车用锂离子动力电池系统的安全性

车用锂离子动力电池系统的安全性

刘彩秋 王亮

力神动力电池系统有限公司 天津 300384

摘要：锂离子动力电池作为新一代环保、高能电池，已成为目前新能源汽车用动力电池主流产品。在汽车大规模推广和应用的新能源中，锂离子动力电池的应用最为广泛，而在新能源电池的推广应用过程中，除了新能源价格的高低，使用寿命的长短等多方面需要考虑，动力电池系统的安全性是最为重点关注的问题。

关键词：锂离子；安全性；动力电池；新能源

电动汽车是新能源汽车的主体，包括纯电动汽车，混合动力汽车和燃料电池汽车。动力电池是电动汽车的重要动力来源，动力电池的安全性是电动车发展过程中首先要考虑和解决的问题。锂离子电池因其具有高比能量、低自放电率及长寿命的特点，是目前最具实用价值的电动汽车用动力电池。

一、车用锂离子电池系统

车用锂离子电池系统一般由电芯及电池组、电池管理系统(BMS)、高压电安全系统(直流接触器、熔断器、预充电电阻)、冷却系统和检测单元(电流传感器、电压传感器和温度传感器)等组成,如图1所示。

1.电芯及电池组。一个典型的锂离子电芯主要包括正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等,常用电芯形状主要有圆柱形和方形。为了满足整个电池系统的电压、能量和功率要求,电池组一般是由若干个电芯按照串联或并联的方式组合起来,同时,为了对电芯的温度、电流、电压、荷电状态(SOC)等信息进行实时监测,又可以把电池组分成若干个模块,各电芯和模块之间以一定方式科学合理组合,保证整个电池组的电性能、热平衡和散热要求。

2.电池管理系统BMS。电池管理系统(BMS)用来监控和保护电池的运行状态,应该能精确检测电池的参数,包括:单体电压、模块电压、电流、温度。利用电池模块和电池系统的信息估算并上传荷电状态SOC,寿命状态SOH(State Of Health),当前可用充放电功率SOP,并执行对接触器的控制。在分布式BMS系统中,通常包括若干电芯监控单元（CSC）和电池系统主控单元(BMU)。CSC主要功能有:(1)单体/模块电压采集:一个模块由若干个电池单体串并联组成,并由一个CSC监控,每个CSC采集模块内各个单体的电压和整个模块的电压;(2)模块内平衡:CSC根据判断模块内各个单体的电压,通常是通过电阻放电的形式,消除模块间容量的差异;(3)电池模块温度检测:CSC测量若干点模块内电池的温度;(4)CAN通信:CSC将采集到的数据上传给BMU。BMU主要功能有:(1)系统电压测量:BMU采集整个系统的总电压;(2)电流测量:BMU采集整个系统的电流,通常通过分流器(shunt)或者霍尔器件(Hall);(3)绝缘检测:BMU测量电池组对车身地(vehiclechassis)之间的绝缘电阻,可通过三电压法等方式;(4)SOC预测功能:在实时充放电过程中,在线估算电池组容量,随时估算电池系统的剩余容量百分比;(5)SOH预测功能:根据实际的运行累积状况,给出蓄电池系统的健康状态，如容量,内阻,循环寿命,日历寿命的衰减评价等;(6)可充放电功率计算SOP:BMU通过不同SOC,温度来计算当前整车可以放电和充电的功率;(7)故障保护及处理:过电流、过压、欠压、过温、单体间电压/温度不平衡。在故障出现时,BMU通知给整车管理系统VMS,请求降功率运行或关断充放电回路;(8)预充电:BMU在闭合高压接触器时,先对高压母线预充电;(9)模块间平衡:BMU通过命令控制CSC,来补偿不同模块间的容量差异;(10)热管理:BMU通过电池温度检测,实现对散热装置的控制(如风冷,控制风扇的转速);(11)通讯功能:BMU采用CAN总线的方式分别与子系统模块、VMS及充电机进行通讯交互;(12)充电管理:BMU与充电交互，选择充电方式，调节充电制式，监控充电安全。

二、锂离子电池安全性技术的发展

在一定的程度上为了减少不安全的行为发生，在多方面都要提高锂离子电池的安全性。常规方法，是在安全性能的设计上，PTC限流，在压力上设置安全阀，材料选择时提高其热稳定性等等。通过锂离子电池安全事故分析，为解决锂离子电池的事故发生，重点需要探究：预防电池内部短路、防止过度充电、防止过热、防止电池自燃等等方向的技术，在电池自激发上建立起安全保护的机制。

1.防短路。可以使用保护涂层，材质如：陶瓷隔膜，负极热组层。

2.防过充。采用氧化还原电对O/R的添加剂，使得电池内部产生化学反应的循环，从而，让电池的电势在充电的时候限制在一个安全值上，抑制电解质与电极反应。添加剂可以利于单位电池的容量保持一个平衡的状态，预防电池过度充电。除了使用氧化还原电应对添加剂意外，还可以使用使电压敏感的隔膜，可使正负极形成导电桥，称为充电电流的旁路，避免了电池过度充电。

3.防止热失控。使用PTC电极，在常温下，导电炭黑良好的接触，运输电子顺利，导电状况良好；在高温下，PTC涂层电阻瞬间增大，切断电流，防止电池继续反应，防止电池因热而失控导致事故。除此之外还可以使用热封闭电极和热固化电池，均可在高温下，终止电池继续发生反应。

三、锂离子电池安全问题及事故防范

增加对电池安全性的检测频率，在锂离子动力电池销售前，需满足电池的安全性检测的标准，通过国家相关安全性测试标准的测试认证，可以大大减少锂离子电动电池出现安全性事故的发生。当然，即使电池通过了国家电池安全测试的相关检测，电池也不是绝对安全的。系统地总结锂离子电池动力安全性能故障，并且针对各种故障，重视动力电池的安全性能的设计。增加对动力电池系统安全上的监视，在锂离子电池运行的过程中，进行妥善的科学的管理和监控，防止滥用动力电池，对于可能发生的动力电池的安全事故进行隐形预警和监控。科学的开发和使用车用锂离子动力电池的管理系统，做到实时、有效、全方位地对锂离子动力电池的安全系统进行监控。

动力电池管理系统需要评估其电池工作状态、电池量剩余、电池寿命状态、工作荷电状态，以及电池使用的安全状态等。当电池组单体出现异常时，需要预警和故障处理，均衡电池一致性问题。与此同时，动力电池管理系统需要对电池温度进行实时监控，设计出有效科学的温度热管理系统，使得电池温度处于安全状态，避免低温充电和超高温充电导致的热失控，并维持在电池最佳工作温度环境，较好的烟瘴电池使用寿命并提高使用安全性。电池寿命差异较大，随着寿命衰减电池系统的安全性也逐步降低，因此要开发电池寿命相对应的科学算法，计算电池的寿命，避免电池老化后导致的安全事故。另外，研究电池内部短路机理，进行相关参数监控，当电池出现安全问题的时候，提前自动预警，提前进行安全管控，极大减少热失控和热扩散发生。随着锂离子动力电池的比能量的提高，单次安全性事故造成的危害会增大；电动汽车的大规模普及也将使安全性事故发生的频率增多。必须重视锂离子动力电池系统的安全性问题，绝不能通过牺牲电池系统的安全性来降低生产成本。

参考文献：

[1]王月.动力电池的研究现状及发展趋势[J].云南冶金，2017，39(2)：75-80.

[2]李娜.车用锂离子动力电池系统的安全性[J].稀有金属与硬质合金，2017，33(3)：42-45.