电动车动力电池热失控特征及报警方法设计★

王陆阳，卢 晨，葛俊良，黄祖朋，李 彬

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西汽车新四化重点实验室，广西 柳州 545007）

引言

新能源汽车是国家重要战略性新兴产业[1]。纯电动汽车的动力来源是动力蓄电池系统。根据统计，动力蓄电池系统的热失控是引发电动汽车火灾、爆炸的主要原因，因此，在2020 年，国家发布了强制标准GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，对动力蓄电池系统的热失控报警提出了要求。

动力蓄电池系统触发热失控的主要原因有，针刺、过充、火烧（加热）、电芯内短路等，根据动力蓄电池的热失控特征研究，以及目前主流的传感器技术，组合出一种高精度、低成本、可推广，很可靠的热失控预警技术是十分必要的。

1 动力蓄电池系统发生热失控时的特征量

1.1 温度

1）外部温度。外部动力蓄电池的热失控主要分为两种，内因和外因。当因外部热量导致动力蓄电池温度升高，进而引起热失控时，一般表现为动力蓄电池系统的温度的整体升高，随后触发锂离子电池自身的热失控。

2）自身放热。锂离子电池在发生故障时，伴随着剧烈的化学反应，短时间内的剧烈放电，瞬间产生大量的热量，导致温度急剧升高。一般表现为单个电芯的温度急剧升高，随后该电芯释放的热量诱发热扩散，触发临近电芯的热失控。如图1 所示。

图1 动力蓄电池系统热失控时温度变化

1.2 电压

1）单体电压过高。过充是动力蓄电池系统发生热失控的一个重要原因，其特征表现为电芯的单体电压超过正常的电压，并持续一定的时间后，电芯内部析锂刺穿隔膜，进而引发电芯的内短路。

2）单体电压跌落。锂离子电池热失控时，剧烈的化学反应在电压的表现为单体电压的瞬间跌落。

1.3 气压

剧烈的化学反应，会释放大量的气体和热量，从而引起气压的变化。

1.4 烟雾

在高温状态下，高分子材料热裂解或燃烧所形成的物质，以及燃烧物在不完全燃烧时的产生物，最终形成烟雾。

1.5 气体成分

动力锂电池热失控初期发生化学反应时，会产生CO、HF、H2、CH4、C2H4、H2S、SO2等，通过可燃气体传感器、CO 传感器、VOC 传感器等可检测这些气体浓度值[2]。

1.6 声音

热失控导致热量急剧上升，当空气受热膨胀时会产生燃烧音，这是一种频率为数赫兹的压力声波，通过次声波传感器可有效检测燃烧中产生的声压。但此因为动力蓄电池系统安装在汽车底盘处，工况复杂，较难精准分辨。

1.7 火焰

燃烧过程中的光辐射、热辐射、图像信息等构成火焰信息，通过热红外传感器或摄像头可采集火焰信息。此特征量发生在存在明火时，对提醒乘客远离车辆的热失控预警意义不大，故不做考虑。

2 热失控关键报警算法设计

2.1 实验设计

在一个设计完好的动力蓄电池系统内，分别布置好适当数量的电压传感器，温度传感器，气压传感器，烟雾传感器，CO 传感器，并分别布置在适当的位置，并将这些传感器与电池管理系统（BMS）连接起来，最后通过BMS 传输各传感器的采集到的动力蓄电池热失控时的关键特征量数据。如图2 所示。

图2 动力蓄电池系统热失控实验设计

1）加热。在动力蓄电池系统内布置加热装置，对其中单个电芯或多个电芯布置加热装置，让其对一个电芯进行加热，直至触发热失控。试验中需全程采集数据。

2）过充。在动力蓄电池系统内布置充电装置，对其中单个电芯或多个电芯布置充电装置，让其对一个电芯进行充电至过充，直至触发热失控。试验中需全程采集数据。

3）针刺。如图3 所示，在动力蓄电池系统侧边布置针刺装置，试验时将动力蓄电池系统壳体、以及电芯刺穿，直至触发热失控。试验中需全程采集数据。

图3 动力蓄电池系统针刺触发热失控试验

2.2 逻辑处理

在经过多次试验后，得到一批最真实的数据，对数据进行分析处理后得到以下三个结论。

1）实验数据指导传感器位置设计。烟雾、气压、气体传感器和热失控电芯的相对位置会影响传感器采集的数据，从而影响热失控报警的时效性和精准性，所以必须根据实验数据指导传感器位置设计。以烟雾传感器为例，对比同一时刻不同位置的烟雾传感器采集到的浓度值，选择能快速采集到烟雾且烟雾浓度更为高的位置。

2）故障阈值确认。热失控在任何一串电芯处都可能会发生，因此，单一特征量的报警阈值必须满足快速且精准的条件。该故障阈值受经验和积累数据的影响，同时还受传感器的位置，动力蓄电池系统的结构等因素影响。

3）报警策略的处理。根据实验数据确定好的报警阈值，可以设定多种热失控报警的判断逻辑，如单体电压+温度；烟雾浓度达到报警阈值；气压浓度达到报警阈值；CO 浓度达到报警阈值。

考虑到动力蓄电池成本问题，若减少响应传感器，则应适当增加其他热失控的报警条件，需结合具体的实验数据制定相应的策略，确保热失控报警的提前性和准确性。

3 结语

动力蓄电池的热失控问题是一个长期存在的问题，与动力蓄电池的结构设计、控制策略和状态监控息息相关。安全问题，重在预防。在设计层面，设计足够安全的结构，合理的电气选型，合适的阻燃、吸热降温结构，足够坚硬的底壳防护等；在策略方面，需要电池管理系统的策略充分考虑到电芯的特性，避免电芯的不当使用而引起的安全风险。在使用方面，需要全社会普及锂离子电池的相关安全常识，充分利用纯电动汽车在节能减排、环境保护等方面的积极贡献，规避锂离子电池可能带来的安全风险。