楊建鋒， 鄧新華， 武春曉， 魏文博， 魏長河

(北汽福田股份有限公司， 北京 100192)

電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池本身的特性決定其存在熱失控安全隱患，主要有：電極短路、電池老化、電池在充放電過程中產(chǎn)生的枝晶堆積、電池過充過放、電池過熱、受到碰撞擠壓等[1-2]。一旦鋰離子動(dòng)力電池發(fā)生熱失控，爆發(fā)時(shí)間短、威力大，將導(dǎo)致著火或燃爆等事故[3-4]。因此，防控鋰離子動(dòng)力電池著火或爆炸事故，成為電動(dòng)客車發(fā)展的重點(diǎn)研究課題。

鋰離子動(dòng)力電池存在的以上安全隱患，推動(dòng)了其火情監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。目前市場上的電池滅火系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)之間沒有通訊連接，兩套系統(tǒng)獨(dú)立并行[5-6]。電池滅火系統(tǒng)的監(jiān)測傳感器遠(yuǎn)離電池本體，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)滯后于電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性缺乏保障；同時(shí)測量數(shù)據(jù)僅來源于滅火裝置傳感器，數(shù)據(jù)來源單一，存在誤報(bào)可能。

1 電池滅火系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本文將電池滅火系統(tǒng)的監(jiān)測裝置及滅火裝置都安裝在電池箱體內(nèi)部，同時(shí)將電池管理系統(tǒng)的電池溫度、電壓等監(jiān)測信息及電池滅火系統(tǒng)監(jiān)測裝置的信息上傳到滅火系統(tǒng)的主控制器，通過兩套數(shù)據(jù)的對(duì)比更加精準(zhǔn)地分析、監(jiān)控電池本體的熱失控情況，從而第一時(shí)間探測到鋰離子動(dòng)力電池異常，以早期避免火災(zāi)的發(fā)生。

圖1為鋰離子動(dòng)力電池滅火系統(tǒng)的架構(gòu)。該系統(tǒng)主要由滅火系統(tǒng)主控、手動(dòng)滅火開關(guān)、滅火裝置、滅火系統(tǒng)從控、監(jiān)測裝置等組成，并需要車輛的供電電源、儀表、BCU電池主控/從控、動(dòng)力電池箱體Pack等部件提供相應(yīng)支撐。滅火系統(tǒng)主控安裝在電池艙內(nèi)部，通過與駕駛臺(tái)儀表、BCU電池主控、滅火系統(tǒng)從控，進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，決定滅火裝置是否啟動(dòng)，并具有向駕駛員發(fā)送火情監(jiān)控信息和火情報(bào)警信息的功能。其中滅火系統(tǒng)從控、監(jiān)測裝置、滅火裝置安裝在動(dòng)力電池箱體內(nèi)部；手動(dòng)滅火開關(guān)安裝在駕駛室儀表附近，可通過人為操作，控制啟停滅火裝置。

圖1 電池滅火系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 滅火系統(tǒng)監(jiān)測裝置

如圖2所示，滅火系統(tǒng)監(jiān)測裝置包含：電信號(hào)傳輸I/O口、數(shù)據(jù)檢測和判斷模塊、信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換模塊、火情相關(guān)的傳感器。信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換模塊用于采集各種火情相關(guān)的傳感器傳輸來的信號(hào)并對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大及處理；由數(shù)據(jù)檢測和判斷模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給滅火系統(tǒng)從控。

圖2 監(jiān)測裝置控制邏輯框圖

其中，數(shù)據(jù)檢測和判斷模塊的主要作用是接收由信號(hào)采集及轉(zhuǎn)化模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并且與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比對(duì)，將判定后的數(shù)據(jù)通過電信號(hào)傳輸I/O口Ⅰ發(fā)送給滅火系統(tǒng)從控。

3 滅火系統(tǒng)從控與主控

1) 滅火系統(tǒng)從控邏輯框圖如圖3所示，包含數(shù)據(jù)計(jì)算與處理模塊和3個(gè)電信號(hào)傳輸I/O口。

圖3 滅火系統(tǒng)從控控制邏輯框圖

電信號(hào)傳輸I/O口Ⅱ?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算與處理模塊和監(jiān)測裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸；電信號(hào)傳輸I/O口Ⅲ向滅火裝置發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)算與處理模塊的執(zhí)行數(shù)據(jù)；電信號(hào)傳輸I/O口Ⅴ實(shí)現(xiàn)滅火系統(tǒng)主控和數(shù)據(jù)計(jì)算與處理模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

滅火系統(tǒng)從控的主要作用是：與滅火系統(tǒng)主控、監(jiān)測裝置、滅火裝置實(shí)時(shí)信息交互；檢測監(jiān)測裝置和滅火裝置的工作狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行故障診斷；向滅火系統(tǒng)主控單元發(fā)起滅火請(qǐng)求，并直接控制滅火裝置的啟動(dòng)。

2) 滅火系統(tǒng)主控控制邏輯框圖如圖4所示，包含數(shù)據(jù)計(jì)算與處理模塊和3個(gè)電信號(hào)傳輸I/O口。

圖4 滅火系統(tǒng)主控控制邏輯框圖

電信號(hào)傳輸I/O口Ⅵ實(shí)現(xiàn)滅火系統(tǒng)主控與從控之間的數(shù)據(jù)傳輸；電信號(hào)傳輸I/O口Ⅶ接收BCU電池主控上傳的數(shù)據(jù)并與儀表進(jìn)行通訊；電信號(hào)傳輸I/O口Ⅷ接收手動(dòng)滅火開關(guān)的指令。

滅火系統(tǒng)主控主要作用：

①接收滅火系統(tǒng)從控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)其發(fā)起的滅火請(qǐng)求進(jìn)行邏輯判定處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)箱體內(nèi)滅火裝置的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)具體火情具體處理的功能。

②提取BCU電池主控的電池?cái)?shù)據(jù)，并匹配分析各箱內(nèi)的電池?cái)?shù)據(jù)與滅火系統(tǒng)從控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體內(nèi)火情的雙重判斷，增加了火情判斷的準(zhǔn)確性，減少誤判。

③儲(chǔ)存歷史火情監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，達(dá)到提前判斷各箱體內(nèi)火情隱患位置，為滅火系統(tǒng)主控提供對(duì)不同箱體內(nèi)電池狀態(tài)執(zhí)行滅火的依據(jù)。

④響應(yīng)手動(dòng)滅火開關(guān)的滅火啟停指令。

⑤與儀表通訊交互，實(shí)時(shí)反饋滅火系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

⑥系統(tǒng)故障診斷功能。

4 結(jié)束語

隨著電動(dòng)汽車領(lǐng)域大容量鋰離子電池的應(yīng)用[7-8]，鋰離子電池火災(zāi)事故明顯增多，亟待開展有關(guān)鋰離子電池的監(jiān)控滅火裝置的研發(fā)及應(yīng)用，減少安全事故發(fā)生。