熊紅紅，焦紅星

（1.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南 新鄭 451100；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121）

1 引言

發(fā)展新能源汽車是中國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[1]。2012年以來，中國堅持純電驅(qū)動戰(zhàn)略取向，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了巨大成就，成為世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要力量之一。2020年10月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）也就是“十四五規(guī)劃”。規(guī)劃指出要深化“三縱三橫”的研發(fā)布局，以純電動汽車、插電式混合動力（含增程式）汽車、燃料電池汽車為“三縱”，以動力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)為“三橫”。動力電池與管理系統(tǒng)作為重要的“一橫”，其未來發(fā)展對整個新能源汽車行業(yè)舉足輕重。同時動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件，其性能直接影響整車動力系統(tǒng)性能。新能源汽車的使用場景可分為行駛、停放、碰撞、水浸和充電5種。其中，充電工況出現(xiàn)頻繁且風(fēng)險較高。新能源車輛在充電過程中，出現(xiàn)事故的主要原因是充電濫用行為，如過流充電、過壓充電以及使用不符合要求的充電設(shè)備進行操作等。過流充電時，鋰離子會大量快速從正極脫出，經(jīng)過電解液和隔膜到達負(fù)極，此時從正極脫出鋰離子的速度遠大于嵌入負(fù)極的速度，來不及嵌入負(fù)極的鋰離子就會和外電路的電子結(jié)合生成鋰單質(zhì)，單質(zhì)不斷堆積生成鋰枝晶，枝晶會刺穿隔膜，造成正負(fù)極的導(dǎo)通，引發(fā)不可逆的安全事故，所以在對鋰離子電池進行充電的過程中要禁止過流充電。過壓充電狀態(tài)下，鋰離子會繼續(xù)從正極脫出，但是負(fù)極已經(jīng)沒有多余的位置供這一部分鋰離子嵌入，鋰離子就會和外電路的電子結(jié)合生成鋰單質(zhì)，單質(zhì)不斷堆積生成鋰枝晶，刺穿隔膜導(dǎo)通正負(fù)極，形成內(nèi)短路，引發(fā)爆炸起火等一系列的安全問題[2]，因此在對鋰離子電池進行充電的過程中要禁止過壓充電。使用不符合要求的充電設(shè)備進行操作存在極大的安全隱患，以及未按規(guī)定的充電制度進行充電而引發(fā)的安全問題，屢見不鮮。

本文基于GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，對新能源乘用車車用動力電池過流和過壓充電進行測試分析，驗證動力電池安全管理策略的科學(xué)性，為熱失控及擴散預(yù)警功能的實現(xiàn)以及保護乘員安全提供試驗基礎(chǔ)和事實依據(jù)[3]，有利于保護成員的安全。

2 試驗過程

試驗所用動力電池總成外觀照片如圖1所示，測試用電池模擬器為AVL ESTORGE-HV。

圖1 動力電池總成外觀照片

2.1 過流保護

環(huán)境溫度為20℃±10℃，動力電池系統(tǒng)SOC范圍為40%～60%，施加過電流值為50A，最大電壓為166V。過流保護可采用如下試驗方法：改變或禁用電池對直流供電設(shè)備的通信，使充電電流可達到過流水平。起初以最大工作電流34.4A充電，然后5s內(nèi)增加到過電流值50A，繼續(xù)充電。當(dāng)符合以下任一條件時，結(jié)束試驗。

1）電池包發(fā)出自動終止充電電流信號。BMS2（ID：0x122）充電電流過大（3級報警）；BMS5（ID：0x35C）電池最大允許充電電流為0，電池最大允許充電功率為0；BMS8（ID：0x492）30s 最大充電功率為0；BMSS（ID：0x3B5）最高允許充電電流為0，充電控制指令為停止。

2）電池包自動終止充電電流。BMS5（ID：0x35C）電池正極接觸器狀態(tài)為斷開。

3）試驗對象溫度穩(wěn)定（2h 內(nèi)變化小于4℃）。當(dāng)BMS1_A＞55A時，為異常終止條件。

2.2 過充電保護

環(huán)境溫度為20℃±10℃，試驗用動力電池管理系統(tǒng)功能正常，模擬充電上電報文使電池充電繼電器閉合。過充電保護所用試驗方法如下：連接外部充電設(shè)備到試驗對象正負(fù)極端，禁用外部充電設(shè)備的充電限制。充電策略為試驗樣包在試驗溫度條件下，以34.4A恒流充電至最高單體電壓4.19V。當(dāng)符合以下任一條件時，結(jié)束試驗。

1）電池包發(fā)出自動終止充電電流信號。BMS2（ID：0x122）單體電壓過高（2級或3級報警）、總電壓過高（2級或3級報警）；BMS5（ID：0x35C）電池最大允許充電電流為0，電池最大允許充電功率為0；BMS8（ID：0x492）30s最大充電功率為0。

2）電池包自動終止充電電流。BMS5（ID：0x35C）電池正極接觸器狀態(tài)為斷開。

3）過程保護未起作用，試驗對象超過最高工作溫度10℃。

4）若溫度低于最高工作溫度10℃，持續(xù)充電＞12h。當(dāng)最大單體電壓BMS3_Max_Voltage＞4.2V時，為異常終止條件。

3 試驗結(jié)果

關(guān)于過充電和過流保護處理的故障閾值如表1所示。

表1 關(guān)于過充電和過流的保護處理的故障閾值表

3.1 過流保護

對電池包以50A電流充電時，系統(tǒng)會自動切斷正極繼電器，終止充電。試驗結(jié)束，電池系統(tǒng)無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現(xiàn)象，無異常終止，絕緣≥100Ω/V。具體過程如圖2～圖4所示。當(dāng)電池包以最大工作電流34.4A充電，然后5s內(nèi)增加到過電流值50A，繼續(xù)充電。圖2為過流報警等級與充電電流的關(guān)系曲線，電流升至34.5A后5s內(nèi)報充電電流過大（1級報警）；電流升至40A后6s報充電電流過大（2級報警），充電電流減半；電流升至44A后6s報充電電流過大（3級報警），BMS5和BMS8相關(guān)充電電流和充電功率為0，充電允許指令由1變?yōu)?，5s后正極繼電器狀態(tài)由閉合變?yōu)閿嚅_。

圖2 過流報警等級與充電電流的關(guān)系曲線

圖3 充電允許指令

圖4 正極繼電器狀態(tài)（過流保護）

3.2 過充電保護

對電池包進行過充電試驗時，當(dāng)最高單體電壓觸發(fā)閾值4.18V后，系統(tǒng)會自動切斷正極繼電器，終止充電。試驗結(jié)束，電池系統(tǒng)無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現(xiàn)象，無異常終止，絕緣≥100Ω/V。具體過程如圖5～圖7所示。電池包起始，最大單體電壓為3.945V，以34.4A恒流充電，當(dāng)單體電壓充至4.16V后第14s報單體電壓過大（1級報警）；繼續(xù)以34.4A恒流充電，單體電壓充至4.17V后第13s報單體電壓過大（2級報警），BMS5和BMS8相關(guān)充電電流和充電功率均為0；繼續(xù)以34.4A恒流充電，單體電壓充至4.18V后第8s報單體電壓過大（3級報警），BMS5和BMS8相關(guān)充電電流和充電功率保持為0，3級故障確認(rèn)時間5s后斷開正極繼電器，正極繼電器狀態(tài)由1（閉合）變?yōu)?（斷開）。

圖5 充電過程最大單體電壓曲線

圖6 單體電壓過高報警曲線

圖7 正極繼電器狀態(tài)（過充電保護）

4 結(jié)論

近年來，隨著電動汽車銷量的增長，也顯現(xiàn)出許多安全問題，安全事故頻發(fā)，先后有多輛電動汽車發(fā)生起火等嚴(yán)重安全事故，其中熱失控問題占有很大比例[4]。為保護乘員安全，GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》明確要求動力電池系統(tǒng)必須具有熱失控及擴散預(yù)警功能。熱失控預(yù)警功能必須滿足以下任一條件：①電池單體熱失控導(dǎo)致熱擴散，進而導(dǎo)致乘員艙危險前5min提供一個熱事件預(yù)警信號。②熱擴散不會產(chǎn)生導(dǎo)致車輛乘員危險的情況。本文從新能源汽車動力電池故障著手，對過流和過壓充電工況進行測試分析，驗證了故障閾值表中關(guān)于過流和過壓充電保護處理的一致性，為熱失控及擴散預(yù)警功能的實現(xiàn)以及保護乘員安全提供試驗基礎(chǔ)和事實依據(jù)。