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【销量】电动汽车动力电池热失控过程分析及预警机制设计


来源 |东软睿驰汽车技术（沈阳）有限公司
由于近年来电动汽车销量的增长同时也显现许多安全问题 ， 安全事故频发 ， 先后有多辆电动汽车发生起火等严重安全事故 。 其中不仅包含国内的造成新势力还有国外行业领军电动车品牌 。 在所有的事故原因中 ， 热失控问题占有很大比例 。 本文通过对动力电池热失控过程的分析 ， 设计出一套热失控预警系统 。 这样至少保证在整车发生热失控之前能够通知到车内的乘客 ， 避免造成人员伤亡 ， 同时能够尽量减少事故带来的财产损失 。
一、热失控过程分析
锂电池的热失控主要是由于电池内部产热速率远大于散热速率 ， 在电池内部积累了大量的热量 ， 从而引发单体电池的着火或爆炸 。 单体电池的热失控又会扩散到整个电池系统 ， 导致整个电池系统甚至整车的起火或爆炸事故 。
为研究动力电池系统热失控发生的过程 ， 我们外接热源的方式对电池进行加热从而引发热失控 。 试验表明 ， 在单体电池发生热失控时伴随有电池电压的变化、电池及环境温度的变化、电池包内气压的变化及气体成分的变化 。我们将出现异常的的信号分为温度、电压、气压（或气体成分）三个大类 ， 分别进行分析 。
针对温度信号在热失控过程中的分析：电池的温度在热失控发生前会有一个持续的较快速率的上升过程 ， 如图1数据所示（横轴时间单位为秒 ， 纵轴温度单位为℃） ， 在前720秒的时间内 ， 温度从室温25℃持续升高到62℃ 。 随后发生单体电池的热失控 ， 温度急剧上升到430℃ 。 第一节电池能量释放完之后温度会下降 ， 到第787秒第二节电池热失控 ， 同样温度短时间内急剧上升 。 如此发生连环性的热失控反应 ， 最后整个电池包都发生热失控 。
【销量】电动汽车动力电池热失控过程分析及预警机制设计
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针对单体电池电压信号在热失控过程中的分析：电池的电压在热失控发生之前基本维持在平台电压保持不变 。 在热失控发生的瞬间 ， 实测在2秒内电压会下降到1V以下 。 图2（横轴时间单位为S ， 纵轴电压单位为V）中符合以上特征 ， 第一个发生热失控的电池在第720秒之前电压恒定在4.13V ， 在第720后开始急剧下降 ， 到第722秒几乎降到0V ， 之后由于检测电压的电路受损烧毁均为无效值 。 图3（横轴时间单位为S ， 纵轴电压单位为V）为第二个发生热失控的电池的电压特征 。 与图2的特征类似 ， 只是开始时间平移到第787秒 。
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针对电池包内气压信号在热失控过程中的分析：如图4（横轴时间单位为S ， 纵轴电压单KPa） ， 电池包内放置两个气压传感器 ， 正常大气压为101KPa ， 在第720 秒发生第一次单体电池热失控 ， 此时气压会上升到120KPa 。 由于电池包内存在平衡泄压阀 ， 一段时间后气压会下降到101KPa 。 与第二个发生单体热失控的时间吻合 ， 在第787 秒 ， 气压第二次上升到120KPa ， 随后下降 。 以此连锁反应 ， 直至整包热失控 。 通过以上分析 ， 得出两条结论 ， 可作为热失控报警机制设计的依据 。 一个是热失控首先发生在单体电池 ， 然后慢慢扩散 ， 最终引起整个电池包的热失控 ， 升级为整车严重事故 。 这之间一般会有5分钟以上的预警时间 。 报警机制设计就是要准确把握这段时间 ， 及时准确的进行预警 。 另一个是热失控发生时有电压、温度、气压的明显数据异常特征 ， 报警设计的条件要从这些特征中提取 。
二、电动汽车动力电池热失控报警系统架构图


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