车用动力电池的灭火系统改进设计

杨建锋， 邓新华， 武春晓， 魏文博， 魏长河

(北汽福田股份有限公司， 北京 100192)

电动汽车锂离子动力电池本身的特性决定其存在热失控安全隐患，主要有：电极短路、电池老化、电池在充放电过程中产生的枝晶堆积、电池过充过放、电池过热、受到碰撞挤压等[1-2]。一旦锂离子动力电池发生热失控，爆发时间短、威力大，将导致着火或燃爆等事故[3-4]。因此，防控锂离子动力电池着火或爆炸事故，成为电动客车发展的重点研究课题。

锂离子动力电池存在的以上安全隐患，推动了其火情监测技术的发展。目前市场上的电池灭火系统与电池管理系统之间没有通讯连接，两套系统独立并行[5-6]。电池灭火系统的监测传感器远离电池本体，监测到的数据滞后于电池管理系统的数据，数据的准确性、及时性缺乏保障；同时测量数据仅来源于灭火装置传感器，数据来源单一，存在误报可能。

1 电池灭火系统的总体架构

本文将电池灭火系统的监测装置及灭火装置都安装在电池箱体内部，同时将电池管理系统的电池温度、电压等监测信息及电池灭火系统监测装置的信息上传到灭火系统的主控制器，通过两套数据的对比更加精准地分析、监控电池本体的热失控情况，从而第一时间探测到锂离子动力电池异常，以早期避免火灾的发生。

图1为锂离子动力电池灭火系统的架构。该系统主要由灭火系统主控、手动灭火开关、灭火装置、灭火系统从控、监测装置等组成，并需要车辆的供电电源、仪表、BCU电池主控/从控、动力电池箱体Pack等部件提供相应支撑。灭火系统主控安装在电池舱内部，通过与驾驶台仪表、BCU电池主控、灭火系统从控，进行实时信息交互，决定灭火装置是否启动，并具有向驾驶员发送火情监控信息和火情报警信息的功能。其中灭火系统从控、监测装置、灭火装置安装在动力电池箱体内部；手动灭火开关安装在驾驶室仪表附近，可通过人为操作，控制启停灭火装置。

图1 电池灭火系统架构图

2 灭火系统监测装置

如图2所示，灭火系统监测装置包含：电信号传输I/O口、数据检测和判断模块、信号采集及转换模块、火情相关的传感器。信号采集及转换模块用于采集各种火情相关的传感器传输来的信号并对传感器信号进行转换、放大及处理；由数据检测和判断模块发送数据给灭火系统从控。

图2 监测装置控制逻辑框图

其中，数据检测和判断模块的主要作用是接收由信号采集及转化模块发送来的数据，并且与预设阈值进行比对，将判定后的数据通过电信号传输I/O口Ⅰ发送给灭火系统从控。

3 灭火系统从控与主控

1) 灭火系统从控逻辑框图如图3所示，包含数据计算与处理模块和3个电信号传输I/O口。

图3 灭火系统从控控制逻辑框图

电信号传输I/O口Ⅱ实现数据计算与处理模块和监测装置之间的数据传输；电信号传输I/O口Ⅲ向灭火装置发送数据计算与处理模块的执行数据；电信号传输I/O口Ⅴ实现灭火系统主控和数据计算与处理模块的数据传输。

灭火系统从控的主要作用是：与灭火系统主控、监测装置、灭火装置实时信息交互；检测监测装置和灭火装置的工作状态，对其进行故障诊断；向灭火系统主控单元发起灭火请求，并直接控制灭火装置的启动。

2) 灭火系统主控控制逻辑框图如图4所示，包含数据计算与处理模块和3个电信号传输I/O口。

图4 灭火系统主控控制逻辑框图

电信号传输I/O口Ⅵ实现灭火系统主控与从控之间的数据传输；电信号传输I/O口Ⅶ接收BCU电池主控上传的数据并与仪表进行通讯；电信号传输I/O口Ⅷ接收手动灭火开关的指令。

灭火系统主控主要作用：

①接收灭火系统从控的实时数据，并对其发起的灭火请求进行逻辑判定处理，实现对每个箱体内灭火装置的独立控制，实现具体火情具体处理的功能。

②提取BCU电池主控的电池数据，并匹配分析各箱内的电池数据与灭火系统从控数据，实现对箱体内火情的双重判断，增加了火情判断的准确性，减少误判。

③储存历史火情监测数据，实现对实时数据与历史数据的比对分析，达到提前判断各箱体内火情隐患位置，为灭火系统主控提供对不同箱体内电池状态执行灭火的依据。

④响应手动灭火开关的灭火启停指令。

⑤与仪表通讯交互，实时反馈灭火系统的工作状态。

⑥系统故障诊断功能。

4 结束语

随着电动汽车领域大容量锂离子电池的应用[7-8]，锂离子电池火灾事故明显增多，亟待开展有关锂离子电池的监控灭火装置的研发及应用，减少安全事故发生。