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電動汽車動力電池熱失控過程分析及預警機制設計

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發布:liuxianglong 來源: 東軟睿馳汽車技術(沈陽)偉德足球
PostTime:25-4-2020 09:48
由于近年來電動汽車銷量的增長同時也顯現許多安全問題,安全事故頻發,先后有多輛電動汽車發生起火等嚴重安全事故。

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由于近年來電動汽車銷量的增長同時也顯現許多安全問題,安全事故頻發,先后有多輛電動汽車發生起火等嚴重安全事故。其中不僅包含國內的造成新勢力還有國外行業領軍電動車品牌。在所有的事故原因中,熱失控問題占有很大比例。本文通過對動力電池熱失控過程的分析,設計出一套熱失控預警系統。這樣至少保證在整車發生熱失控之前能夠通知到車內的乘客,避免造成人員傷亡,同時能夠盡量減少事故帶來的財產損失。

一、熱失控過程分析

鋰電池的熱失控主要是由于電池內部產熱速率遠大于散熱速率,在電池內部積累了大量的熱量,從而引發單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會擴散到整個電池系統,導致整個電池系統甚至整車的起火或爆炸事故。

為研究動力電池系統熱失控發生的過程,我們外接熱源的方式對電池進行加熱從而引發熱失控。試驗表明,在單體電池發生熱失控時伴隨有電池電壓的變化、電池及環境溫度的變化、電池包內氣壓的變化及氣體成分的變化。 我們將出現異常的的信號分為溫度、電壓、氣壓(或氣體成分)三個大類,分別進行分析。

針對溫度信號在熱失控過程中的分析:電池的溫度在熱失控發生前會有一個持續的較快速率的上升過程,如圖1數據所示(橫軸時間單位為秒,縱軸溫度單位為℃),在前720秒的時間內,溫度從室溫25℃持續升高到62℃。隨后發生單體電池的熱失控,溫度急劇上升到430℃。第一節電池能量釋放完之后溫度會下降,到第787秒第二節電池熱失控,同樣溫度短時間內急劇上升。如此發生連環性的熱失控反應,最后整個電池包都發生熱失控。

針對單體電池電壓信號在熱失控過程中的分析:電池的電壓在熱失控發生之前基本維持在平臺電壓保持不變。在熱失控發生的瞬間,實測在2秒內電壓會下降到1V以下。圖2(橫軸時間單位為S,縱軸電壓單位為V)中符合以上特征,第一個發生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4。13V,在第720后開始急劇下降,到第722秒幾乎降到0V,之后由于檢測電壓的電路受損燒毀均為無效值。圖3(橫軸時間單位為S,縱軸電壓單位為V)為第二個發生熱失控的電池的電壓特征。與圖2的特征類似,只是開始時間平移到第787秒。

針對電池包內氣壓信號在熱失控過程中的分析:如圖4(橫軸時間單位為S,縱軸電壓單KPa),電池包內放置兩個氣壓傳感器,正常大氣壓為101KPa,在第720 秒發生第一次單體電池熱失控,此時氣壓會上升到120KPa。由于電池包內存在平衡泄壓閥,一段時間后氣壓會下降到101KPa。與第二個發生單體熱失控的時間吻合,在第787 秒,氣壓第二次上升到120KPa,隨后下降。以此連鎖反應,直至整包熱失控。通過以上分析,得出兩條結論,可作為熱失控報警機制設計的依據。一個是熱失控首先發生在單體電池,然后慢慢擴散,最終引起整個電池包的熱失控,升級為整車嚴重事故。這之間一般會有5分鐘以上的預警時間。報警機制設計就是要準確把握這段時間,及時準確的進行預警。另一個是熱失控發生時有電壓、溫度、氣壓的明顯數據異常特征,報警設計的條件要從這些特征中提取。

二、電動汽車動力電池熱失控報警系統架構圖

上圖是電動汽車動力電池熱失控預警系統的架構圖。現將各部分的名稱及在系統中的功能詳細描述如下:

BIC:電池信息采集單元。檢測串聯單體電芯的電壓,模組電壓,電池溫度。

BMU:電池管理單元。主要進行電池熱失控的報警條件判斷,同時進行環境溫度的監控及喚醒,氣壓的檢測(可選項)。

VCU:整車控制單元。接受熱失控報警信號并結合整車情況采取相應措施,包括給儀表進行報警提示、傳數據給T-BOX、下高壓電等整車邏輯相應的處理等。

ICU:儀表控制單元。執行VCU命令,報警提示乘員危險。

T-BOX:遠程數據終端。通過無線網絡傳輸報警信號到大數據監控中心。

大數據監控中心:故障發生前做出風險提示,故障發生后聯系車主及其他相關人員處理危險情況。

三、熱失控預警條件判斷

熱失控發生前一段時間溫度信號有一些較明顯特征,但也不一定能確認出現這些特征就一定會發生熱失控。溫度相關的條件包括:

(1)某個溫度值大于或等于一定值(推薦溫度值60℃)并且持續一定時間(推薦時間3秒)。

(2)最高溫度值在一定時間內(推薦時間5秒)的溫升大于或等于一定值(推薦2℃)。

只要出現三個條件中的任何一個條件就應該引起注意,有可能會發生熱失控。相應的處理上僅做低級預警提示、數據的記錄及上報給上一級控制單元,不做其他任何實質性措施。另外該預警的一個重要作用是通過車載終端上報大數據監控中心,通過人工分析熱失控的可能性有多大,從而采取進一步措施。

根據實驗數據分析,在熱失控發生的時刻,如果BMS的所有測量值均有效,則可以檢測到的故障子條件包括:溫度過高,溫升過快,電壓過低,壓降過快,氣壓波動。這些信號又分為溫度類,電壓類,氣壓類,如果出現任意兩類條件同時滿足,則可判斷發生熱事件。現將所有熱事件報警的組合列舉如下表:

條件①——溫度過高

置位條件:如果有某個溫度值大于60℃并且持續一定時間(推薦時間3秒)。

清除條件:該溫度值小于一定值(推薦溫度值60℃)持續一定時間(推薦時間10分鐘)。

條件②——溫升過快2級

置位條件:最高溫度值在一定時間(推薦1秒)內的溫升大于或等于一定值(推薦5℃)。

清除條件:一定時間內(推薦5秒)沒有新的置位條件則故障清除。

條件③——電壓過低

置位條件:某個電壓值在小于等于一定值(推薦2V)并且維持一定時間(推薦2秒)。

清除條件:該電壓值大于一定值(推薦2V)并且維持一定時間(推薦2秒)。

條件④——壓降過快

置位條件:最低電壓在一定時間(推薦2秒)之內下降一定值(推薦1V)。

清除條件:每隔一定時間(推薦2秒)重新判斷。

條件⑤——氣壓波動

置位條件:兩個氣壓傳感器測量值在5秒時間間隔內都出現過氣壓大于120KPa的情況。

清除條件:信號維持一定時間(推薦5秒)后無置位條件則故障清除。

四、整車及大數據相關的處理機制

熱失控的預警首先有電池包內的電池管理系統報出來。整車控制器在收到該報警信號后要做的一個是給儀表發送命令,通知駕駛員及乘客立即撤離。報警要有聲音、文字及信號燈的閃爍等形式。

另外一點是通過整車的遠程數據終端將報警信號及當時相關的數據上傳的數據中心。數據中心應立刻通過電話等方式通知車主,同時數據中心要通知消防部門趕往現場隨時準備滅火工作。

監控中心的人員在得到數據相關熱失控之后也可以進行進一步的分析,查出事故的根本原因。更重要的是如果能通過大數據方法提前進行輔助的預警提示,及早進行維護與升級,盡量降低事故發生的概率。

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