動(dòng)力電池領(lǐng)域功能安全現(xiàn)狀分析
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-15 10:44
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新能源汽車動(dòng)力電源主要由電能/能量存儲(chǔ)單元、能量轉(zhuǎn)換模塊及發(fā)電單元(燃料電池、發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī))、電源管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、內(nèi)外部封裝系統(tǒng)、連接裝置等構(gòu)成。
目前，主流新能源汽車二次電池的電能存儲(chǔ)單元主要包括鎳氫電池、鋰離子電池。動(dòng)力電源系統(tǒng)的安全管理技術(shù)的實(shí)施需要高精度、復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)(BMS)，應(yīng)該具有以下基本功能：
1)動(dòng)力電池碰撞斷電保護(hù);
2)動(dòng)力電池高壓電安全防護(hù);
3)動(dòng)力電池充放電安全管理;
4)動(dòng)力電池濫用防護(hù)；
5）動(dòng)力電池故障診斷處理。
因此，相應(yīng)的功能安全要求很高，重點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面。
動(dòng)力電池碰撞斷電保護(hù)
根據(jù)GB /T 31498—2015《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》，電動(dòng)汽車碰撞后安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括:
1)整車母線電壓、母線搭鐵電壓滿足交流不大于30V 和直流不大于60 V;
2)電能要求高壓母線上的殘余總電能應(yīng)小于0.2 J;
3)碰撞后車輛所有高壓設(shè)備應(yīng)有IPXXB 級(jí)別的物理防護(hù)
4)高壓絕緣電阻滿足GB/T18384.3-2001《電動(dòng)汽車安全要求》;
5)動(dòng)力電池電解液泄漏量、動(dòng)力電池移動(dòng)位移應(yīng)滿足相應(yīng)的要求;
6)碰撞發(fā)生后30 min 內(nèi)不得起火、爆炸。
因此，開發(fā)符合ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)力電池碰撞斷電保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于盡量縮短響應(yīng)時(shí)間( 包括碰撞信號(hào)的采集、確認(rèn)以及執(zhí)行器執(zhí)行整車切斷高壓電指令的時(shí)間)，響應(yīng)時(shí)間越短，系統(tǒng)安全性越高。
在ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)中，要求的電氣安全防護(hù)涉及主動(dòng)保護(hù)和被動(dòng)保護(hù)2 種方式。與碰撞斷電保護(hù)相關(guān)的主動(dòng)安全保護(hù)方案主要有3 種：
1)利用CAN 總線通信實(shí)現(xiàn)碰撞斷電保護(hù)。安全氣囊ECU( SＲS ECU) 采集碰撞傳感器發(fā)送的碰撞信號(hào)后，判斷該碰撞信號(hào)是否達(dá)到閾值。在確認(rèn)達(dá)到閾值后，置相應(yīng)控制引腳為低電位。主控制器監(jiān)測(cè)到SＲS ECU 信號(hào)引腳電平變化(由高變低)，同時(shí)以一定速率向BMS 發(fā)送碰撞報(bào)文。當(dāng)BMS 接收到3 幀以上有效碰撞報(bào)文后，即切斷整車高壓回路。
2)用PWM 波實(shí)現(xiàn)碰撞斷電保護(hù)。為避免方案1) 中SＲS ECU 信號(hào)引腳電平受外界電磁干擾出現(xiàn)碰撞誤報(bào)警情況，采用具有一定時(shí)序的PWM 波替代SＲS ECU 碰撞信號(hào)。當(dāng)BMS 連續(xù)檢測(cè)到2 個(gè)以上完整的PWM 碰撞脈沖后，確認(rèn)碰撞發(fā)生，立即切斷整車高壓回路。
方案3)是方案1) 和2) 的綜合:采用信號(hào)冗余確保碰撞保護(hù)。SＲS ECU 同時(shí)發(fā)送PWM 波和CAN報(bào)文至BMS，當(dāng)BMS 判定兩路碰撞信號(hào)中，任一路信號(hào)有效，即執(zhí)行切斷高壓電指令。
與碰撞斷電保護(hù)相關(guān)的被動(dòng)安全保護(hù)方案是:將碰撞開關(guān)串入高壓互鎖回路(HVIL)，慣性開關(guān)在碰撞發(fā)生時(shí)被觸發(fā)，切斷HVIL 回路。除了上述的電氣安全防護(hù)措施外，動(dòng)力電池組碰撞斷電保護(hù)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安全防護(hù)，如采用U 形安裝支架、防撞加強(qiáng)筋、防撞支架等。
動(dòng)力電池高壓電安全防護(hù)
在GB /T 18384.1—2001 以及IEC 60479—1:2005 中，對(duì)電動(dòng)汽車高壓安全提出的要求如下:
1)接觸電壓不允許超過36 V( 人體安全電壓) 且漏電電流不允許超過30 mA·s(人體安全閾值);
2)絕緣電阻阻值除以標(biāo)稱電壓值的最低值為100 Ω/V，最好大于500 Ω/V;
3)接通時(shí)需進(jìn)行預(yù)充電，避免瞬態(tài)高壓電沖擊;
4)確保高壓接觸器斷開時(shí)間在20 ms 內(nèi);
5)電源斷開1 s 后，任何可觸及的導(dǎo)電部分和地之間的交流峰值不能高于42.4 V，直流電壓應(yīng)低于60V，且存儲(chǔ)能量應(yīng)小于20 J。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用加強(qiáng)基本防護(hù)、繼電器控制、碰撞開關(guān)、高壓互鎖、高速斷電管理、高壓回路安全監(jiān)測(cè)、高壓電系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)等措施來滿足ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)力電池高壓安全防護(hù)要求。
超威動(dòng)力作為鉛酸電池行業(yè)的標(biāo)桿企業(yè)之一，堅(jiān)持提供高品質(zhì)及高規(guī)格的產(chǎn)品，致力提高生產(chǎn)工藝，保持高效率并履行和促進(jìn)「綠色生產(chǎn)」的承諾，使集團(tuán)保持在中國內(nèi)電動(dòng)自行車、電動(dòng)三輪車及特殊用途電動(dòng)車等電池市場的領(lǐng)先地位。報(bào)告期內(nèi)，電動(dòng)自行車電池銷售收入約達(dá)人民幣83.83億元，同比增加約21.6%，占集團(tuán)總收入約62.7%；電動(dòng)三輪車電池及特殊用途電動(dòng)車電池的銷售收入約達(dá)人民幣36.06億元，較去年同期比較上升約45.7%，占集團(tuán)總收入約27.0%。鋰離子電池產(chǎn)品方面銷售收入約人民幣1.78億元，同比上升約88.0%，占集團(tuán)總收入約1.3%。
超威動(dòng)力表示，2018年上半年，電池行業(yè)經(jīng)歷持續(xù)整合和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。集團(tuán)作為行業(yè)的龍頭企業(yè)之一，將依托綜合實(shí)力，持續(xù)提高產(chǎn)品品質(zhì)和性價(jià)比，增強(qiáng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的核心競爭力，鞏固行業(yè)領(lǐng)先地位。將繼續(xù)采取戰(zhàn)略性生產(chǎn)布局，致力完善分銷網(wǎng)路、提升營運(yùn)效率、減低倉儲(chǔ)及物流開支，同時(shí)靈活把握市場動(dòng)態(tài)，有效瞄準(zhǔn)和把握目標(biāo)消費(fèi)群，加強(qiáng)品牌建設(shè)，著力提升品牌軟實(shí)力，實(shí)現(xiàn)將「超威」成為知名電池品牌為最終目標(biāo)。
動(dòng)力電池充放電安全管理
動(dòng)力電池充放電安全功能主要由充電系統(tǒng)、整車控制器(VCU)、BMS 和電機(jī)控制器(MCU)配合保障。MCU 提供電能使用/回收相關(guān)信息;BMS 提供電池系統(tǒng)的狀態(tài)/故障信息;VCU 匯總以上信息，對(duì)充放電相關(guān)參數(shù)(功率、電流、電壓、溫度等) 解耦處理后，進(jìn)行電池安全邏輯判斷，再將充放電指令發(fā)送至電能管理系統(tǒng)。電能管理系統(tǒng)( 由VCU、BMS、MCU 的相關(guān)功能部分和充電機(jī)構(gòu)成) 根據(jù)VCU 的指令完成滿足動(dòng)力電池安全管理的充放電動(dòng)作。
為符合ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施流程，需要對(duì)充放電過程中可能存在的故障及影響程度進(jìn)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(jí)作為主要參數(shù)制定相應(yīng)的安全管理策略。
1)針對(duì)某些對(duì)安全不構(gòu)成影響的輕微故障(如單體電壓差大于10 mV，不超過20 mV)，可以報(bào)警，而不限制充電參數(shù);
2) 針對(duì)某些故障( 如SOC偏離設(shè)定值、電池溫度高于設(shè)定值等)，在報(bào)警的同時(shí)，適當(dāng)降低充電功率;3)針對(duì)某些危險(xiǎn)故障(如反接、極高壓、短路、溫度極高、溫升極快、冒煙、著火等)，應(yīng)立即斷電。放電過程中，安全管理策略由VCU 采集BMS、MCU 提供的電池狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，解析駕駛意圖，發(fā)出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)指令，使得電池的放電強(qiáng)度、SOC /SOH/SOF 相關(guān)參數(shù)在標(biāo)定范圍內(nèi)運(yùn)行。
為了從起始狀態(tài)起，有效管控電池組的安全，必須采取實(shí)時(shí)的故障診斷措施，并采用合理的安全管理策略，才能滿足ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的充電安全的要求。
動(dòng)力電池濫用防護(hù)
電池濫用包括短路、過放、火燒、浸水、振動(dòng)、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(yīng)設(shè)法避免濫用工況出現(xiàn)。在電芯及電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造過程中，應(yīng)該采用本質(zhì)安全的材料與方法來滿足ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的電池容忍濫用工況的要求。
動(dòng)力電池故障診斷處理
電池故障診斷處理屬于主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)。通過采集風(fēng)速、車速/加速度、電池電壓/電流/溫度場/氫氧氣濃度等信號(hào)，由BMS 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)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(yīng)控制信號(hào)。
為滿足ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的要求，故障診斷處理至少應(yīng)該包含以下基本項(xiàng)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(jù)整車設(shè)計(jì)與電池系統(tǒng)的具體要求，納入故障診斷的項(xiàng)目還應(yīng)包括總電壓過高/低、SOC 值高/低、內(nèi)外部通信接口故障、電池連接松動(dòng)等故障。
