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新能源汽車自燃頻發,BMS如何保障動力電池安全?

Hobby觀察 ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:梁浩斌 ? 2022-06-23 09:00 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/梁浩斌)2021年國內新能源汽車保有量以及銷量突破新高,增長的趨勢在2022年繼續爆發。中汽協上周發布的數據顯示,今年1-5月,國內新能源汽車累計產量達到207.1萬,同比增長114.2%;銷量也超過200萬,同比增長111.2%。

但新能源市場的火熱下,汽車自燃頻率也在持續提高。根據國家應急管理部消防救援局的數據顯示,今年第一季度,國內接報的新能源汽車火災事件共計640起,相比去年同期增加了32%,這個比例要高于普通交通工具8.8%的平均增幅。

按照這樣的趨勢,電動汽車自燃數量隨著保有量增長,可能還會持續出現。實際上,作為能量存儲的一種形式,動力電池就跟燃油一樣,不可能完全保證百分百安全可靠,只能通過多種安全措施,來將發生自燃的可能性盡可能降低。那么要降低電動汽車上動力電池的自燃概率,我們要解決哪些問題?

解決問題之前,當然要先了解出現問題的原因,也就是動力電池自燃的原因。從電池系統的角度來說,發生燃燒的原因基本只有三種:電芯由于不斷積累溫度升高,引發放熱副反應,導致熱失控引燃電解液和周邊電池;由于高壓回路短路,導致溫度過高引燃電池;外部燃燒導致動力電池系統熱失控。其中后兩種都是屬于外部原因,包括進水、異物穿刺等導致短路,或來自外部的熱源等。

而沒有受到外力作用下的自燃,基本上就是電芯本身的放熱副反應導致的熱失控。比如在電芯溫度在高強度放電下,熱量持續積累無法釋放,內部溫度不斷升高之后,在不同溫度下,電芯內部材料會發生不同程度的分解。比如三元鋰電池的正極在超過180°時,就會開始分解,并大量釋放氧氣,這是最佳的助燃劑,后續很容易導致一系列的連鎖反應,最終從一個電芯波及到整個動力電池系統的燃燒。

目前應對這種可能的自燃現象,一般有幾種措施,包括用阻燃材料將各個電芯分隔開,將單個電芯的熱失控影響控制在一定范圍內;提前對已經出現的熱失控發出預警,或通過一些補救措施盡量降低損失;更換放熱副反應更小的電芯材料;而最重要的是,通過電池熱管理系統,對電芯進行監測,并進行散熱、加熱等工作保持電芯處于一定溫度范圍內。

電池熱管理系統,就是BMS(電池管理系統)下的一個子系統,BMS通過傳感器,對電芯的溫度、電壓、電流、以及電池組電壓等數據的監測,利用監測數據來控制散熱系統或電池組充電、放電的功率等等,以控制各電芯溫度在穩定水平內。

一般來說,BMS系統包含多個部件的互相配合,包括數據采集模塊、計算模塊等等,其中會用到包括AEF(采集電芯電壓、溫度等信息)、用于計算電池電荷狀態(SOC)的MCUMOSFETPMICADC等。

我們在一些賽道測試中可以發現,電動汽車往往在激烈駕駛一段時間后,會被系統限制動力,這就是BMS的作用之一,通過限制放電功率來避免電芯過熱。

另一方面,在很多會帶來電池熱失控風險的環境下,BMS也會起到安全防線的作用。比如充電截止電壓超過了電芯允許的最大電壓,就會造成內阻快速升高,導致大量充入電池的能量通過熱量釋放出來。過充還會導致析鋰現象,造成電池嚴重損耗,電池容量下降且壽命縮短。

而動力電池還有可能有“過放電”的行為,比如一組電池組中,部分電芯單體電壓相對較低,在本身低電量下,被串聯的其他電芯強制繼續放電,就可能出現“過放電”現象。在過放電過程中有可能會生成銅枝晶穿透電池兩極隔膜,導致電芯內部短路。

所以對于過放或者過充兩種情況來說,BMS中對電池SOC的計算,就是防止電池熱失控的一個保障指標。SOC準確程度,同時也是衡量BMS的一個重要維度。

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