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        新能源乘用車用動力電池安全測試分析*

        2024-01-07 04:49:52熊紅紅焦紅星
        汽車電器 2023年12期
        關鍵詞:充電電流過流動力電池

        熊紅紅,焦紅星

        (1.鄭州升達經貿管理學院,河南 新鄭 451100;2.鄭州職業(yè)技術學院,河南 鄭州 450121)

        1 引言

        發(fā)展新能源汽車是中國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路,是應對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[1]。2012年以來,中國堅持純電驅動戰(zhàn)略取向,新能源汽車產業(yè)發(fā)展取得了巨大成就,成為世界汽車產業(yè)發(fā)展轉型的重要力量之一。2020年10月,國務院辦公廳發(fā)布新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)也就是“十四五規(guī)劃”。規(guī)劃指出要深化“三縱三橫”的研發(fā)布局,以純電動汽車、插電式混合動力(含增程式)汽車、燃料電池汽車為“三縱”,以動力電池與管理系統(tǒng)、驅動電機與電力電子、網聯(lián)化與智能化技術為“三橫”。動力電池與管理系統(tǒng)作為重要的“一橫”,其未來發(fā)展對整個新能源汽車行業(yè)舉足輕重。同時動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的關鍵零部件,其性能直接影響整車動力系統(tǒng)性能。新能源汽車的使用場景可分為行駛、停放、碰撞、水浸和充電5種。其中,充電工況出現(xiàn)頻繁且風險較高。新能源車輛在充電過程中,出現(xiàn)事故的主要原因是充電濫用行為,如過流充電、過壓充電以及使用不符合要求的充電設備進行操作等。過流充電時,鋰離子會大量快速從正極脫出,經過電解液和隔膜到達負極,此時從正極脫出鋰離子的速度遠大于嵌入負極的速度,來不及嵌入負極的鋰離子就會和外電路的電子結合生成鋰單質,單質不斷堆積生成鋰枝晶,枝晶會刺穿隔膜,造成正負極的導通,引發(fā)不可逆的安全事故,所以在對鋰離子電池進行充電的過程中要禁止過流充電。過壓充電狀態(tài)下,鋰離子會繼續(xù)從正極脫出,但是負極已經沒有多余的位置供這一部分鋰離子嵌入,鋰離子就會和外電路的電子結合生成鋰單質,單質不斷堆積生成鋰枝晶,刺穿隔膜導通正負極,形成內短路,引發(fā)爆炸起火等一系列的安全問題[2],因此在對鋰離子電池進行充電的過程中要禁止過壓充電。使用不符合要求的充電設備進行操作存在極大的安全隱患,以及未按規(guī)定的充電制度進行充電而引發(fā)的安全問題,屢見不鮮。

        本文基于GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,對新能源乘用車車用動力電池過流和過壓充電進行測試分析,驗證動力電池安全管理策略的科學性,為熱失控及擴散預警功能的實現(xiàn)以及保護乘員安全提供試驗基礎和事實依據[3],有利于保護成員的安全。

        2 試驗過程

        試驗所用動力電池總成外觀照片如圖1所示,測試用電池模擬器為AVL ESTORGE-HV。

        圖1 動力電池總成外觀照片

        2.1 過流保護

        環(huán)境溫度為20℃±10℃,動力電池系統(tǒng)SOC范圍為40%~60%,施加過電流值為50A,最大電壓為166V。過流保護可采用如下試驗方法:改變或禁用電池對直流供電設備的通信,使充電電流可達到過流水平。起初以最大工作電流34.4A充電,然后5s內增加到過電流值50A,繼續(xù)充電。當符合以下任一條件時,結束試驗。

        1)電池包發(fā)出自動終止充電電流信號。BMS2(ID:0x122)充電電流過大(3級報警);BMS5(ID:0x35C)電池最大允許充電電流為0,電池最大允許充電功率為0;BMS8(ID:0x492)30s 最大充電功率為0;BMSS(ID:0x3B5)最高允許充電電流為0,充電控制指令為停止。

        2)電池包自動終止充電電流。BMS5(ID:0x35C)電池正極接觸器狀態(tài)為斷開。

        3)試驗對象溫度穩(wěn)定(2h 內變化小于4℃)。當BMS1_A>55A時,為異常終止條件。

        2.2 過充電保護

        環(huán)境溫度為20℃±10℃,試驗用動力電池管理系統(tǒng)功能正常,模擬充電上電報文使電池充電繼電器閉合。過充電保護所用試驗方法如下:連接外部充電設備到試驗對象正負極端,禁用外部充電設備的充電限制。充電策略為試驗樣包在試驗溫度條件下,以34.4A恒流充電至最高單體電壓4.19V。當符合以下任一條件時,結束試驗。

        1)電池包發(fā)出自動終止充電電流信號。BMS2(ID:0x122)單體電壓過高(2級或3級報警)、總電壓過高(2級或3級報警);BMS5(ID:0x35C)電池最大允許充電電流為0,電池最大允許充電功率為0;BMS8(ID:0x492)30s最大充電功率為0。

        2)電池包自動終止充電電流。BMS5(ID:0x35C)電池正極接觸器狀態(tài)為斷開。

        3)過程保護未起作用,試驗對象超過最高工作溫度10℃。

        4)若溫度低于最高工作溫度10℃,持續(xù)充電>12h。當最大單體電壓BMS3_Max_Voltage>4.2V時,為異常終止條件。

        3 試驗結果

        關于過充電和過流保護處理的故障閾值如表1所示。

        表1 關于過充電和過流的保護處理的故障閾值表

        3.1 過流保護

        對電池包以50A電流充電時,系統(tǒng)會自動切斷正極繼電器,終止充電。試驗結束,電池系統(tǒng)無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現(xiàn)象,無異常終止,絕緣≥100Ω/V。具體過程如圖2~圖4所示。當電池包以最大工作電流34.4A充電,然后5s內增加到過電流值50A,繼續(xù)充電。圖2為過流報警等級與充電電流的關系曲線,電流升至34.5A后5s內報充電電流過大(1級報警);電流升至40A后6s報充電電流過大(2級報警),充電電流減半;電流升至44A后6s報充電電流過大(3級報警),BMS5和BMS8相關充電電流和充電功率為0,充電允許指令由1變?yōu)?,5s后正極繼電器狀態(tài)由閉合變?yōu)閿嚅_。

        圖2 過流報警等級與充電電流的關系曲線

        圖3 充電允許指令

        圖4 正極繼電器狀態(tài)(過流保護)

        3.2 過充電保護

        對電池包進行過充電試驗時,當最高單體電壓觸發(fā)閾值4.18V后,系統(tǒng)會自動切斷正極繼電器,終止充電。試驗結束,電池系統(tǒng)無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現(xiàn)象,無異常終止,絕緣≥100Ω/V。具體過程如圖5~圖7所示。電池包起始,最大單體電壓為3.945V,以34.4A恒流充電,當單體電壓充至4.16V后第14s報單體電壓過大(1級報警);繼續(xù)以34.4A恒流充電,單體電壓充至4.17V后第13s報單體電壓過大(2級報警),BMS5和BMS8相關充電電流和充電功率均為0;繼續(xù)以34.4A恒流充電,單體電壓充至4.18V后第8s報單體電壓過大(3級報警),BMS5和BMS8相關充電電流和充電功率保持為0,3級故障確認時間5s后斷開正極繼電器,正極繼電器狀態(tài)由1(閉合)變?yōu)?(斷開)。

        圖5 充電過程最大單體電壓曲線

        圖6 單體電壓過高報警曲線

        圖7 正極繼電器狀態(tài)(過充電保護)

        4 結論

        近年來,隨著電動汽車銷量的增長,也顯現(xiàn)出許多安全問題,安全事故頻發(fā),先后有多輛電動汽車發(fā)生起火等嚴重安全事故,其中熱失控問題占有很大比例[4]。為保護乘員安全,GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》明確要求動力電池系統(tǒng)必須具有熱失控及擴散預警功能。熱失控預警功能必須滿足以下任一條件:①電池單體熱失控導致熱擴散,進而導致乘員艙危險前5min提供一個熱事件預警信號。②熱擴散不會產生導致車輛乘員危險的情況。本文從新能源汽車動力電池故障著手,對過流和過壓充電工況進行測試分析,驗證了故障閾值表中關于過流和過壓充電保護處理的一致性,為熱失控及擴散預警功能的實現(xiàn)以及保護乘員安全提供試驗基礎和事實依據。

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