北京科易動(dòng)力科技有限公司副總經(jīng)理  華劍鋒

高比能量電池是下一階段新能源汽車重點(diǎn)應(yīng)用的技術(shù)路線，電池安全問(wèn)題已經(jīng)成為了新能源汽車發(fā)展的重要挑戰(zhàn)之一。而應(yīng)用高比能量電池之后，如何保障動(dòng)力系統(tǒng)安全，更成為一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。

高比能量電池發(fā)生內(nèi)短路時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致單體熱失控。對(duì)于350瓦時(shí)/公斤的電芯，當(dāng)它發(fā)熱后，單體電芯的溫度可以上升到1200度，此時(shí)電池像熱源一樣把兩邊的電池加熱到很高的溫度，引起一系列的連鎖反應(yīng)，使得整個(gè)電池系統(tǒng)和車輛燃燒，我們稱為熱失控?cái)U(kuò)展。 

如何保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全？

為了保證整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全，需要從三個(gè)階段解決系統(tǒng)上的問(wèn)題。第一階段是誘因預(yù)防和診斷階段，是對(duì)早期電氣濫用、熱濫用和機(jī)械濫用的預(yù)防，并通過(guò)功能安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保障、識(shí)別和防止熱失控的誘因，避免引起單體的熱失控。

第二階段是利用電壓、溫度等可測(cè)量的電池信息在時(shí)間歷程上的特征，通過(guò)模式辨識(shí)和信息融合技術(shù)，提前識(shí)別和診斷單體熱失控的可能性，并且對(duì)單體熱失控盡可能進(jìn)行抑制。

最后一個(gè)階段，如果熱失控已經(jīng)發(fā)生，那么技術(shù)手段主要放在熱擴(kuò)展的阻斷上，假設(shè)一個(gè)單體電芯已經(jīng)發(fā)生熱失控，就要控制整個(gè)系統(tǒng)不要一連串的燒起來(lái)。

展開(kāi)來(lái)說(shuō)，首先是電氣濫用方面的觸發(fā)防范，其中最重要的就是要避免過(guò)充。這需要在單體電壓的監(jiān)控與診斷方面進(jìn)行全面防控，例如提高測(cè)量單體電壓與總電壓的測(cè)量精度、降低長(zhǎng)期工作下電壓測(cè)量的漂移誤差、對(duì)電壓測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行基于模型的容錯(cuò)等，把在電壓測(cè)量方面的功能安全設(shè)計(jì)提高到最高等級(jí)。在單體溫度測(cè)量方面，采取了單串全監(jiān)控的技術(shù)路線，這一點(diǎn)和其他的技術(shù)路線不太一樣，我們認(rèn)為先進(jìn)的熱仿真技術(shù)可以在減少溫度傳感器數(shù)量的同時(shí)，對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行良好的熱管理。同時(shí)，在動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，大量應(yīng)用熱仿真技術(shù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)。但是在高比能量電池的推廣應(yīng)用階段，要第一時(shí)間診斷出熱失控的話，溫度傳感器的數(shù)量和成本是不能省的，還是要做到單體溫度的全面監(jiān)控。

此外，對(duì)溫度傳感器響應(yīng)速度也提出要求，采用變比的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)提高測(cè)量精度，從而提高溫度傳感器在熱失控階段探測(cè)的靈敏度和響應(yīng)速度。

在熱濫用的觸發(fā)防范方面，重點(diǎn)在匯流與焊接技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行突破，包括優(yōu)化的匯流設(shè)計(jì)、高效低阻抗的激光焊接技術(shù)、不同材料的焊接與連接技術(shù)，避免系統(tǒng)長(zhǎng)期使用過(guò)程中產(chǎn)生熱積累，防止整個(gè)系統(tǒng)有熱濫用的隱患，同時(shí)關(guān)鍵匯流點(diǎn)的溫度監(jiān)控也是預(yù)防熱濫用的關(guān)鍵點(diǎn)。電氣方面，會(huì)在不同時(shí)間階段進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)可靠的繼電器、熔斷器、材料熔斷技術(shù)等手段保證在熱濫用時(shí)，能盡可能降低熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

在外部防護(hù)方面，先進(jìn)絕緣材料、防熱、防火材料的應(yīng)用使得外部的熱侵蝕不會(huì)使電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控。

機(jī)械濫用方面，們采用CAE建模仿真技術(shù)、復(fù)合材料聯(lián)合設(shè)計(jì)等手段，使得系統(tǒng)受到車輛碰撞擠壓時(shí)，保證整個(gè)電池系統(tǒng)內(nèi)部不形成由機(jī)械擠壓導(dǎo)致的短路失控，避免引起熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

在功能安全方面，設(shè)計(jì)滿足功能要求的BMS系統(tǒng)，在重要的功能點(diǎn)上可以達(dá)到ASIL-D（汽車安全完整性等級(jí)，A為最低等級(jí)、D為最高等級(jí)）的水平。在軟件方面開(kāi)發(fā)方面，嚴(yán)格遵循ASPICE（Automotive SPICE，面向汽車行業(yè)的流程評(píng)估模型）的規(guī)范，對(duì)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保軟件開(kāi)發(fā)的可靠性。

在第二階段，重點(diǎn)關(guān)注熱失控的識(shí)別。雖然通過(guò)獨(dú)立的單體電壓和溫度信息判斷熱失控不太容易，但是可以通過(guò)多個(gè)單體電壓和多個(gè)溫度點(diǎn)在有限時(shí)間的歷程數(shù)據(jù)信息的融合，進(jìn)行模式辨識(shí)，以準(zhǔn)確識(shí)別單體進(jìn)入熱失控的階段。

在識(shí)別出熱失控后，將在第一時(shí)間進(jìn)行單體熱失控抑制，首先切斷電池的回路，避免更多能量的釋放。其次，如果系統(tǒng)里具備滅火器，就要根據(jù)控制策略和環(huán)境條件判斷是否要觸發(fā)滅火器。但目前，水基滅火器的功能只能暫緩單體的燃燒，實(shí)際上大部分的熱量還需要通過(guò)導(dǎo)熱以及相應(yīng)的噴發(fā)路徑把熱量傳導(dǎo)出去。

在熱失控?cái)U(kuò)展方面，可以通過(guò)最新開(kāi)發(fā)的防火墻技術(shù)進(jìn)行熱失控?cái)U(kuò)展的阻斷，在單體發(fā)生熱失控時(shí)整個(gè)過(guò)程能夠被抑制在一個(gè)單體之內(nèi)。從整箱系統(tǒng)的測(cè)試上可以看到，系統(tǒng)在進(jìn)行短暫的噴煙之后，整個(gè)系統(tǒng)其實(shí)能夠恢復(fù)到不繼續(xù)燃燒的過(guò)程，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全。 

電池安全和動(dòng)力總成如何協(xié)同控制？

目前，動(dòng)力電池在和整車進(jìn)行安全協(xié)同控制開(kāi)發(fā)時(shí)，還存在很多問(wèn)題。例如在行駛過(guò)程中行車安全和電池系統(tǒng)安全如何協(xié)同，在大部分的情況下是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案的。

電池系統(tǒng)在熱安全保護(hù)方面分三個(gè)階段：誘因探測(cè)、單體熱失控識(shí)別和熱失控?cái)U(kuò)展抑制。這三個(gè)階段在整車運(yùn)行時(shí)分別采用何種防護(hù)策略一直存在爭(zhēng)議。例如，一輛車正在充電，可能在誘因探測(cè)階段就切斷了動(dòng)力電池的輸出，避免整個(gè)過(guò)程繼續(xù)往更嚴(yán)重過(guò)程發(fā)展，但如果車輛進(jìn)入低速行駛階段，這個(gè)問(wèn)題就開(kāi)始值得探討了。這種時(shí)候，我們一般采用的邏輯是誘因探測(cè)階段發(fā)出預(yù)警，限制使用功率，在熱失控識(shí)別階段會(huì)強(qiáng)烈報(bào)警，限制功率并且限時(shí)停止輸出，如果已經(jīng)進(jìn)入熱失控?cái)U(kuò)展抑制階段，會(huì)立即切斷輸出并且發(fā)出疏散警報(bào)。但當(dāng)車速上升到50km/h時(shí)，上述策略在大多數(shù)情況中很難和整車廠達(dá)到協(xié)同，或者說(shuō)，大家并沒(méi)有一個(gè)科學(xué)、系統(tǒng)、有效的解決方案，因?yàn)檐囕v處于高速的情況，行駛安全也是十分重要的保障因素，動(dòng)力電池已經(jīng)沒(méi)有獨(dú)自按照自己的設(shè)計(jì)需求切斷整個(gè)動(dòng)力輸出的權(quán)利了，這時(shí)候如何平衡電池系統(tǒng)熱安全和整車行駛安全之間的關(guān)系，包括車速在100公里以上的高速行駛階段，應(yīng)該采取什么樣的策略，這是十分想展開(kāi)探討的動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在整車的HMI（人機(jī)接口）方面，也存在動(dòng)力系統(tǒng)層面的協(xié)同問(wèn)題。例如一種控制策略是當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，發(fā)現(xiàn)故障會(huì)提出預(yù)警希望司機(jī)能夠降速行駛到路邊，以便使得電池的熱安全問(wèn)題不至于進(jìn)一步擴(kuò)展，但人機(jī)交互方面的設(shè)計(jì)是很困難的。當(dāng)電池系統(tǒng)探測(cè)到熱失控時(shí)，應(yīng)該以何種形式通知車內(nèi)人員，才能有效進(jìn)行疏散。

在碰撞過(guò)程中，整車的動(dòng)力系統(tǒng)也要和電池系統(tǒng)協(xié)同。現(xiàn)在裝備主動(dòng)安全系統(tǒng)的車輛越來(lái)越多，在預(yù)碰撞或者碰撞階段，整車電控系統(tǒng)能夠和動(dòng)力電池系統(tǒng)協(xié)同，例如安全氣囊ACU的信號(hào)是不是可以直接輸入到BMS，ADAS系統(tǒng)和EBS系統(tǒng)信息是否能夠和BMS共享，這樣在預(yù)碰撞或者碰撞階段，BMS能夠提前切斷動(dòng)力輸出，避免潛在的短路或高壓電安全事故。

充電過(guò)程中的安全協(xié)同還是比較清晰的，因?yàn)槌潆姷臅r(shí)候車是停止的，重要關(guān)注點(diǎn)在現(xiàn)有充電國(guó)標(biāo)中已定義得相對(duì)詳細(xì)，對(duì)充電過(guò)程的安全已經(jīng)有了很好控制基礎(chǔ)。此外，希望充電機(jī)能夠提供與BMS聯(lián)合低溫加熱和保溫的接口，使得充電過(guò)程中能夠避開(kāi)危險(xiǎn)充電的區(qū)間。在充電安全邊界的預(yù)防方面，當(dāng)充電機(jī)已經(jīng)意識(shí)到輸出功率過(guò)于巨大或輸出能量過(guò)多時(shí)（一般是BMS已經(jīng)失控或失效），充電機(jī)應(yīng)該自動(dòng)中斷充電過(guò)程。如果已經(jīng)探測(cè)到熱失控，也能夠通過(guò)充電機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)接口進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，避免在地下無(wú)人值守充電時(shí)導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)事故。

（根據(jù)會(huì)議發(fā)言整理）

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