【摘" 要】從電池系統(tǒng)的重要組成部件模組、箱體、BMS、熱管理等系統(tǒng)層面論述電池系統(tǒng)安全性，電池系統(tǒng)作為機(jī)、電、熱、化的集成系統(tǒng)需要從多維度、多層級的角度對設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)保養(yǎng)等方面進(jìn)行闡述，確保電池系統(tǒng)的全生命周期安全，希望為電池安全開發(fā)從業(yè)者提供一些借鑒。

【關(guān)鍵詞】動力電池模組；系統(tǒng)安全；BMS；BDU

中圖分類號：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）04-0001-05

Analysis of Safety Technology for Power Battery Module System

ZHAO Xiaojun，AN Zhanwang，WANG Xiaolong，ZHANG Qiu，XIN Zhaofeng

（Tianjin Lishen New Energy Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China）

【Abstract】This article discusses the safety of battery systems from the perspectives of important components such as modules，cabinets，BMS，and thermal management systems. As an integrated system of mechanical，electrical，thermal，and chemical systems，battery systems need to be designed，manufactured，used，and maintained from multiple dimensions and levels to ensure the safety of the entire lifecycle of the battery system. I hope the basic thinking logic discussed in the article can provide some reference for practitioners in battery safety development.

【Key words】power battery module；system safety；BMS；BDU

作者簡介

趙曉軍（1983—），男，高級工程師，主要從事動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能制造相關(guān)工作。

全球性的能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)，催生了節(jié)能與新能源行業(yè)的快速發(fā)展，使得動力電池產(chǎn)品在交通、物流、農(nóng)用機(jī)械及儲能等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如交通領(lǐng)域，商用車、乘用車、先進(jìn)軌道交通、電單車；物流運(yùn)輸，重卡、中卡、輕卡、微面；市政車輛，道路清掃車、灑水車、垃圾清運(yùn)車、工程搶險車輛；儲能應(yīng)用，可再生能源發(fā)電、電網(wǎng)側(cè)儲能、基站備用電源、戶用儲能；新領(lǐng)域，無人機(jī)、電動航空、電動船舶、電動農(nóng)業(yè)機(jī)械、AGV、智能機(jī)器人以及5G新基建等新興領(lǐng)域的應(yīng)用，帶動綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。動力電池是電動汽車的重要動力來源，動力電池的安全性是電動汽車發(fā)展過程中首先要考慮和解決的問題[1]。

1" 電動汽車動力電池系統(tǒng)

1.1" 動力電池系統(tǒng)組成及功能

動力電池系統(tǒng)主要由動力電池單體、電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、高壓控制單元BDU、電池托盤、熱管理單元、滅火單元等組成。圖1為某純電動汽車電池系統(tǒng)組成。動力電池系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收和存儲由車載充電機(jī)、發(fā)電機(jī)、制動能量回收裝置或外部充電樁（站）提供的高壓直流電，并且為電驅(qū)動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)提供動力。不同應(yīng)用場景的電池系統(tǒng)如圖2所示。

1.2" 動力電池模塊

電池模塊是將1個以上電池單體按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，并作為電源使用的組合體[2]，其作為系統(tǒng)的一種中間態(tài)，起到機(jī)械強(qiáng)度、電性能、熱性能的關(guān)鍵作用，目前隨著技術(shù)的發(fā)展也有取消模組的設(shè)計(jì)，行業(yè)稱之為CTP、CTC等一系列創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。不同類型動力電池模組如圖3所示。

1.3" 電池管理系統(tǒng)BMS

電池管理系統(tǒng)Battery Management System，簡稱BMS，由電池電子部件和電池控制單元組成的電子裝置，電池電子部件采集或者同時檢測電池包電和熱數(shù)據(jù)的電子裝置[2]。電池控制單元控制、管理、檢測或計(jì)算電池系統(tǒng)的電和熱相關(guān)的參數(shù)，并提供電池系統(tǒng)和其他車輛控制器通信的電子裝置[2]。

電路原理框圖如圖4所示。BMS主要功能有：非車載充電機(jī)間的正常通信和充電控制；采集電池狀態(tài)信息并發(fā)送給整車儀表顯示；估算SOC；工作狀態(tài)（如過壓、欠壓、過溫、過流、短路等）保護(hù)與報警功能；熱管理功能；故障診斷功能；故障報警與保護(hù)功能，當(dāng)檢測到故障時，BMS及時報警和發(fā)送故障代碼，具體處理由充電機(jī)或整車控制器迅速響應(yīng)；絕緣檢測。其他主要功能：充放電管理、硬線/CAN喚醒、CAN網(wǎng)絡(luò)通信、熱管理控制策略、數(shù)據(jù)存儲、診斷/升級/標(biāo)定。目前主流的主機(jī)廠及電池廠商已取得并具備ISO 26262—2018汽車功能安全ASIL D認(rèn)證，為智能化保駕護(hù)航。

1.4" 高壓控制單元BDU

高壓控制系統(tǒng)也稱電池配電盒，主要用于控制整車高壓系統(tǒng)部件。某高壓控制系統(tǒng)原理如圖5所示。內(nèi)部主要由高壓繼電器、電流傳感器、高壓熔斷器及電阻等組成。主要零部件選型、結(jié)構(gòu)尺寸、安裝位置、耐環(huán)境以及電磁兼容性等要充分考慮整車使用需求，并進(jìn)行相應(yīng)的可靠性驗(yàn)證。

1.5" 電池系統(tǒng)箱體

目前，市場上的動力電池系統(tǒng)箱體制造工藝通?？煞譃槔滠堜摪鍥_壓、焊接成型、鋁合金型材焊接成型以及鋁合金鑄造成型等。在純電動乘用車開發(fā)過程中，為了提供整車空間利用率、增加續(xù)駛里程，預(yù)留給動力電池系統(tǒng)的空間通常比較有限。在有限的空間內(nèi)，動力電池系統(tǒng)需要滿足整車動力性、經(jīng)濟(jì)性及安全性等要求，這些要求能否得到滿足，與電池箱體的設(shè)計(jì)密切相關(guān)[3]。

不同類型電池箱體如圖6所示。電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)當(dāng)充分考慮其對電池的承載、防護(hù)作用。車輛使用環(huán)境通常較為復(fù)雜，而純電動乘用車的電池系統(tǒng)一般置于車身地板之下，將承受更為惡劣的環(huán)境考驗(yàn)。另外，電池系統(tǒng)作為電動車輛的重要總成部件，其體積、質(zhì)量均在整車中占有較大比例，電池系統(tǒng)箱體的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，將直接影響整車碰撞安全性及車身剛度[3]。

1.6" 熱管理單元

動力電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)是電動汽車（EV）及儲能系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，主要涉及通過精準(zhǔn)控制電池包的工作溫度來優(yōu)化電池性能和延長使用壽命，并確保安全運(yùn)行。電池在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)可提高電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性，保障電動車的續(xù)航能力和動力性能。在低溫狀態(tài)下，動力電池會出現(xiàn)容量衰減，功率性能下降，同時低溫狀態(tài)下充電析鋰概率增加，影響電池安全性。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一般采用電阻絲加熱、PTC加熱、液熱等，以便在低溫狀態(tài)下給電池提供熱量保證其活性。在高溫狀態(tài)下，動力電池自放電風(fēng)險加劇，不可逆反應(yīng)加劇，會產(chǎn)生失效風(fēng)險。高溫導(dǎo)致內(nèi)部副反應(yīng)增多，影響電池可用容量，降低了電池壽命和效率。冷卻結(jié)構(gòu)針對不同類型的單體來進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，方形單體一般采用底部液冷，目前也有在大面設(shè)計(jì)的方案；軟包單體一般采用大面冷卻方案，也有在極耳處作為冷卻位置；圓柱一般采用蛇形液冷、底部液冷等方式。不同類型單體電池的冷卻形式如圖7所示。

傳感器設(shè)計(jì)的數(shù)量、位置以及策略需要通過前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、仿真分析、臺架試驗(yàn)、整車試驗(yàn)逐步優(yōu)化。動力電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)是一個復(fù)雜而精細(xì)的過程，需要綜合考慮各種因素以確保電池系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的最佳性能表現(xiàn)。

1.7" 熱阻隔及滅火單元

一旦發(fā)生火災(zāi)事故，如何有效降低負(fù)面影響及更大范圍的波及成為眾多學(xué)者研究的方向。張少禹[4]等研究表明：阻斷LIBs熱失控?cái)U(kuò)展是控制火災(zāi)擴(kuò)大最有效的方法，同時也能為逃生和消防救援爭取時間。

針對熱阻隔技術(shù)研究，主要方向有2個：高性能隔熱材料開發(fā)和熱安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高性能隔熱材料主要有陶瓷氣凝膠、黃泥氣凝膠以及更多的航天級隔熱材料與納米材料；熱安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用高安全性能的熱管理液進(jìn)行浸沒式冷卻系統(tǒng)的開發(fā)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面解決熱失控所帶來的安全風(fēng)險，但會降低系統(tǒng)的能量密度。熱阻隔設(shè)計(jì)如圖8所示。

一旦電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)散，主要從兩方面減少次生災(zāi)害，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的滅火系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的滅火和消防系統(tǒng)外部滅火，內(nèi)部設(shè)計(jì)需考慮多元參量耦合探測、關(guān)鍵物質(zhì)（CO等）探測、電池特性參數(shù)變化、機(jī)器自主學(xué)習(xí)、閾值判定等，滅火成分主要考慮全氟己酮、六氟丙烷等；消防滅火目前國內(nèi)主要還是以傳統(tǒng)的高壓水降溫來實(shí)現(xiàn)，國外已有研究用移動式電動汽車滅火水槽、動力汽車滅火毯、動力車火災(zāi)救援裝備模塊拖車、動力車火災(zāi)滅火專用水槍、兼具室息與噴水功能的滅火毯等新型滅火裝備。

如圖9所示，例如其中一款汽車滅火毯可有效隔絕空氣，防止火勢進(jìn)一步擴(kuò)散，關(guān)鍵參數(shù)為：10min隔絕氧氣進(jìn)入，耐2000℃高溫。

2" 動力電池關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展瓶頸

根據(jù)中國汽車流通協(xié)會針對新能源汽車消費(fèi)者的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，電池安全問題、車輛續(xù)航里程、充電時間問題、電池回收問題是消費(fèi)者放棄購置新能源汽車的主要因素。

1）突破技術(shù)瓶頸，促進(jìn)動力電池行業(yè)高速健康發(fā)展。①電池安全問題：充電、放電場景下的安全性；碰撞、擠壓、涉水、高溫等場景下的安全性；熱失控條件下的安全性；售后維護(hù)過程中的安全性。圖10為不同場景下的汽車起火。②車輛續(xù)航里程問題：電池系統(tǒng)能量密度低；低溫條件下，動力電池放電能力低；充電時間長。③充電時間問題：充電時間長；充電基礎(chǔ)設(shè)施不健全。④電池回收問題：回收體系不健全；政策約束力差。

2）提升動力電池安全性，解決安全顧慮。在追求動力電池高比能的條件下，新能源汽車安全事故頻發(fā)，如何保障電動汽車在全生命周期不同使用場景下的安全性是需要解決的首要問題。圖11為動力電池安全性設(shè)計(jì)圖。

3）新能源汽車安全事故的根因——引發(fā)熱失控，如圖12所示。動力電池系統(tǒng)熱失控是由機(jī)、電、熱等濫用情況及異常的電池老化所引發(fā)。國內(nèi)外學(xué)者主要開展了單體電池?zé)崾Э丶盁崾Э財(cái)U(kuò)散的內(nèi)在機(jī)理，并針對熱失控引發(fā)的著火、爆炸等問題對電池內(nèi)部材料的化學(xué)、物理變化及外部特征參數(shù)變化等方面開展研究。動力電池的封裝形式、幾何形狀、物理尺寸各異，成組連接方式、固定連接結(jié)構(gòu)、動力電池系統(tǒng)參數(shù)等差距大，同時，動力電池系統(tǒng)的熱失控受使用工況、環(huán)境等因素影響。

TNT炸藥量經(jīng)常被作為能量單位使用，每公斤可產(chǎn)生4.184MJ的能量，1t TNT相當(dāng)于4184MJ。對比一組數(shù)據(jù)，1kW·h電量釋放360萬焦耳，相當(dāng)于0.86kg的TNT，以目前市場上50kW·h的電池系統(tǒng)來折算，如果同時失控，釋放能量相當(dāng)于43kg的TNT釋放威力。

TNT在有氧的密閉環(huán)境中爆炸時，能量釋放的3種主要形式是沖擊波壓力、準(zhǔn)靜態(tài)壓力和熱。爆轟過程中主要以沖擊波的形式釋放能量，同時伴隨短暫（微秒級）的高溫過程[5]。

4）EUCAR（歐洲汽車開發(fā)委員會）電芯安全等級及電池失效模式見表1。EUCAR 5～7級為電池?zé)崾Э?，新國?biāo)動力電池安全判定標(biāo)準(zhǔn)要求安全等級低于5級。

3" 電池系統(tǒng)安全技術(shù)

1）突破電池系統(tǒng)高效冷卻技術(shù)，提高電池系統(tǒng)高溫環(huán)境條件下的適應(yīng)性。從電池系統(tǒng)集成開發(fā)的角度，研究電池系統(tǒng)機(jī)-電-熱-化多維度多層級的安全性解決方案，并進(jìn)行電池模組、電池系統(tǒng)及整車層級的安全性仿真分析及測試驗(yàn)證技術(shù)，形成基于整車一體化的面向材料安全、開發(fā)安全、生產(chǎn)安全、使用安全、售后安全、報廢安全及回收利用安全的系統(tǒng)性、安全性開發(fā)全鏈條。電池系統(tǒng)安全技術(shù)如圖13所示。

2）機(jī)械安全性設(shè)計(jì)。以新能源整車需求為導(dǎo)向，通過分層開發(fā)，逐層驗(yàn)證的方法，電池系統(tǒng)機(jī)-電-熱一體化集成技術(shù)，構(gòu)建電池系統(tǒng)健壯的“體格”。60km/h等速40%偏置碰撞模擬如圖14所示。

3）電子電氣系統(tǒng)安全控制技術(shù)。基于ISO 26262功能安全開發(fā)流程開展BMS全壽命、寬溫度范圍電池SOX（SOC、SOP、SOH）估算方法、高效均衡策略、耐久性管理策略等研究，研發(fā)電芯電壓、內(nèi)阻、溫度檢測模塊，開發(fā)精準(zhǔn)、高效、耐久、安全可靠的電池管理系統(tǒng)，構(gòu)建智慧、敏捷的電池系統(tǒng)“大腦”。

4）熱安全設(shè)計(jì)技術(shù)。熱安全設(shè)計(jì)主要從冷卻技術(shù)、加熱技術(shù)、絕熱技術(shù)3個方面考慮。建立主被動一體化的動力電池系統(tǒng)熱失控探測、阻隔及高效滅火抑爆技術(shù)，動力電池系統(tǒng)起火的根本原因在于電池?zé)崾Э睾蟀l(fā)生的連鎖負(fù)反應(yīng)，通過對電池單體熱失控產(chǎn)生機(jī)理的研究，建立電池單體層級的熱失控模型。從電池系統(tǒng)的角度入手，通過熱失控蔓延路徑的研究，分析系統(tǒng)熱失控?cái)U(kuò)展情況下的電池參數(shù)特點(diǎn)，制定不同系統(tǒng)熱失控?cái)U(kuò)展阻隔抑制方案。結(jié)合熱管理系統(tǒng)及電池管理系統(tǒng)BMS對電池系統(tǒng)熱特性的監(jiān)測情況，觸發(fā)相應(yīng)的熱失控阻隔抑制及滅火抑爆系統(tǒng)，從而保證電池系統(tǒng)的安全性。

4" 動力電池系統(tǒng)故障樹

故障樹（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）也叫事故樹，故障樹分析是系統(tǒng)可靠性和安全性分析的工具之一[6]。圖15為筆者匯總歸納的車載動力電池系統(tǒng)冒煙/著火故障樹，系統(tǒng)性分析了除單體電芯外的其他因素。

5" 電動汽車維護(hù)保養(yǎng)

電池系統(tǒng)作為三電重要部件在使用過程中，需要定期進(jìn)行維護(hù)。對于鋰離子電池系統(tǒng)的維護(hù)，必須由專業(yè)人員或經(jīng)過培訓(xùn)的人員進(jìn)行。建議首次安裝后3個月檢查維護(hù)1次，之后每6個月檢查維護(hù)1次。遇到充/放電有異常，及時檢查維護(hù)，避免造成更大的損失。

電池系統(tǒng)維護(hù)可以按照如下流程：維護(hù)前先斷開電源；維護(hù)時先檢查電池組是否存在漏電現(xiàn)象，若有，檢查維修解除漏電現(xiàn)象；鋰離子電池系統(tǒng)表面是否有水漬、灰塵等，電器連接部位是否有銹漬等；電源系統(tǒng)各串電壓是否有異常，要對問題電池組進(jìn)行維修；維護(hù)過程中必須先做好防護(hù)措施；維護(hù)過程中請勿自行重新裝卸鋰離子電池系統(tǒng)；維護(hù)過程中請勿損壞鋰離子電池系統(tǒng)外殼。動力電池系統(tǒng)安全檢查如表2所示。

6" 結(jié)束語

本文對電池系統(tǒng)的安全進(jìn)行了簡要分析和總結(jié)，并對實(shí)際應(yīng)用到的多款電池系統(tǒng)開發(fā)，提升電池系統(tǒng)的全生命周期安全起到一定的促進(jìn)作用。文中論述了主動安全、被動安全以及發(fā)生火災(zāi)后的消防安全方法，能夠有效提升電池系統(tǒng)的安全性。

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（編輯" 凌" 波）