浅谈纯电动客车动力电池系统安全技术

杨万里，徐小兵，范鹏飞，黄 进，田凤军

(1.北汽(常州)汽车有限公司，江苏 常州 213133； 2.亨通电力产业集团 新能源研究所，江苏 苏州 215200)

目前纯电动汽车安全性问题依然存在，且主要集中在动力电池系统方面。当动力锂电池发生内部或外部短路时，会导致电池的热失控，进而引起车辆冒烟、起火甚至爆炸[1-4]。因此如何提高整车动力电池系统的安全性和管控水平，避免电池发生热失控已经成为纯电动汽车研究的重点。本文将讨论纯电动客车动力电池系统的安全技术。

1 纯电动客车电池系统安全技术现状

1.1 整车动力电池系统的布置设计

1) 纯电动客车的动力电池系统(下称电池包)通常布置在车身后舱或车身骨架两侧的行李舱内，以减少外部对电池包的挤压、撞击等；此外在电池包附近还会加装防撞梁等，增强对电池包的保护；通过严苛的整车碰撞和侧翻实验，进一步检验整车电池包安装处的结构强度，保证电池包在受外力撞击的情况下依然能够安全。

2) 由于部分纯电动客车受限于车身结构，将电池包布置于整车底盘下方。根据车型不同，对整车的离地间隙有严格的要求，以轻客为例，通常车辆满载后电池包离地间隙不得小于180 mm，以防止地面有异物对电池包进行撞击、挤压甚至刺穿。

1.2 高压连接器的选型设计

高压连接器是整车高压系统中的关键部件，在选型时要综合考虑其IP防护等级、连接可靠性、插拔寿命和断电响应速度等。以某纯电动客车为例，其整车电压平台为360 V，电池系统工作电压范围为300～420 V。高压连接器选型要满足如下要求：

1) 达到IP67防护等级。至少需要两个不同的动作才能将其从相互的对接端分离，且高压连接器与其他某个机构有机械锁止关系，在高压连接器打开前，该锁止机构必须要使用工具才能打开。

2) 插拔寿命不少于200次。在高压连接器分开之后，连接器中带电部分的电压能在 1 s内降低到不大于30 Va.c.(RMS)且不大于60 Vd.c.。

1.3 高压互锁功能设计

整车高压系统设计要求高压部件要具备高压互锁功能[5-7]，实时监测整车高压部件的连接状态。以某纯电动客车为例，电池管理系统(下称BMS)与电机控制器等电控器件实时监测每一个高压连接器的互锁回路的连接状态信号，当某一个高压连接器互锁回路信号异常时，BMS或电机控制器等相应的控制器将异常状态反馈给整车控制器(下称VCU)，VCU根据故障类别决策相应的故障处理措施，并将相应的决策命令反馈给BMS或电机控制器等执行相应的控制命令，及时断开动力电池系统的高压回路，保证整车高压安全。

1.4 动力电池系统防水设计

为了防止动力电池系统因为内部进水导致高压部件短路，主要从以下两个方面进行防水设计：

1) 对电池系统层面进行必要的防水设计与浸水实验。在电池包箱盖与电池包箱体之间密封处加装防水密封圈和少量的密封胶；箱体密封好后进行浸水实验和气密性检测。

2) 对整车层面进行相应的设计及实验。纯电动客车一般要求电池包摆放在车辆行李舱或者车舱内部，部分车型布置在整车底盘上，但离地间隙要足够。车辆安装调试好后，进行整车涉水实验和淋雨实验，验证电池系统防水能力。

1.5 动力电池系统防过度充电和低温充电设计

过度充电和低温充电是动力电池系统热失控的两个主要诱因[8]。以某纯电动客车为例，在充电过程中一般从以下几个层面预防电池系统过度充电和低温充电：

1) 充电前动力电池系统状态监测与潜在故障诊断。在车辆进行充电前，BMS实时监测动力电池数据，包括单体电池的电压、温度、动力电池系统总压，BMS计算电池系统最大单体电压差和最大温度差，判断单体电压、温度、压差和温差等是否符合预设的标准，若各参数值超过标准值，BMS将故障信息与故障等级反馈给VCU，VCU根据故障等级判断是否允许车辆充电。

2) 低温禁止充电或开启加热功能。在车辆与充电设施进行连接准备充电时，BMS监测系统最低单体温度信息，当电池温度低于0 ℃时，BMS判断系统温度过低，若电池系统不具备加热功能，则将故障信息上报给整车和充电设备，禁止低温充电；若电池系统具备加热功能，BMS则开启电池系统内的加热回路继电器，对电池系统进行加热，监测电池系统温度变化情况，直至温度达到预设值时才允许正常充电。

3) 充电时电池系统参数监测与故障诊断。在车辆进行充电时，BMS实时监测系统的单体电压、单体温度、系统总压、最大单体压差、最大单体温差、温升速度、充电电流等信息，当任一项监测值超过预设的故障阈值时，BMS立即将故障信息反馈给VCU和充电设备。VCU收到BMS反馈的故障信息后，停止车辆充电，并通过仪表进行声光报警，提醒用户车辆电池系统存在故障；充电设备收到BMS反馈的故障信息，停止充电，并将相关故障信息通过液晶显示界面文字显示，提醒用户电池系统存在故障，保障电池系统充电安全。

1.6 动力电池系统放电安全设计

锂离子电池过度放电也有可能引发电池热失控[9]。因此，锂离子电池的放电过程也需要进行安全设计。

1) 当整车电池系统电量较高时，为了避免由于能量回馈导致电池电压上升触发电压过高报警机制，一般设定当纯电动客车电池系统电量大于预设值95%时关闭车辆能量回馈功能。

2) 当车辆电量较低时，为了避免电池过度放电导致电池内部发生一些不可逆的反应，使电池性能受到损伤，整车会结合整车动力性能要求，对动力电池系统进行分级处理。以某纯电动客车的控制策略为例：当电量低于20%时，通过整车仪表进行声光提示，提醒用户及时补电；当电量低于10%时，在仪表声光提示的同时，VCU进行限功率行驶，降低车速和动力电池的放电电流；当电量低于3%时，为避免车辆动力电池系统过度放电造成电池损坏，禁止车辆行驶，VCU控制高压回路继电器断开，完成整车端高压处理。通过这样的分级处理，既可以保证用户的体验感又可以保护动力电池。

1.7 动力电池系统热失控预警设计

目前，动力电池系统内部通过增加由高灵敏度的烟雾和特殊气体传感器以及自动灭火装置组成的消防系统，当传感器检测到电池系统内部有烟雾和异常气体时，消防系统第一时间将故障信息反馈给BMS并进行消防处理，可以一定程度上限制电池热失控的扩散蔓延，降低危害。

2 电池系统安全技术提升

虽然目前纯电动客车电池系统安全防护的措施已经非常丰富，但是频繁发生的电池热失控事件也说明其安全技术仍需要不断提升。除了继续提升整车动力电池系统的安全防护水平，防止电池系统机械滥用和电气滥用之外，还可以从以下几个方面进一步提升整车的安全水平。

2.1 利用电池热失控模型提升电池参数估算准确度

当前动力电池系统的故障诊断阈值更多的是依据电芯的极限实验和常规的实验室性能测试数据制定的，实验室的测试值与真实的使用工况仍有较大差异，随着电池使用次数的增多，原先设定的参数准确度也会变低。加强全生命周期下电池系统工作模型的建设，尤其是电池热失控模型的建设可以更加准确地估算出电池系统在整车不同使用工况下的极限状态，并结合电池系统实测值，定期动态调整原先设定好的故障诊断阈值，从而实现在全生命周期下整车电池系统动态的安全管控。

2.2 提高BMS的状态预测能力和故障预警水平

目前，BMS对电池安全状态的预测能力有限，一方面电池系统的状态估计(主要包含电荷状态SOC、健康状态SOH、功率状态SOP等)精度有限，另一方面缺乏完善的电池系统安全状态评估模型，因此也就很难做到对电池安全状态的准确预测，更别说是提前预警。

未来需要进一步提高电池系统状态估计的准确性，获取电池系统的真实状态量，同时结合完善的电池系统安全状态评估模型，计算评估当前动力电池系统的安全状态，以采取合理的电池管理方法，有效地将动力电池控制在最优工作区间,保障动力电池的电性能、一致性、安全性和使用寿命[10]。与此同时将相应的状态信息反馈给VCU，VCU结合车辆实际运行状态采取相应的控制方法来调整整车的运行状态，以保证车辆运行的安全性和可靠性。

2.3 加强大数据的分析与利用

前期整车电池系统状态难以准确估计的一个原因是缺乏大量的车辆电池系统运行数据，使得电池状态估计更多地依赖实验室测试数据。但目前国内纯电动客车的运营监管平台已经建立，可以获得海量的车辆实时运行数据和历史数据。后续整车与电池企业可以通过对这些大数据进行分析，得出不同电池系统的运行规律。结合BMS原有的状态估计和故障诊断能力，可以进一步提前发现电池系统存在的问题并及时报给VCU，VCU根据不同故障类型对整车进行分类管控，从而保障电池系统运行安全，防止电池热失控事件的发生。

例如，通过分析同一批次车辆电池系统的历史与实时运行数据，通过多维度参数分析电池系统压差变化情况，可以及时发现动力电池系统一致性较差的车辆，通过后台监控平台及时联系驾驶员，安排专业技术人员对车辆动力电池系统进行检查并及时处理，将热失控风险降到最低。来自新能源汽车国家大数据联盟的信息表明，已经接入到国家新能源汽车数据平台的车辆，实现了在车辆实际出现故障之前提示过预警信息的将近有60%，由此可见新能源汽车事故是可发现、可预判、可处理的[11]。

3 结束语

纯电动客车动力电池系统安全问题仍然是当前业内最敏感最棘手的问题。随着电池安全技术和整车安全技术的不断成熟和完善，结合大数据的分析与利用，相信未来我国纯电动客车动力电池系统的安全问题会得到很好的解决。