电动汽车动力电池热失控过程分析及预警机制设计

刘木林 卜凡涛 林辉 孙洋

摘 要：文章通过实验数据对热失控发生的过程进行分析，提取出关键的信号特征。设计出一套全面完整的热失控预警系统，并总结出多个报警条件，避免出现故障的误报及漏报的情况。最后介绍了热失控预警后整车及大数据的应对措施。

关键词：电动汽车;动力电池;电池管理系统;热失控;过程分析;预警机制;大数据

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-15-03

Abstract： This paper analyzes the process of thermal runaway through experimental data， and extracts key signal characteris -tics. A comprehensive and complete early warning system for thermal runaway is designed， and several alarm conditions are summed up to avoid false alarm and missing alarm. Finally， it introduces the Countermeasures of the whole vehicle and big data after the early warning of thermal runaway.

Keywords： Electric vehicle; Power battery; Battery management system; Thermal runaway; Process analysis; Early warning mechanism; Big data

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）05-15-03

前言

由于近年來电动汽车销量的增长同时也显现许多安全问题，安全事故频发，先后有多辆电动汽车发生起火等严重安全事故。其中不仅包含国内的造成新势力还有国外行业领军电动车品牌。在所有的事故原因中，热失控问题占有很大比例[1]。本文通过对动力电池热失控过程的分析，设计出一套热失控预警系统。这样至少保证在整车发生热失控之前能够通知到车内的乘客，避免造成人员伤亡，同时能够尽量减少事故带来的财产损失。

1 热失控过程分析

锂电池的热失控主要是由于电池内部产热速率远大于散热速率，在电池内部积累了大量的热量，从而引发单体电池的着火或爆炸[2]。单体电池的热失控又会扩散到整个电池系统，导致整个电池系统甚至整车的起火或爆炸事故[3]。

为研究动力电池系统热失控发生的过程，我们外接热源的方式对电池进行加热从而引发热失控。试验表明，在单体电池发生热失控时伴随有电池电压的变化、电池及环境温度的变化、电池包内气压的变化及气体成分的变化。我们将出现异常的的信号分为温度、电压、气压（或气体成分）三个大类，分别进行分析。

针对温度信号在热失控过程中的分析：电池的温度在热失控发生前会有一个持续的较快速率的上升过程，如图1数据所示（横轴时间单位为秒，纵轴温度单位为℃），在前720秒的时间内，温度从室温25℃持续升高到62℃。随后发生单体电池的热失控，温度急剧上升到430℃。第一节电池能量释放完之后温度会下降，到第787秒第二节电池热失控，同样温度短时间内急剧上升。如此发生连环性的热失控反应，最后整个电池包都发生热失控。

针对单体电池电压信号在热失控过程中的分析：电池的电压在热失控发生之前基本维持在平台电压保持不变。在热失控发生的瞬间，实测在2秒内电压会下降到1V以下。图2（横轴时间单位为S，纵轴电压单位为V）中符合以上特征，第一个发生热失控的电池在第720秒之前电压恒定在4.13V，在第720后开始急剧下降，到第722秒几乎降到0V，之后由于检测电压的电路受损烧毁均为无效值。图3（横轴时间单位为S，纵轴电压单位为V）为第二个发生热失控的电池的电压特征。与图2的特征类似，只是开始时间平移到第787秒。

针对电池包内气压信号在热失控过程中的分析：如图4（横轴时间单位为S，纵轴电压单KPa），电池包内放置两个气压传感器，正常大气压为101KPa，在第720秒发生第一次单体电池热失控，此时气压会上升到120KPa。由于电池包内存在平衡泄压阀，一段时间后气压会下降到101KPa。与第二个发生单体热失控的时间吻合，在第787秒，气压第二次上升到120KPa，随后下降。以此连锁反应，直至整包热失控。

通过以上分析，得出两条结论，可作为热失控报警机制设计的依据。一个是热失控首先发生在单体电池，然后慢慢扩散，最终引起整个电池包的热失控，升级为整车严重事故。这之间一般会有5分钟以上的预警时间。报警机制设计就是要准确把握这段时间，及时准确的进行预警。另一个是热失控发生时有电压、温度、气压的明显数据异常特征，报警设计的条件要从这些特征中提取。

2 电动汽车动力电池热失控报警系统架构图

上图是电动汽车动力电池热失控预警系统的架构图。现将各部分的名称及在系统中的功能详细描述如下：

BIC：电池信息采集单元。检测串联单体电芯的电压，模组电压，电池温度。

BMU：电池管理单元。主要进行电池热失控的报警条件判断，同时进行环境温度的监控及唤醒，气压的检测（可选项）。

VCU：整车控制单元。接受热失控报警信号并结合整车情况采取相应措施，包括给仪表进行报警提示、传数据给T-BOX、下高压电等整车逻辑相应的处理等。

ICU：仪表控制单元。执行VCU命令，报警提示乘员危险。

T-BOX：远程数据终端。通过无线网络传输报警信号到大数据监控中心。

大数据监控中心：故障发生前做出风险提示，故障发生后联系车主及其他相关人员处理危险情况。

3 热失控预警条件判断

热失控发生前一段时间温度信号有一些较明显特征，但也不一定能确认出现这些特征就一定会发生热失控[4]。温度相关的条件包括：

（1）某个温度值大于或等于一定值（推荐温度值60℃）并且持续一定时间（推荐时间3秒）。

（2）最高温度值在一定时间内（推荐时间5秒）的温升大于或等于一定值（推荐2℃）。

只要出现三个条件中的任何一个条件就应该引起注意，有可能会发生热失控。相应的处理上仅做低级预警提示、数据的记录及上报给上一级控制单元，不做其他任何实质性措施。另外该预警的一个重要作用是通过车载终端上报大数据监控中心，通过人工分析热失控的可能性有多大，从而采取进一步措施

根据实验数据分析，在热失控发生的时刻，如果BMS的所有测量值均有效，则可以检测到的故障子条件包括：温度过高，温升过快，电压过低，压降过快，气压波动。这些信号又分为温度类，电压类，气压类，如果出现任意两类条件同时满足，则可判断发生热事件。现将所有热事件报警的组合列举如下表：

条件①——温度过高

置位条件：如果有某个温度值大于60℃并且持续一定时间（推荐时间3秒）。

清除条件：该温度值小于一定值（推荐温度值60℃）持续一定时间（推荐时间10分钟）。

条件②——温升过快2级

置位条件：最高温度值在一定时间（推荐1秒）内的温升大于或等于一定值（推薦5℃）。

清除条件：一定时间内（推荐5秒）没有新的置位条件则故障清除。

条件③——电压过低

置位条件：某个电压值在小于等于一定值（推荐2V）并

且维持一定时间（推荐2秒）。

清除条件：该电压值大于一定值（推荐2V）并且维持一定时间（推荐2秒）。

条件④——压降过快

置位条件：最低电压在一定时间（推荐2秒）之内下降一定值（推荐1V）。

清除条件：每隔一定时间（推荐2秒）重新判断。

条件⑤——气压波动

置位条件：两个气压传感器测量值在5秒时间间隔内都出现过气压大于120KPa的情况。

清除条件：信号维持一定时间（推荐5秒）后无置位条件则故障清除。

4 整车及大数据相关的处理机制

热失控的预警首先有电池包内的电池管理系统报出来。整车控制器在收到该报警信号后要做的一个是给仪表发送命令，通知驾驶员及乘客立即撤离。报警要有声音、文字及信号灯的闪烁等形式。

另外一点是通过整车的远程数据终端将报警信号及当时相关的数据上传的数据中心。数据中心应立刻通过电话等方式通知车主，同时数据中心要通知消防部门赶往现场随时准备灭火工作。

监控中心的人员在得到数据相关热失控之后也可以进行进一步的分析，查出事故的根本原因。更重要的是如果能通过大数据方法提前进行辅助的预警提示，及早进行维护与升级，尽量降低事故发生的概率。

参考文献

[1] 何向明，冯旭宁，欧阳明高.车用锂离子动力电池系统的安全性[J].科技导报2016，34（6）.

[2] 黄海江.锂离子电池安全性研究及影响因素分析[D].上海：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，2005.

[3] 陈薪，杨裕生.动力电池安全性不容小觑[J].低碳世界，2012（10）： 036-039.

[4] 平平.锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.