鉅大LARGE | 點擊量：471次 | 2023年02月07日
動力鋰離子電池領域功能安全現狀分析
新能源汽車動力電源重要由電能/能量存儲單元、能量轉換模塊及發電單元(燃料動力電池、發動機－發電機)、電源管理系統、熱管理系統、安全管理系統、內外部封裝系統、連接裝置等構成。
目前，主流新能源汽車二次電池的電能存儲單元重要包括鎳氫電池、鋰離子電池。動力電源系統的安全管理技術的執行要高精度、復雜的電池管理系統(BMS)，應該具有以下基本功能：
1)動力鋰電池碰撞斷電保護;
2)動力鋰電池高壓電安全防護;
3)動力鋰電池充放電安全管理;
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
4)動力鋰電池濫用防護；
5）動力鋰電池故障診斷處理。
因此，相應的功能安全要求很高，重點體現在以下幾方面。
動力鋰電池碰撞斷電保護
根據GB/T314982015《電動汽車碰撞后安全要求》，電動汽車碰撞后安全評價標準重要包括:
1)整車母線電壓、母線搭鐵電壓滿流不大于30V和直流不大于60V;
2)電能要求高壓母線上的殘余總電能應小于0.2J;
3)碰撞后車輛所有高壓設備應有IPXXB級別的物理防護
4)高壓絕緣電阻滿足GB/T18384.3-2001《電動汽車安全要求》;
5)動力鋰電池電解液泄漏量、動力鋰電池移動位移應滿足相應的要求;
6)碰撞發生后30min內不得起火、爆炸。
因此，開發符合ISO26262標準的動力鋰電池碰撞斷電保護系統的關鍵在于盡量縮短響應時間(包括碰撞信號的采集、確認以及執行器執行整車切斷高壓電指令的時間)，響應時間越短，系統安全性越高。
在ISO26262標準中，要求的電氣安全防護涉及主動保護和被動保護2種方式。與碰撞斷電保護相關的主動安全保護方法重要有3種：
1)利用CAN總線通信實現碰撞斷電保護。安全氣囊ECU(SＲSECU)采集碰撞傳感器發送的碰撞信號后，判斷該碰撞信號是否達到閾值。在確認達到閾值后，置相應控制引腳為低電位。主控制器監測到SＲSECU信號引腳電平變化(由高變低)，同時以一定速率向BMS發送碰撞報文。當BMS接收到3幀以上有效碰撞報文后，即切斷整車高壓回路。
2)用PWM波實現碰撞斷電保護。為防止方法1)中SＲSECU信號引腳電平受外界電磁干擾出現碰撞誤報警情況，采用具有一按時序的PWM波替代SＲSECU碰撞信號。當BMS持續檢測到2個以上完整的PWM碰撞脈沖后，確認碰撞發生，立即切斷整車高壓回路。
方法3)是方法1)和2)的綜合:采用信號冗余確保碰撞保護。SＲSECU同時發送PWM波和CAN報文至BMS，當BMS判定兩路碰撞信號中，任一路信號有效，即執行切斷高壓電指令。
與碰撞斷電保護相關的被動安全保護方法是:將碰撞開關串入高壓互鎖回路(HVIL)，慣性開關在碰撞發生時被觸發，切斷HVIL回路。除了上述的電氣安全防護措施外，動力鋰電池組碰撞斷電保護設計還應考慮結構安全防護，如采用U形安裝支架、防撞加強筋、防撞支架等。
動力鋰電池高壓電安全防護
在GB/T18384.12001以及IEC604791:2005中，對電動汽車高壓安全提出的要求如下:
1)接觸電壓不允許超過36V(人體安全電壓)且漏電電流不允許超過30mAs(人體安全閾值);
2)絕緣電阻阻值除以標稱電壓值的最低值為100/V，最好大于500/V;
3)接通時需進行預充電，防止瞬態高壓電沖擊;
4)確保高壓接觸器斷開時間在20ms內;
5)電源斷開1s后，任何可觸及的導電部分和地之間的交流峰值不能高于42.4V，直流電壓應低于60V，且存儲能量應小于20J。
在實際工程應用中，采用加強基本防護、繼電器控制、碰撞開關、高壓互鎖、高速斷電管理、高壓回路安全監測、高壓電系統狀態參數在線監測等措施來滿足ISO26262標準規定的動力鋰電池高壓安全防護要求。
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動力鋰電池充放電安全管理
動力鋰電池充放電安全功能重要由充電系統、整車控制器(VCU)、BMS和電機控制器(MCU)配合保障。MCU供應電能使用/回收相關信息;BMS供應電池系統的狀態/故障信息;VCU匯總以上信息，對充放電相關參數(功率、電流、電壓、溫度等)解耦處理后，進行電池安全邏輯判斷，再將充放電指令發送至電能管理系統。電能管理系統(由VCU、BMS、MCU的相關功能部分和充電機構成)根據VCU的指令完成滿足動力鋰電池安全管理的充放電動作。
為符合ISO26262標準的執行流程，要對充放電過程中可能存在的故障及影響程度進行分析。充電過程中(包括plug－in和電能回收)，可將電池故障分級作為重要參數制定相應的安全管理策略。
1)針對某些對安全不構成影響的輕微故障(如單體電壓差大于10mV，不超過20mV)，可以報警，而不限制充電參數;
2)針對某些故障(如SOC偏離設定值、電池溫度高于設定值等)，在報警的同時，適當降低充電功率;3)針對某些危險故障(如反接、極高壓、短路、溫度極高、溫升極快、冒煙、著火等)，應立即斷電。放電過程中，安全管理策略由VCU采集BMS、MCU供應的電池狀態和驅動狀態信號，解析駕駛意圖，發出動態調節指令，使得電池的放電強度、SOC/SOH/SOF相關參數在標定范圍內運行。
為了從起始狀態起，有效管控電池組的安全，必須采取實時的故障診斷措施，并采用合理的安全管理策略，才能滿足ISO26262標準規定的充電安全的要求。
動力鋰電池濫用防護
電池濫用包括短路、過放、火燒、浸水、振動、撞擊、擠壓、針刺、跌落、過流/過壓充電、高/低溫充放電等。在電池使用過程中，應設法防止濫用工況出現。在電芯及電池系統設計、制造過程中，應該采用本質安全的材料與方法來滿足ISO26262標準所規定的電池容忍濫用工況的要求。
動力鋰電池故障診斷處理
電池故障診斷處理屬于主動安全防護技術。通過采集風速、車速/加速度、電池電壓/電流/溫度場/氫氧氣濃度等信號，由BMS進行數據分析，計算出絕緣電阻模型、SOC/SOH/SOF模型、電池濫用、電池組熱模型等模型后，輸出相應控制信號。
為滿足ISO26262標準的要求，故障診斷處理至少應該包含以下基本項目:電池溫度過高/低、單體及模塊電壓過高/低、單體一致性偏差過大、充放電功率過大等。根據整車設計與電池系統的具體要求，納入故障診斷的項目還應包括總電壓過高/低、SOC值高/低、內外部通信接口故障、電池連接松動等故障。
