(guān)鍵部件運(yùn)行安全特征分析

高 蕓1，閆志瀚2

（1.河北省道路運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，河北 石家莊 050800； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710018）

當(dāng)前，中國(guó)新能源汽車保有量和產(chǎn)銷量居世界首位，高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)明顯。但是，新能源汽車事故率高、運(yùn)行安全隱患突出，影響人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，歸其原因大都為電動(dòng)汽車三大部件或整車部分存在安全隱患，并且沒(méi)有得到正確調(diào)整。為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)包括電池部件、電機(jī)部件、電控部件和整車四個(gè)維度在內(nèi)的工作狀態(tài)，通過(guò)文獻(xiàn)分析方式明晰各部件和整車常見(jiàn)安全隱患的故障機(jī)理，確定了各部件及整車相應(yīng)的安全特征參數(shù)，為安全隱患的正確、快速檢驗(yàn)提供科學(xué)指標(biāo)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各部件及整車安全特征，可以提前洞悉各部件及整車的工作狀態(tài)，精準(zhǔn)識(shí)別故障發(fā)生部件，提高電動(dòng)汽車風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別水平，并為新能源汽車電子控制單元及時(shí)、快速進(jìn)行正確調(diào)控提供可能。

新能源汽車；電池部件；電機(jī)部件；電控部件；安全特征

近幾年，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量、保有量已躍居世界首位，并且持續(xù)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)明顯。然而，隨著電動(dòng)汽車保有量的增加，運(yùn)行安全問(wèn)題也不斷凸顯。截至2022年6月底[1]，全國(guó)新能源汽車保有量突破千萬(wàn)，占汽車總量的3.23%。然而，因起火風(fēng)險(xiǎn)召回的新能源汽車數(shù)量居高不下，其中2022年召回車輛6萬(wàn)輛以上[2]。上述新能源汽車召回情況反映出目前相關(guān)檢測(cè)技術(shù)有待改進(jìn)。因此，為促進(jìn)電動(dòng)汽車行業(yè)健康發(fā)展，保障乘車人員的生命安全，新能源汽車全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行安全問(wèn)題是亟待解決的技術(shù)難題。

本文梳理新能源汽車整車及各部件常見(jiàn)安全隱患的故障機(jī)理，確定各類隱患的安全特征參數(shù)，為控制單元快速、準(zhǔn)確判斷新能源汽車運(yùn)行狀態(tài)，提高運(yùn)行安全水平提供可能。

1 關(guān)鍵部件

新能源汽車的核心部件包括電池、電機(jī)和電控三大部分，各個(gè)部件的正常運(yùn)行是新能源汽車安全行駛的必要前提。

電池是新能源汽車的主要?jiǎng)恿?lái)源，也是電動(dòng)汽車的核心組成部分，其狀態(tài)的好壞直接決定了車輛的表現(xiàn)性能。國(guó)標(biāo)規(guī)定動(dòng)力電池容量下降至額定容量的80%時(shí)，將不再符合新能源汽車使用要求。若電池長(zhǎng)期經(jīng)受循環(huán)電濫用，則會(huì)加速其老化進(jìn)程，降低整車?yán)m(xù)駛里程。此外，動(dòng)力電池在遭受車輛碰撞時(shí)有可能發(fā)生機(jī)械濫用，嚴(yán)重可引發(fā)熱失控，威脅乘車人員生命安全。

電機(jī)是新能源汽車正常行駛的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要功能是將存儲(chǔ)在動(dòng)力電池內(nèi)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?，F(xiàn)階段常見(jiàn)的新能源汽車用電機(jī)有永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)。受環(huán)境、道路和駕駛員影響，車用電機(jī)運(yùn)行條件復(fù)雜，長(zhǎng)期會(huì)有短路和退磁的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電機(jī)的可靠性和新能源汽車的行駛安全息息相關(guān)。

新能源汽車使用頻繁的電控部件有絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）、直流-直流（Direct Current-Direct Current, DC-DC）轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制器等。電控部件的運(yùn)行性能決定了新能源汽車能否正常執(zhí)行相應(yīng)功能。以DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，若該部件失效，則車輛上電器如空調(diào)、多媒體、燈光等將無(wú)法進(jìn)行充電，影響車輛正常運(yùn)行。

2 電池部件

熱失控是電池安全隱患的最終故障形式，引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э氐脑蛴泻芏?，按誘因來(lái)源可分為因碰撞、擠壓、穿刺等外部因素造成的機(jī)械濫用；以過(guò)充、過(guò)放等內(nèi)部因素為主的電濫用和局部熱濫用[3]。電池?zé)崾Э乜赡芤l(fā)嚴(yán)重事故，因此，為防止電池部件出現(xiàn)安全隱患，有必要對(duì)電池部件安全特征進(jìn)行分析。

2.1 內(nèi)外部短路

內(nèi)短路一般指由于單體電池內(nèi)部隔膜遭到破壞，致使鋰電池正負(fù)極相互接觸以形成電位差，進(jìn)而導(dǎo)致持續(xù)放電和發(fā)熱現(xiàn)象。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組常在復(fù)雜多變環(huán)境下工作，不可避免地要出現(xiàn)大電流的充放電、高低溫的運(yùn)行環(huán)境、雨水浸泡、振動(dòng)等情況，這些均極易誘發(fā)內(nèi)短路[4]。機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等都是內(nèi)短路主要的觸發(fā)形式[5]。鋰電池內(nèi)短路在演變過(guò)程中，其內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致電極、電解質(zhì)和隔膜之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量熱量，進(jìn)一步加重內(nèi)短路的程度。若電池管理系統(tǒng)不能及時(shí)進(jìn)行干預(yù)，則鋰電池內(nèi)短路程度將持續(xù)增大，不斷釋放熱量使溫度急劇上升，最終引發(fā)熱失控。

外短路是指鋰電池正負(fù)極兩端直接并聯(lián)一個(gè)非常小的電阻，引起鋰電池快速放電的現(xiàn)象。外短路可能在意外漏水或油漬進(jìn)入電池包、電池因外力變形、汽車振動(dòng)引起的連接板連接線松動(dòng)等情況下觸發(fā)的。因外短路觸發(fā)機(jī)理導(dǎo)致放電時(shí)電流極大，電池溫度迅速升高，可能造成電池端子熔斷，引發(fā)熱失控[6]。

2.2 過(guò)充電、過(guò)放電

過(guò)充電和過(guò)放電均由鋰電池內(nèi)部因素所致。因串并聯(lián)電池組中各單體存在不一致性，使得動(dòng)力電池組無(wú)法完全充放電，否則會(huì)造成某些單體在超過(guò)充放電截止電壓后仍繼續(xù)充放電的現(xiàn)象，圖1[7]為充電過(guò)程中不一致導(dǎo)致電池組容量損失示意圖。

圖1 充電過(guò)程中不一致性所致容量損失示意圖

電池正常充電時(shí)，鋰離子在負(fù)極形成固體電解質(zhì)界面（Solidele Eleltrolyte Interface, SEI）膜只允許鋰離子通過(guò)。若鋰電池過(guò)充電則會(huì)在負(fù)極隔膜附近形成鋰枝晶，穿透SEI膜，造成電池內(nèi)部微短路，加速了鋰電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)。隨著鋰枝晶的不斷生長(zhǎng)，將加劇微短路現(xiàn)象，電芯溫度迅速上升并且將誘發(fā)一系列的副反應(yīng)，最終引發(fā)鋰電池出現(xiàn)熱失控[8]。

因電池組各單體存在不一致性，若在放電過(guò)程中電池管理系統(tǒng)不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)各單體放電狀態(tài)，就會(huì)出現(xiàn)某單體過(guò)放電的現(xiàn)象，單體的電壓可能變?yōu)樨?fù)壓，出現(xiàn)異常產(chǎn)熱現(xiàn)象。

此外，單體電池過(guò)放電還會(huì)引發(fā)容量下降的現(xiàn)象，負(fù)極的SEI膜分解，產(chǎn)生CO 或CO2等氣體導(dǎo)致電池膨脹。該單體再次充電時(shí)，鋰離子擴(kuò)散阻力將會(huì)增大，SEI 膜則在負(fù)極再次形成，損耗大量的鋰離子，并且該損耗不可逆。因此，鋰電池過(guò)放電會(huì)嚴(yán)重影響電池的健康狀態(tài)。

綜上，電池部件相關(guān)安全隱患及對(duì)應(yīng)安全特征參數(shù)如表1所示。其中，采用高硬度新材料箱體能有效防止因機(jī)械濫用造成的電池短路；電池過(guò)充、過(guò)放及容量異常衰退可通過(guò)及時(shí)更換異常單體來(lái)預(yù)防。

表1 電池部件安全特征

安全隱患原因安全特征 內(nèi)、外部短路機(jī)械濫用等溫度、溫升速率 過(guò)充電、過(guò)放電單體不一致性單體電壓 容量下降SEI膜分解、形成單體內(nèi)阻

是否出現(xiàn)電池安全隱患可由相關(guān)安全特征與正常閾值之間關(guān)系判斷，各個(gè)車輛的正常閾值范圍往往不同，一般參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù)分析獲得。其余部件安全隱患也可由此判斷。

3 電機(jī)部件

永磁同步電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前電動(dòng)汽車最常用電機(jī)。因永磁同步電機(jī)頻繁在高溫、高頻振動(dòng)環(huán)境下工作，使得其有匝間短路和退磁的安全隱患，并且溫度也是其性能的影響因素。為準(zhǔn)確識(shí)別電機(jī)故障，保障行車安全，需對(duì)相關(guān)安全特征參數(shù)進(jìn)行分析。

3.1 匝間短路

匝間短路作為電機(jī)一種典型的電氣故障，是指相鄰兩個(gè)繞組線圈間的絕緣層損壞，使兩個(gè)線圈搭接，構(gòu)成一個(gè)故障回路的現(xiàn)象。故障演變機(jī)理為由于電機(jī)主磁通的作用，故障回路中會(huì)存在故障電流，引起短路處發(fā)熱，不斷損壞絕緣，最終導(dǎo)致局部繞組燒損，電機(jī)無(wú)法正常工作。圖2為永磁同步電機(jī)定子匝間短路實(shí)物圖[9]。

圖2 永磁同步電機(jī)定子匝間短路實(shí)物圖

匝間短路故障原因較為復(fù)雜，主要包括以下三點(diǎn)：1）在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，定子匝間絕緣體承受暫態(tài)過(guò)電壓；2）定子繞組溫度過(guò)高導(dǎo)致定子匝間絕緣體失效；3）電機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致定子繞組線圈相互接觸、擠壓、摩擦甚至損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)承受的各種過(guò)載電壓是導(dǎo)致定子匝間絕緣體損傷的主要原因。另外，匝間短路也會(huì)引發(fā)永磁體退磁現(xiàn)象。

匝間短路方面可提取的安全特征較多，如基于信號(hào)處理方法，通過(guò)快速傅里葉提取信號(hào)特征頻率；基于電流分析法得到三相電流之間相位差、負(fù)序電流；基于電壓分析法提取的電壓信號(hào)；也可向電機(jī)注入一個(gè)遠(yuǎn)高于基頻的高頻諧波電壓，提取對(duì)應(yīng)諧波作為安全特征。

3.2 退磁

永磁同步電機(jī)的永磁體在高頻振動(dòng)或高溫等惡劣環(huán)境下易退磁。引發(fā)永磁體退磁的原因主要有由定子匝間或相間短路引起的高溫、電樞反應(yīng)（包含過(guò)流）和高頻機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)永磁同步電機(jī)發(fā)生退磁故障后，其特征信號(hào)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)永磁同步電機(jī)的永磁體發(fā)生不同程度的均勻退磁故障時(shí)，其徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度、定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況分別如圖3[11]所示。

可得，常用于退磁故障的安全特征包括徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度、反電動(dòng)勢(shì)、定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩。

綜上，電機(jī)部件相關(guān)安全隱患及對(duì)應(yīng)安全特征參數(shù)如表2所示。匝間短路和退磁均可由電機(jī)溫度過(guò)高引起，因此同電池相似，溫度方面安全特征有電機(jī)溫度過(guò)高、電機(jī)溫升速率快等。因電機(jī)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，故建立更簡(jiǎn)化、精度高、動(dòng)態(tài)特性好、通用性高的電機(jī)故障診斷模型，提高故障檢測(cè)方法的魯棒性，是當(dāng)前電機(jī)檢測(cè)技術(shù)的主要研究發(fā)展趨勢(shì)。

表2 電機(jī)部件安全特征

安全隱患原因安全特征 匝間短路相鄰繞組線圈構(gòu)成回路信號(hào)頻率、三相電流之間相位差和負(fù)序電流、溫度和溫升速率 退磁匝間短路、高頻振動(dòng)等磁感應(yīng)強(qiáng)度、反電動(dòng)勢(shì)、溫度和溫升速率

4 電控部件

隨著新能源汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車電控部件檢測(cè)技術(shù)的重要地位越來(lái)越突出。為減少電控部件故障率，分析其安全特征也是必要的。

電機(jī)控制器作為保障電機(jī)甚至整車正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，對(duì)于其故障檢測(cè)管理的研究十分重要。電機(jī)控制器性能同樣溫度影響較大，因此，溫度方面安全特征同電池部件相似，有電機(jī)控制器溫度過(guò)高和溫升速率快等。

DC-DC控制器的作用是把電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電，最終給整車低壓用電器供電。DC-DC變換器中故障發(fā)生概率大的器件主要包括電解電容器、開(kāi)關(guān)晶體管和功率二極管，其中功率開(kāi)關(guān)管是電力電子變換器中最脆弱的一環(huán)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，開(kāi)關(guān)管故障占變換器總故障的21%。Nie等[10]提出了一種利用磁分量電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)故障診斷的快速方法，基于實(shí)時(shí)電壓測(cè)量和開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，快速提取開(kāi)關(guān)開(kāi)路故障和短路故障的特征；Ribeiro等[12]提出了一種僅利用直流鏈路電流導(dǎo)數(shù)符號(hào)特征的交錯(cuò)DC-DC變換器故障診斷方法，對(duì)正常模式和故障模式的直流鏈路電流導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了深入研究，在由導(dǎo)通模式中的開(kāi)關(guān)數(shù)量定義的不同時(shí)間間隔內(nèi)，其符號(hào)變化包含短路故障檢測(cè)的重要信息。此外，DC-DC控制器性能同樣溫度影響較大，因此，溫度方面安全特征有DC-DC控制器溫度過(guò)高和溫升速率快等。

綜上，電機(jī)部件相關(guān)安全隱患及對(duì)應(yīng)安全特征參數(shù)如表3所示。部件安裝固定良好，具備一定防水性能，引線插頭選材合理，避免長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工作等均能有效抑制電控部件安全隱患的發(fā)生。

表3 電控部件安全特征

安全隱患原因安全特征 電機(jī)控制器失效溫度超過(guò)正常閾值溫度、溫升速率等 DC-DC控制器開(kāi)關(guān)管故障或溫度超過(guò)正常閾值磁分量電壓、電流導(dǎo)數(shù)、溫度和溫升速率等

5 整車

電動(dòng)汽車動(dòng)力失控事故時(shí)常發(fā)生，往往由整車加速異常和制動(dòng)異常所致。為及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車的加速性能和制動(dòng)性能，需對(duì)其安全特征進(jìn)行分析。另外，與傳統(tǒng)汽車不同，電動(dòng)汽車由動(dòng)力電池組提供高壓電，一般可達(dá)300～800 V，若絕緣電阻異常，則會(huì)危害乘車人員生命安全。因此，還需對(duì)絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)。

5.1 加速和制動(dòng)異常

啟動(dòng)異常加速是指汽車啟動(dòng)加速時(shí)出現(xiàn)加速緩慢，加速不穩(wěn)定等異?，F(xiàn)象。車輛加速異常與突變，會(huì)影響駕駛員判斷，引起恐慌，造成誤操作，影響行車與道路安全。電動(dòng)車突然加速可能由以下原因?qū)е拢弘妱?dòng)車電位器出現(xiàn)了故障；電動(dòng)車調(diào)速把出現(xiàn)了故障；加速系統(tǒng)異常；電池部件異常導(dǎo)致電流不穩(wěn)定。

汽車制動(dòng)系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用之后，各個(gè)零部件由于磨損、老化甚至斷裂等，都會(huì)造成制動(dòng)功能失效，影響汽車駕駛的安全性。不同的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的故障原因，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[12]，最終確定制動(dòng)系統(tǒng)的四種故障模式：基本功能失效、剎車不靈敏、制動(dòng)拖滯和制動(dòng)跑偏[13]。

經(jīng)上述分析可知，整車加速異常和制動(dòng)異常的最終體現(xiàn)均是加速度異常，因此，加速度變化率可作為整車加速安全和制動(dòng)安全的特征參數(shù)。

5.2 絕緣報(bào)警

由動(dòng)力電池組組成的電動(dòng)汽車高壓電系統(tǒng)是一種不接地系統(tǒng)，即高壓母線與車輛底盤(pán)之間沒(méi)有直接的電氣連接，所以高壓母線與底盤(pán)之間是絕緣的。一般用高壓母線和車輛底盤(pán)之間的絕緣電阻來(lái)表征整車的絕緣性能。絕緣電阻關(guān)系到車輛人員的人身安全，《電動(dòng)汽車安全要求》（GB 18384－2020）[14]中規(guī)定絕緣電阻相關(guān)的檢測(cè)要求，有平衡電橋法、低頻信號(hào)注入法等。

綜上，整車相關(guān)安全隱患及對(duì)應(yīng)安全特征參數(shù)如表4所示。出現(xiàn)行車異常隱患需及時(shí)進(jìn)行車輛檢查及維修，保證行車安全；采用更加可耐的絕緣材料、保證絕緣子緊固、定期進(jìn)行整車保養(yǎng)等可有效預(yù)防整車絕緣失效。

表4 整車安全特征

安全隱患原因安全特征 加速異常加速系統(tǒng)異常、電池部件異常等加速度變化率 制動(dòng)異?；竟δ苁?、剎車不靈敏等減速度變化率 整車絕緣失效絕緣層損壞絕緣電阻

6 結(jié)論

電動(dòng)汽車安全行駛依賴于電池部件、電機(jī)部件、電控部件和整車四方面的正常工作，若其中某環(huán)節(jié)出現(xiàn)安全隱患，將影響電動(dòng)汽車正常行駛，嚴(yán)重甚至危害車內(nèi)乘員生命安全。通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車包括電池、電機(jī)、電控部件和整車在內(nèi)的常見(jiàn)隱患故障機(jī)理進(jìn)行分析，明晰了各部件常見(jiàn)故障的發(fā)生原因，并分別提出了相應(yīng)的安全特征參數(shù)及預(yù)防措施。其中，電池部件安全特征包括電壓、內(nèi)阻、溫度及溫升速率等；電機(jī)部件包括三相電流相位差、磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度及溫升速率等；電控部件包括磁分量電壓、電流導(dǎo)數(shù)、溫度及溫升速率等；整車包括加/減速度變化率、絕緣電阻等。

上述安全特征的確定有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各部件是否出現(xiàn)異常狀態(tài)，降低事故發(fā)生率，提高電動(dòng)汽車運(yùn)行安全，推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)持續(xù)發(fā)展。

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Analysis of Operational Safety Characteristics of Key Components of New Energy Vehicles

GAO Yun1, YAN Zhihan2

( 1.Hebei Provincial Road Transport Development Center, Shijiazhuang 050800, China; 2.School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710018, China )

At present,China's new energy vehicle ownership and production and sales volume rank first in the world, with a clear trend of rapid growth. However, the high accident rate and prominent operational safety hazards of new energy vehicles, which affect the safety of people's lives and property, are mostly attributed to the safety hazards in the three major components or entire vehicle parts of electric vehicles, and have not been adjusted correctly. To accurately monitor the working status of battery components, motor components, electronic control components, and the entire vehicle in real-time, the failure mechanisms of common safety hazards of each component and the vehicle are clarified through literature analysis, and the corresponding safety characteristic parame- ters of each component and the vehicle are determined, providing scientific indicators for the correct and rapid detection of safety hazards. By monitoring the safety characteristics of each component and the entire vehicle in real-time, the working status of each component and the vehicle can be understood in advance, and the faulty components can be accurately identified, improving the risk identification level of electric vehicles, and providing the possibility for timely and rapid correct regulation of electronic control units in new energy vehicles.

New energy vehicles;Battery component; Motor component; Electric control component;Safety characteristics

U469.72

A

1671-7988(2023)17-36-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.007

高蕓（1975－），女，工程師，研究方向?yàn)槠嚲S修與檢測(cè)，E-mail:314187202@qq.com。