鉅大LARGE | 點擊量：541次 | 2022年11月15日
高比能量動力鋰電池系統(tǒng)安全和動力總成安全需協(xié)同設計
高比能量電池是下一階段新能源汽車重點應用的技術路線，電池安全問題已經成為了新能源汽車發(fā)展的重要挑戰(zhàn)之一。而應用高比能量電池之后，如何保障動力系統(tǒng)安全，更成為一個重要的技術挑戰(zhàn)。
高比能量電池發(fā)生內短路時可能會導致單體熱失控。對于350瓦時/公斤的電芯，當它發(fā)熱后，單體電芯的溫度可以上升到1200度，此時電池像熱源一樣把兩邊的電池加熱到很高的溫度，引起一系列的連鎖反應，使得整個電池系統(tǒng)和車輛燃燒，我們稱為熱失控擴展。
如何保證動力電池系統(tǒng)安全？
為了保證整個動力電池系統(tǒng)的安全，需要從三個階段解決系統(tǒng)上的問題。第一階段是誘因預防和診斷階段，是對早期電氣濫用、熱濫用和機械濫用的預防，并通過功能安全的系統(tǒng)設計，保障、識別和防止熱失控的誘因，避免引起單體的熱失控。
第二階段是利用電壓、溫度等可測量的電池信息在時間歷程上的特征，通過模式辨識和信息融合技術，提前識別和診斷單體熱失控的可能性，并且對單體熱失控盡可能進行抑制。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
最后一個階段，如果熱失控已經發(fā)生，那么技術手段主要放在熱擴展的阻斷上，假設一個單體電芯已經發(fā)生熱失控，就要控制整個系統(tǒng)不要一連串的燒起來。
展開來說，首先是電氣濫用方面的觸發(fā)防范，其中最重要的就是要避免過充。這需要在單體電壓的監(jiān)控與診斷方面進行全面防控，例如提高測量單體電壓與總電壓的測量精度、降低長期工作下電壓測量的漂移誤差、對電壓測量數據進行基于模型的容錯等，把在電壓測量方面的功能安全設計提高到最高等級。在單體溫度測量方面，采取了單串全監(jiān)控的技術路線，這一點和其他的技術路線不太一樣，我們認為先進的熱仿真技術可以在減少溫度傳感器數量的同時，對電池系統(tǒng)進行良好的熱管理。同時，在動力電池系統(tǒng)的設計過程中，大量應用熱仿真技術來優(yōu)化系統(tǒng)的各項設計。但是在高比能量電池的推廣應用階段，要第一時間診斷出熱失控的話，溫度傳感器的數量和成本是不能省的，還是要做到單體溫度的全面監(jiān)控。
此外，對溫度傳感器響應速度也提出要求，采用變比的模數轉換技術提高測量精度，從而提高溫度傳感器在熱失控階段探測的靈敏度和響應速度。
在熱濫用的觸發(fā)防范方面，重點在匯流與焊接技術領域進行突破，包括優(yōu)化的匯流設計、高效低阻抗的激光焊接技術、不同材料的焊接與連接技術，避免系統(tǒng)長期使用過程中產生熱積累，防止整個系統(tǒng)有熱濫用的隱患，同時關鍵匯流點的溫度監(jiān)控也是預防熱濫用的關鍵點。電氣方面，會在不同時間階段進行保護，通過可靠的繼電器、熔斷器、材料熔斷技術等手段保證在熱濫用時，能盡可能降低熱失控的風險。
在外部防護方面，先進絕緣材料、防熱、防火材料的應用使得外部的熱侵蝕不會使電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控。
機械濫用方面，們采用CAE建模仿真技術、復合材料聯合設計等手段，使得系統(tǒng)受到車輛碰撞擠壓時，保證整個電池系統(tǒng)內部不形成由機械擠壓導致的短路失控，避免引起熱失控的風險。
在功能安全方面，設計滿足功能要求的BMS系統(tǒng)，在重要的功能點上可以達到ASIL-D（汽車安全完整性等級，A為最低等級、D為最高等級）的水平。在軟件方面開發(fā)方面，嚴格遵循ASPICE（AutomotiveSPICE，面向汽車行業(yè)的流程評估模型）的規(guī)范，對過程進行嚴格控制，確保軟件開發(fā)的可靠性。
在第二階段，重點關注熱失控的識別。雖然通過獨立的單體電壓和溫度信息判斷熱失控不太容易，但是可以通過多個單體電壓和多個溫度點在有限時間的歷程數據信息的融合，進行模式辨識，以準確識別單體進入熱失控的階段。
在識別出熱失控后，將在第一時間進行單體熱失控抑制，首先切斷電池的回路，避免更多能量的釋放。其次，如果系統(tǒng)里具備滅火器，就要根據控制策略和環(huán)境條件判斷是否要觸發(fā)滅火器。但目前，水基滅火器的功能只能暫緩單體的燃燒，實際上大部分的熱量還需要通過導熱以及相應的噴發(fā)路徑把熱量傳導出去。
在熱失控擴展方面，可以通過最新開發(fā)的防火墻技術進行熱失控擴展的阻斷，在單體發(fā)生熱失控時整個過程能夠被抑制在一個單體之內。從整箱系統(tǒng)的測試上可以看到，系統(tǒng)在進行短暫的噴煙之后，整個系統(tǒng)其實能夠恢復到不繼續(xù)燃燒的過程，保證了整個系統(tǒng)的安全。
電池安全和動力總成如何協(xié)同控制？
目前，動力電池在和整車進行安全協(xié)同控制開發(fā)時，還存在很多問題。例如在行駛過程中行車安全和電池系統(tǒng)安全如何協(xié)同，在大部分的情況下是沒有標準答案的。
電池系統(tǒng)在熱安全保護方面分三個階段：誘因探測、單體熱失控識別和熱失控擴展抑制。這三個階段在整車運行時分別采用何種防護策略一直存在爭議。例如，一輛車正在充電，可能在誘因探測階段就切斷了動力電池的輸出，避免整個過程繼續(xù)往更嚴重過程發(fā)展，但如果車輛進入低速行駛階段，這個問題就開始值得探討了。這種時候，我們一般采用的邏輯是誘因探測階段發(fā)出預警，限制使用功率，在熱失控識別階段會強烈報警，限制功率并且限時停止輸出，如果已經進入熱失控擴展抑制階段，會立即切斷輸出并且發(fā)出疏散警報。但當車速上升到50km/h時，上述策略在大多數情況中很難和整車廠達到協(xié)同，或者說，大家并沒有一個科學、系統(tǒng)、有效的解決方案，因為車輛處于高速的情況，行駛安全也是十分重要的保障因素，動力電池已經沒有獨自按照自己的設計需求切斷整個動力輸出的權利了，這時候如何平衡電池系統(tǒng)熱安全和整車行駛安全之間的關系，包括車速在100公里以上的高速行駛階段，應該采取什么樣的策略，這是十分想展開探討的動力系統(tǒng)協(xié)同設計問題。
在整車的HMI（人機接口）方面，也存在動力系統(tǒng)層面的協(xié)同問題。例如一種控制策略是當車輛高速行駛時，發(fā)現故障會提出預警希望司機能夠降速行駛到路邊，以便使得電池的熱安全問題不至于進一步擴展，但人機交互方面的設計是很困難的。當電池系統(tǒng)探測到熱失控時，應該以何種形式通知車內人員，才能有效進行疏散。
在碰撞過程中，整車的動力系統(tǒng)也要和電池系統(tǒng)協(xié)同。現在裝備主動安全系統(tǒng)的車輛越來越多，在預碰撞或者碰撞階段，整車電控系統(tǒng)能夠和動力電池系統(tǒng)協(xié)同，例如安全氣囊ACU的信號是不是可以直接輸入到BMS，ADAS系統(tǒng)和EBS系統(tǒng)信息是否能夠和BMS共享，這樣在預碰撞或者碰撞階段，BMS能夠提前切斷動力輸出，避免潛在的短路或高壓電安全事故。
充電過程中的安全協(xié)同還是比較清晰的，因為充電的時候車是停止的，重要關注點在現有充電國標中已定義得相對詳細，對充電過程的安全已經有了很好控制基礎。此外，希望充電機能夠提供與BMS聯合低溫加熱和保溫的接口，使得充電過程中能夠避開危險充電的區(qū)間。在充電安全邊界的預防方面，當充電機已經意識到輸出功率過于巨大或輸出能量過多時（一般是BMS已經失控或失效），充電機應該自動中斷充電過程。如果已經探測到熱失控，也能夠通過充電機的互聯網接口進行火災報警，避免在地下無人值守充電時導致嚴重的火災事故。
