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動力鋰離子電池領域功能安全現狀分析

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年02月07日  

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;


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。

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