电动汽车动力电池状态实时监测及安全防护方法研究

冯婧

（西安汽车科技职业学院 710068)

电动汽车的3大组成部分是动力电池、电机及电控系统。动力电池属于电动汽车核心部件，其性能好坏直接决定电动汽车的续航里程及使用成本。动力电池管理系统中最基本的功能是电池状态监测，内容包括电压、电流及温度等[1]。

1 动力电池电压监测

在监测动力电池的电压、电流及温度3种物理量中，电压监测相对于电流及温度监测信息量很大。动力电池监测主要在于电压采集精度指标，但是精度指标并不是越高越好，精度高的器件成本高，难以产业化，而且采集数据时间长，影响数据的实时性及同步性。动力电池采集的精度与数据用途有关，如电压数据是用于过电压保护的，由于磷酸铁锂电池的电压在3.2～3.3 V之间，而高电压门限在3.6 V以上，所以电压采样精度要求相对较低。电压数据如果用于显示，由于数据的微量差异化对驾驶员影响不大，所以数据采样精度要求也不高。但剩余电量对车辆的行驶有较大影响，所以数据精度要求较高。

2 动力电池电压采集方式

动力电池管理系统必须实时监测动力电池的电压，以保证电动汽车正常和安全行驶。电压数据的获取是通过电压采集电路及A/D转换电路实现的。因串联电池组的整体性能取决于电池组单体电池状态，需实时监视串联电池组中单体电池状态，以实现对串联电池组有效管理。

动力电池充电和放电方式的选择、剩余电量的计算、运行状态评估及电池性能的分析，是体现单体动力电池工作状态的基本依据。动力电池管理系统对每个单体或多个单体进行精确测量，可以有效避免动力电池的不均衡性带来的局部过充、过放所引起的安全问题。传统电压采集方式为利用继电器和电容隔离处理、浮动技术测量电池端电压、共模检测法和差模检测法。其他测量方式为基于专用芯片的电压采集方式、基于继电器及共享A/D芯片的轮流采集方式、基于精密电阻的分压方式和每个动力电池分配电压采集前端方式。

3 动力电池电流检测

3.1 电流检测特点

因为动力电池串联使用，所以电流采样的通道少，电流采样频率对于剩余电量的评估精度及系统安全性有重要影响，所以采样频率要更高[2]。

3.2 动力电池电流监测精度问题

为保障电动汽车的安全，动力电池管理系统对充放电设置限制，一旦工作电流超过限制电流，系统则启动保护措施。实际工作中，电流变化范围较大，且存在动态变化性，仪表显示数据存在少量的偏差，对驾驶员正确判断不会造成太大负面影响。当车辆处于静态时，驾驶员对数据误差的绝对值是较为敏感的，此时对电流监测精确度要求较高。在电流采样频率高的情况下，利用电流积分法评估剩余电量的精度。

3.3 基于分流器的电流监测

分流器实际上就是一个阻值很小的电阻，其精度高且温漂小，当电流流过分流器时，可通过测量其两端的压降计算出电流的大小。例如需要在分流器上产生75 mV压降，分流器的阻值为0.25 Ω，因75 mV数值太小，需要在A/D转换之前加上放大电路。

3.4 利用霍尔效应检测电流

可以利用霍尔效应测量各种电流，需要注意3个方面的问题：第一，放大电路，霍尔效应的工作原理是电磁感应现象，通过控制磁场和电流变化获取电压值，需要对电压信号进行放大，以提高电流的测量精确度；第二，霍尔电流传感器的标定，传感器在实际工作时存在系统误差，导致输出电压的零点并非对应电流的零点，I-U曲线是一条直线，但实际工作时可能是曲线，所以需要对霍尔电流传感器进行标定；第三，电流输出量程的选择，需要根据电动汽车实际的需要选择合适的量程，为获取更大的电压范围，在设计或者选择霍尔传感器时，尽量选择大的工作电流。

4 动力电池温度监测

温度对动力电池的工作影响较大，过低或过高的温度均易损坏动力电池。动力电池管理系统中需要对动力电池温度、环境温度和动力电池箱温度进行实时监测，从而延长电池使用寿命。受系统工作的影响，温度监测同样存在误差，在小范围内的误差，不会产生严重的影响，对剩余电量的评估影响不大。但是温度监测易受电磁干扰，最好的解决办法是加入数字滤波器，滤除高频信号。

5 动力电池系统安全分析

动力电池管理系统是根据动力电池的单体电压、总电压、电流和温度等信息，对动力电池运行状态进行评估与预测，判断动力电池的状态。

5.1 动力电池系统的安全特征

动力电池系统作为高能量载体，在不需要外部能量输入的情况下，本身因能量非正常释放而产生巨大破坏威力。能量非正常释放的表现形式主要包括燃烧或爆炸的化学能释放情况。燃烧过程的能量转换包括化学能转化为热能和光能等，而爆炸过程则是化学能转化为热能和光能，并伴随着巨大的机械能。

燃烧及爆炸两者均需要具备可燃物、氧化剂及火源等基本因素。燃烧和爆炸本质相同，区别在于二者氧化反应速度不同。动力电池的化学特征包括：电池的电解液及塑料部件具有可燃性，金属铝在高温下也可以燃烧；电池的正负极材料均为氧化剂；电池组释放的能量会引起温度快速上升成为火源。动力电池的机械特性包括：电池空间成密闭空间，可以防尘防水；电池壳体材料具有足够的强度，可以耐受剧烈的机械负荷[3]。

5.2 点击分析

动力电池是非安全电压的直流电力系统，造成的点击危害为人体直流触电。构成直流触电的基本要素包括：电压等级超过安全电压；存储电荷达到足以致命的能量级别；人体与高压直流电构成放电回路。导致动力电池发生人体触电的原因是，外壳或高压端口的接触防护失效或者正负极与壳体绝缘失效，人体接触二者亦可造成回路而触电。在安装、拆卸和充电时均需注意安全防护，避免触电事件的发生。

6 动力电池的安全防护功能

动力电池事故来源于因碰撞引发的短路、电路连接故障、电池进水引发的短路、电池漏液引发的短路及电池过充电等[4]。

6.1 动力电池的安全性

动力电池受热到一定温度后就会不可控制，温度就会急剧上升，一旦超过500℃就会燃烧爆炸，该现象称为动力电池热失控。动力电池热失控的原因主要包括：温度上升触发动力电池内部发生副反应，使温度急剧上升，进而产生动力电池热失控；动力电池外部短路、背部短路及过充电灯都会产生大量的热，产生电触发引起的热失控；车辆在发生剧烈碰撞时，挤压导致动力电池发生短路，造成热失控。一旦产生热失控就会产生大量的热，引起一系列的内部反应，最终造成爆炸。

6.2 动力电池的安全防护功能

BSM直接对电源系统进行管理或接收整车多能源管理系统的指令，对电源系统进行控制和保护，动力电源系统安全保护功能就是通过BSM来实现的。安全管理的主要功能包括：在车辆维护的状态下切断动力电池系统电源；在车辆进行维护保养时能够释放掉动力元件的电容电压；在车辆故障或者发生碰撞时能够及时切断动力电池系统电源；控制充放电相关参数；动力电池电量的计算与故障诊断；系统在高温、高压等情况下出现故障时，通知驾驶员进行相关检查；提高网络通讯功能等。

6.2.1 电气控制保护

电气控制保护功能是基于动力电池技术及类型来设定的一个控制充放电的算法逻辑，以此作为充放电的控制标准。动力电池控制保护主要对动力电池及电源系统的过压、欠压及过流等状态进行保护，避免损坏或出现安全事故。电气控制保护的另一功能是漏电保护控制，防止高压电荷高电流漏电。

6.2.2 动力电池热管理系统

该系统的功能是通过风扇等冷却系统和热敏电阻加热装置，使动力电池处于正常的工作范围。其特点是通过分析传感器显示温度与动力电池组的关系，确定动力电池组外壳及控制单元的摆放位置，使动力电池箱具有有效的热平衡状态，确保动力电池运行正常[5]。

6.2.3 管理诊断系统

该系统主要检测各项功能控制单元是否处于正常工作范围，检测动力电池组是否存在异常情况。自诊断功能能够为电源管理系统提供有效数据，控制单元可根据该数据做出相应的指令，确保系统安全。

7 结束语

通过对动力电池在电压、电流和温度等方面监测，可以不断促进动力电池技术发展，延长动力电池使用寿命，减少环境污染。动力电池作为电动汽车唯一的能量来源和混合动力汽车的重要能量来源，动力电池系统的安全性显得尤为重要，需要对动力电池状态实时监测以及加强动力电池的安全防护，避免事故发生。