新能源乘用车用动力电池安全测试分析*

熊红红，焦红星

（1.郑州升达经贸管理学院，河南 新郑 451100；2.郑州职业技术学院，河南 郑州 450121）

1 引言

发展新能源汽车是中国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措[1]。2012年以来，中国坚持纯电驱动战略取向，新能源汽车产业发展取得了巨大成就，成为世界汽车产业发展转型的重要力量之一。2020年10月，国务院办公厅发布新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）也就是“十四五规划”。规划指出要深化“三纵三横”的研发布局，以纯电动汽车、插电式混合动力（含增程式）汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子、网联化与智能化技术为“三横”。动力电池与管理系统作为重要的“一横”，其未来发展对整个新能源汽车行业举足轻重。同时动力电池系统作为新能源汽车的关键零部件，其性能直接影响整车动力系统性能。新能源汽车的使用场景可分为行驶、停放、碰撞、水浸和充电5种。其中，充电工况出现频繁且风险较高。新能源车辆在充电过程中，出现事故的主要原因是充电滥用行为，如过流充电、过压充电以及使用不符合要求的充电设备进行操作等。过流充电时，锂离子会大量快速从正极脱出，经过电解液和隔膜到达负极，此时从正极脱出锂离子的速度远大于嵌入负极的速度，来不及嵌入负极的锂离子就会和外电路的电子结合生成锂单质，单质不断堆积生成锂枝晶，枝晶会刺穿隔膜，造成正负极的导通，引发不可逆的安全事故，所以在对锂离子电池进行充电的过程中要禁止过流充电。过压充电状态下，锂离子会继续从正极脱出，但是负极已经没有多余的位置供这一部分锂离子嵌入，锂离子就会和外电路的电子结合生成锂单质，单质不断堆积生成锂枝晶，刺穿隔膜导通正负极，形成内短路，引发爆炸起火等一系列的安全问题[2]，因此在对锂离子电池进行充电的过程中要禁止过压充电。使用不符合要求的充电设备进行操作存在极大的安全隐患，以及未按规定的充电制度进行充电而引发的安全问题，屡见不鲜。

本文基于GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，对新能源乘用车车用动力电池过流和过压充电进行测试分析，验证动力电池安全管理策略的科学性，为热失控及扩散预警功能的实现以及保护乘员安全提供试验基础和事实依据[3]，有利于保护成员的安全。

2 试验过程

试验所用动力电池总成外观照片如图1所示，测试用电池模拟器为AVL ESTORGE-HV。

图1 动力电池总成外观照片

2.1 过流保护

环境温度为20℃±10℃，动力电池系统SOC范围为40%～60%，施加过电流值为50A，最大电压为166V。过流保护可采用如下试验方法：改变或禁用电池对直流供电设备的通信，使充电电流可达到过流水平。起初以最大工作电流34.4A充电，然后5s内增加到过电流值50A，继续充电。当符合以下任一条件时，结束试验。

1）电池包发出自动终止充电电流信号。BMS2（ID：0x122）充电电流过大（3级报警）；BMS5（ID：0x35C）电池最大允许充电电流为0，电池最大允许充电功率为0；BMS8（ID：0x492）30s 最大充电功率为0；BMSS（ID：0x3B5）最高允许充电电流为0，充电控制指令为停止。

2）电池包自动终止充电电流。BMS5（ID：0x35C）电池正极接触器状态为断开。

3）试验对象温度稳定（2h 内变化小于4℃）。当BMS1_A＞55A时，为异常终止条件。

2.2 过充电保护

环境温度为20℃±10℃，试验用动力电池管理系统功能正常，模拟充电上电报文使电池充电继电器闭合。过充电保护所用试验方法如下：连接外部充电设备到试验对象正负极端，禁用外部充电设备的充电限制。充电策略为试验样包在试验温度条件下，以34.4A恒流充电至最高单体电压4.19V。当符合以下任一条件时，结束试验。

1）电池包发出自动终止充电电流信号。BMS2（ID：0x122）单体电压过高（2级或3级报警）、总电压过高（2级或3级报警）；BMS5（ID：0x35C）电池最大允许充电电流为0，电池最大允许充电功率为0；BMS8（ID：0x492）30s最大充电功率为0。

2）电池包自动终止充电电流。BMS5（ID：0x35C）电池正极接触器状态为断开。

3）过程保护未起作用，试验对象超过最高工作温度10℃。

4）若温度低于最高工作温度10℃，持续充电＞12h。当最大单体电压BMS3_Max_Voltage＞4.2V时，为异常终止条件。

3 试验结果

关于过充电和过流保护处理的故障阈值如表1所示。

表1 关于过充电和过流的保护处理的故障阈值表

3.1 过流保护

对电池包以50A电流充电时，系统会自动切断正极继电器，终止充电。试验结束，电池系统无泄漏、外壳破裂、着火或爆炸现象，无异常终止，绝缘≥100Ω/V。具体过程如图2～图4所示。当电池包以最大工作电流34.4A充电，然后5s内增加到过电流值50A，继续充电。图2为过流报警等级与充电电流的关系曲线，电流升至34.5A后5s内报充电电流过大（1级报警）；电流升至40A后6s报充电电流过大（2级报警），充电电流减半；电流升至44A后6s报充电电流过大（3级报警），BMS5和BMS8相关充电电流和充电功率为0，充电允许指令由1变为0，5s后正极继电器状态由闭合变为断开。

图2 过流报警等级与充电电流的关系曲线

图3 充电允许指令

图4 正极继电器状态（过流保护）

3.2 过充电保护

对电池包进行过充电试验时，当最高单体电压触发阈值4.18V后，系统会自动切断正极继电器，终止充电。试验结束，电池系统无泄漏、外壳破裂、着火或爆炸现象，无异常终止，绝缘≥100Ω/V。具体过程如图5～图7所示。电池包起始，最大单体电压为3.945V，以34.4A恒流充电，当单体电压充至4.16V后第14s报单体电压过大（1级报警）；继续以34.4A恒流充电，单体电压充至4.17V后第13s报单体电压过大（2级报警），BMS5和BMS8相关充电电流和充电功率均为0；继续以34.4A恒流充电，单体电压充至4.18V后第8s报单体电压过大（3级报警），BMS5和BMS8相关充电电流和充电功率保持为0，3级故障确认时间5s后断开正极继电器，正极继电器状态由1（闭合）变为0（断开）。

图5 充电过程最大单体电压曲线

图6 单体电压过高报警曲线

图7 正极继电器状态（过充电保护）

4 结论

近年来，随着电动汽车销量的增长，也显现出许多安全问题，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，其中热失控问题占有很大比例[4]。为保护乘员安全，GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》明确要求动力电池系统必须具有热失控及扩散预警功能。热失控预警功能必须满足以下任一条件：①电池单体热失控导致热扩散，进而导致乘员舱危险前5min提供一个热事件预警信号。②热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况。本文从新能源汽车动力电池故障着手，对过流和过压充电工况进行测试分析，验证了故障阈值表中关于过流和过压充电保护处理的一致性，为热失控及扩散预警功能的实现以及保护乘员安全提供试验基础和事实依据。