新能源乘用车电池热失控预警控制策略

【摘 要】近年来，在电动化浪潮的推动下，新能源乘用车销量持续攀升。动力电池作为新能源乘用车的核心动力源，肩负着绿色出行的重大使命。然而，电池安全性问题，特别是因热失控引发的爆炸等风险，已然成为行业内外瞩目的焦点。文章深入探究热失控的诱发因素及反应机制，借助外接热源模拟试验，全面剖析电池在热失控过程中的各项参数变化，并在此前提下，系统归纳出一套行之有效的电池热失控预警策略，以期提前发现潜在风险，为动力电池的安全使用筑牢坚实屏障。这不但有益于保障驾乘人员的生命财产安全，缓解消费者对新能源汽车安全性能的广泛关注与担忧，更能有力推动整个新能源汽车产业的稳健发展，为绿色出行保驾护航。

【关键词】动力电池：热失控：预警策略

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0013-03

New Energy Passenger Car Battery Thermal Runaway Warning Control Strategy

【Abstract】In recent years，driven by the wave of electrification，the sales of new energy passenger vehicles have continued to rise. As the core power source of new energy passenger vehicles，power batteries shoulder the important mission of green travel. However，battery safety issues，especially the risk of explosion caused by thermal runaway，have become the focus of attention inside and outside the industry. This paper deeply explores the inducing factors and reaction mechanism of thermal runaway，and comprehensively analyzes the parameter changes of battery in the process of thermal runaway with the help of external heat source simulation experiment. On this premise，a set of effective battery thermal runaway warning strategies are systematically summarized，in order to detect potential risks in advance and build a solid barrier for the safe use of power batteries. This is not only beneficial to protect the life and property safety of drivers and passengers，alleviate consumers' extensive concerns and concerns about the safety performance of new energy vehicles，but also effectively promote the steady development of the entire new energy vehicle industry and escort green travel.

【Key words】power battery：thermal runaway：early warning strategy

1 前言

根据中国汽车工业协会的统计数据，2023年新能源汽车的销量达到了949.5万辆，与前一年相比，实现了37.9%的同比增长，其在汽车市场的占有率已经攀升至31.6%。在新能源汽车销量的持续增长中，纯电动乘用车的销量也呈现出连年上升的趋势。2023年，新能源乘用车的总销量为730.5万辆，其中纯电动乘用车的销量为493.6万辆，占到了新能源乘用车总销量的67.6%。

新能源电动汽车的崛起已成为势不可挡的时代潮流[1]。这一变革首先体现在对传统燃油车的颠覆上，新能源电动汽车以其高效的能源利用和极低的噪声特性，为人们的出行带来了全新的体验[2-3]。更为关键的是，电动汽车摒弃了尾气排放的弊端，实现了零污染、零排放，为环保事业贡献了一份力量。因此，对于汽车行业而言，电动汽车的普及是行业发展的必然趋势。然而目前，在电动汽车带来一系列便利好处的同时，也带来了电池热失控方面的问题[4-6]。本文以电池热失控为研究对象，深入研究其发生热失控的深层次原因，并探讨解决电池热失控的预警控制策略，以推动电池热失控预警控制技术的健康快速发展。同时，也希望通过本论文的研究，引起社会各界对电池热失控问题的重视，促进相关政策法规的制定和实施，共同维护人们的生命财产安全[7]。

2 电池热失控参数变化

锂电池发生热失控，其核心原因在于电池内部产生的热量速度远超过其散热速度，使得热量与气体在电池内部大量积聚，这种积聚最终可能触发单体电池的燃烧或爆炸现象[8]。一旦单体电池发生热失控，其影响往往会迅速蔓延至动力电池总成，进而可能引发动力总成乃至整车的热失控，造成严重的安全事故[9]。

为了深入探究动力电池系统热失控的演变过程，巧妙地利用外接热源技术，对电池实施精准加热，以触发热失控条件。结果表明，当单体电池发生热失控时，不仅电池电压会发生显著变化，电池及周围环境的温度也会随之产生波动，同时电池包内部的气压和气体成分也会发生明显的变化。采用温度信号、电压信号、气压（或气体成分）和烟雾信号这4类信号作为异常现象判断。

在热失控发生之前，电池的温度会经历一个持续且相对快速的上升阶段，这一温度上升过程会显著超出电池正常使用的温度范围。紧接着，电池会出现排气现象，过程中电压会跌落到2V左右。再过一段时间，电池电压会跌至1V以下。期间电压会有回升，随后产生烟雾。最后，电压跌为0，发生燃爆。从电芯的第1次排气电压跌落到发生单电芯的热失控，需要5min的时间。电芯热失控以后产生的火苗、烟雾及高温会引燃附近的电芯，造成热失控蔓延。从某科研院所的试验结果分析，从第1个电芯发生热失控到整包发生危险，需要的时间不超过5min。某18650电芯热失控模拟实验参数变化如图1所示。模拟实验现象见表1。

某18650电芯热失控模拟实验现象如图2所示。通过第1个电芯发生热失控危险或热失控现象来判定电池系统发生热失控危险是可行的，或者制定更严格的策略，即在电芯工作发生异常时，判定有热失控发生的风险，可符合标准的第2个要求。

3 电池热失控预警策略

3.1 电池热失控报警系统架构（图3）

在包含热失控预警的电池包里面主要包含气压568bacf7f1f3b440fe2ce1b4aaf1ab08638a5ed0d4682b67698f6c213052ce76、烟雾和相关气体的传感器。信号通过BMS上报到VCU，通过VCU与ICU传递给乘客报警信号和T-BOX，并同时传递给数据监控平台，以便进行故障原因分析。

3.2 电池热失控预警控制策略

根据实验数据分析，在热失控发生时，如果BMS的所有测量值均有效，则可以检测到的故障子条件包括：温度过高、温升过快、电压过低、压降过快、气压波动、释放气体和烟雾。

信号分为温度类、电压类、气压类、气体类。如果出现任意两类条件同时满足，则可判断发生热失控事件。但只要气体快速释放和烟雾产生，也可判断发生热失控事件[10-11]。判断条件及描述见表2。

4 总结

在具体应用中，由于成组的并联方式电池的单体电压过低或电压压降过快，可能不易发生。由于温度点布置的原因，某些单体的温升过快和过高也可能不易检测到。所以在有条件的情况下，尽量能够增加压力传感器或烟雾或可燃气体传感器。监测压力、烟雾和气体，对热失控的预警是有积极意义的。

策略的结果可按两种方案设计。一种是可能发生热失控，控制预警时间超过5min;另一种是较为严苛的设计，在电池状态发生异常，就判定存在热失控风险，并报警检修。第2种策略较易设计，且有更大的安全设计冗余。

综上所述，新能源汽车电池热失控问题呈现出多维度的复杂性，需全面审视并处理因参数变化所引发的温度、电压、气压（气体成分）及烟雾等4类异常信号。此外，深化对新能源汽车电池的研发力度亦至关重要，旨在持续提升电池效能与耐用性，从而为新能源汽车的广泛普及与应用提供更为坚实的技术保障。

参考文献：

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