动力电池热失控报警信号策略研究

文章来源：上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心

引言

随着电池技术的发展与国家政策的支持，新能源汽车在我国的应用越来越广泛。随着新能源汽车保有量的增加，新能源汽车的事故也日益增多，2020年以来就报道了多起因新能源汽车动力电池起火导致的整车起火事故。动力电池起火引发的安全问题不容忽视，如果在动力电池起火前没有任何的报警信号，乘员舱的人员无法知悉整车及动力电池的状况，那么导致事故的危险性将会更加严重。

1热失控及热失控报警信号

动力电池热失控指的是电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象，热扩散是指动力电池系统内由一个电池单体热失控引发的其余电池单体接连发生热失控的现象。动力电池的热失控导致了大量的新能源汽车起火事故，因此为动力电池热失控报警建立相关法规的需求非常迫切。我国在2020年5月发布了强制性标准GB38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》及GB18384《电动汽车安全要求》，规定电池包或系统由于单个电池热失控引起热扩散，导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号，并且应通过一个明显的信号装置向驾驶员提示。

2热失控的原因

锂离子电池热失控的原因通常是电池发生了内短路，电池内短路造成电池温度和内部压力急剧增加，电池的化学能在瞬间转换成内能，导致电池单体燃烧或爆炸。热失控造成的高温环境导致含有大量易燃易爆的电解液几乎完全蒸发、分解，这进一步加剧了热扩散。

3热失控报警策略设计

3.1温度、电压变量
电池热失控继而热扩散的整个过程中包含着非常复杂的物理及化学变化，在这些变化过程中电池的一些本征参数也会随之发生变化，因此本文从这方面着手进行热失控报警策略设计。
电池的本征参数由电池管理系统进行监控。电池管理系统是电池里一个包含了传感器、控制器、控制、驱动开关以及信息通信储存模块等的电子控制系统。对电池电压、电流和温度进行监测是电池管理系统的最基本的功能。电池的电压、温度和电流的变化能反映电池的实时状态。
本文在进行热失控报警策略设计时首先定义热失控报警信号函数：
无热失控报警信号：y=0。
有热失控报警信号：y=1。
当y=0时，无热失控报警信号；当y=1时，电池管理系统发出热失控报警信号，传送给整车控制器，整车控制器收到信号后继而控制汽车其他零部件做出相关动作，提醒乘员舱内人员逃生。
然后，建立热失控报警的映射关系。y=（a，b，c，d，…）。
如下页图1所示是某动力电池电芯热失控时的温度、电压变化图，从图中可以看出，在电芯热失控发生时，温度、电压都发生了非常急剧的变化。因此，映射到热失控报警信号y的参数a、b、c、d、...，可以在其中确定。

根据温度、电压的变化定义四个参数a、b、c、d：
a：若电池单体最低电压低于设定值w则a=1，其余情况a=0；b：若电池单体电压下降速率高于设定值x则b=1，其余情况b=0；c：若电池单体最高温度高于设定值y则c=1，其余情况c=0；d：若电池单体温度上升速率高于设定值z则d=1，其余情况d=0。
热失控报警信号函数y=f（a，b，c，d）。
参数a、b表征相同的物理量，即电压；参数c、d表征相同的物理量，即温度。仅使用一个物理量的变化不能全面地反映热失控的发生，所以需要将两个物理量都考虑进去。两个物理量之间的参数为与的关系。而对于单个物理量，其中任意一个参数就可以反映其中的变化，所以同一物理量之间的参数为或的关系。由此得到函数映射关系如下：
y=ac+ad+bc+bd.
即当电池单体最低电压低于w且电池单体最高温度高于y时，或电池最低单体电压低于w且电池单体温度上升速率高于z时，或电池单体电压下降速率高于x且电池单体最高温度高于y时，或电池单体电压下降速率高于设定值x且电池单体温度上升速率高于z时，发出热失控报警信号。
因电池材料、型号、成组方式等对于不同的电池来说都有区别，所以电池单体最低电压、电压下降速率、最高温度、温度上升速率参数的设定值并不是唯一的，需要单独确定。对一特定型号的电池包，需要经过大量的试验来确定这四个参数。
3.2时间变量
上节所述的四个参数的变化缺乏时间的约束，造成电池管理系统每次采样都需要作判断，而这不能避免某次误报产生的影响，因此引入时间变量十分必要。
对时间变量T的定义如下：T=nt，t为采样时间间隔。由于太长的时间段的电池特征物理量的变化不能准确反映热失控的开始，而且时间越久，对乘员舱内的人员安全越不利，而太短的时间段又不能排除误报的干扰。因此，n需要经过大量的试验确定，并且还要参考电池管理系统与电池的特性与状态。n确定后即得到确定的T。对3.1提及的任一参数，当变化达到T的持续时间时才认为这一参数的条件判断成立。
综上所述，热失控报警信号函数y=（fa，b，c，d，T）。

4结语

设计一个热失控报警策略需要对热失控发生时电池内部的变化进行仔细分析。因此，本文从热失控发生过程中动力电池的一些物理量的典型变化入手，提出了一种用于热失控报警的策略，在电池单体发生热失控后根据策略给出报警信号，给乘员舱的人员足够的逃生时间，避免进一步造成人员安全事故。