1.熱失控原因分析

電池發(fā)生熱失控的機(jī)理多樣且復(fù)雜[1]，通過單一變量很難引發(fā)熱失控。熱失控的原因大致可以分為3類[2]：

（1）電池受到外部因素的影響，例如汽車磕碰后進(jìn)水導(dǎo)致電池殼體腐蝕，連接處松動(dòng)導(dǎo)致局部過熱或者異常打火等；

（2）電池濫用，電池核心的控制邏輯出現(xiàn)問題，超過使用邊界，例如電池過充過放等導(dǎo)致熱失控；

（3）電池本身導(dǎo)致車輛發(fā)生問題，例如電池存在金屬雜質(zhì)，出現(xiàn)析鋰，內(nèi)部極片變形等，這種情形通過電熱信號(hào)很難發(fā)現(xiàn)和預(yù)防。

2.安全預(yù)警主流算法模型分析[3-4]

（1）電化學(xué)模型，即通過電池本身的電化學(xué)特性進(jìn)行安全預(yù)警，例如通過電池異常自放電、電池內(nèi)阻、電池容量等進(jìn)行判斷；

（2）統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，即通過電池成組后的不一致性進(jìn)行安全預(yù)警，例如通過電池壓差、溫差、SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）不一致等進(jìn)行判斷；

（3）大數(shù)據(jù)模型，即通過特定的樣本進(jìn)行模型數(shù)據(jù)訓(xùn)練，例如對(duì)失效車輛和正常車輛進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)提取，搭建模型后對(duì)其他車輛進(jìn)行識(shí)別；

（4）結(jié)合其他信息，主要通過故障信號(hào)進(jìn)行判斷，例如絕緣、采集異常等。

? ? ? ?各類電池失效與安全預(yù)警算法的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

? ? ? ?由于安全預(yù)警困難，一些生產(chǎn)廠家增加了傳感器，例如壓力傳感器、氣體成分傳感器等[5]，以獲取多重信號(hào)提升異常車輛辨識(shí)度。

3.模型數(shù)據(jù)分析

? ? ? ?車輛的安全預(yù)警是指在車輛發(fā)生安全故障前，用戶和廠家提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避手段。例如車輛發(fā)生故障前，其成組的不一致性會(huì)升高[6]，達(dá)到某個(gè)設(shè)定的閾值后，車輛會(huì)發(fā)生安全故障。

? ? ? ?（1）由外部因素導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀梢酝ㄟ^相應(yīng)的傳感器單一模式或者組合模式進(jìn)行預(yù)警判斷。例如電池局部過熱，通過長時(shí)間的單一溫度傳感器信號(hào)識(shí)別溫度偏離進(jìn)行預(yù)測(cè)，其成本較高、識(shí)別難度不大，但識(shí)別準(zhǔn)確率不高。

? ? ? ?（2）電池濫用導(dǎo)致的熱失控問題發(fā)生較少，技術(shù)的不斷進(jìn)步正在規(guī)避此類問題，電池過充過放不常見，此類超過電池使用范圍的現(xiàn)象通過單一的電壓信號(hào)可以被預(yù)測(cè)。

? ? ? ?（3）電池本身的問題通過信號(hào)組合很難進(jìn)行識(shí)別，電池同時(shí)受溫度、電壓、電流、壓力等因素影響，并且內(nèi)部制造工藝很難篩查出隱患[4]，目前有效的容量、內(nèi)阻等預(yù)警算法模型識(shí)別度不高，有些車輛存在無法識(shí)別的情況。

? ? ? ?選取1輛發(fā)生了安全故障的車輛進(jìn)行分析，采集失效時(shí)行車數(shù)據(jù)和失效前充電的數(shù)據(jù)，繪制電池?zé)崾?、熱失效時(shí)的數(shù)據(jù)，如圖所示。

? ? ? ?如圖1（a）所示，車輛發(fā)生失效前充電數(shù)據(jù)正常，電壓無波動(dòng)，內(nèi)部壓差在50 mV以內(nèi)（充電過程中最高單體電壓值減去最低單體電壓值），無電池濫用情況；

圖1（b）為車輛發(fā)生失效時(shí)最低單體電壓出現(xiàn)明顯下降（10 s內(nèi)由4.128 9 V下降到4.055 9 V，隨后持續(xù)下降到3.360 8 V），但除了熱失控信號(hào)外，無其他明顯數(shù)據(jù)特征；

圖1（c）為車輛失效前充電溫度無異常超溫，絕緣和碰撞信號(hào)無波動(dòng)，數(shù)值分別為4 000和0，為正常信號(hào)；

圖 1（d）為車輛失效時(shí)溫度異常升高（10 s內(nèi)由29 ℃升高到40 ℃，隨后持續(xù)升高到125 ℃），電池發(fā)生熱失控，但其他信號(hào)無表現(xiàn)。

綜上，電池?zé)崾r(shí)有明顯的電壓特征（電壓突然下降），但在失效前充電和行車（放電）模式下，數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯異常，排除電池外部因素和電池濫用的情況，推斷是由電池內(nèi)部引發(fā)。

4.模型設(shè)計(jì)

? ? ? ?采用COMSOL進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，通常車企為了控制成本會(huì)為每個(gè)電池模塊布置1～2個(gè)溫度傳感器，無法實(shí)現(xiàn)每個(gè)單體電池溫度的完全檢測(cè)，并且在上例失效數(shù)據(jù)中絕緣和碰撞信號(hào)都無異常，所以設(shè)計(jì)的模型主要考慮電池充放電過程中的電壓損失；由于無法獲取電芯內(nèi)部電化學(xué)參數(shù)（電導(dǎo)率，體積擴(kuò)散系數(shù)等），所以采用COMSOL中集總電池加優(yōu)化模塊進(jìn)行模型設(shè)計(jì)[8]。

電池電壓在充放電過程中的變化需要考慮歐姆內(nèi)阻、電池活化反應(yīng)、濃差極化情況。? ? ??

? ? ? ?式中：J為正負(fù)電極表面上的電荷交換電流，初始設(shè)定為J0，取值1；asinh函數(shù)返回參數(shù)的反雙曲正弦值；R為摩爾氣體常數(shù)，取值8.314 472 J/(mol?K)；T為溫度，取值298.15 K；F為法拉第常數(shù)[9]，取值（96 485.332 89±0.000 59）C/mol。? ? ? ?

? ? ? ?綜上，電池仿真電壓Ecell?[9]為

?預(yù)警模型進(jìn)行模擬電壓與實(shí)際電壓對(duì)比，在評(píng)估仿真可靠性時(shí)，引入MSE（Mean Squared Error，均方誤差）計(jì)算預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)誤差平方和的均方根值

5.安全預(yù)警

? ? ? ?利用COMSOL建立的預(yù)警模型如圖所示，可以實(shí)現(xiàn)電池失效前特征提取以及失效時(shí)異常情況判斷，實(shí)現(xiàn)提前安全預(yù)警。

6. 結(jié)? 論

參考文獻(xiàn)

[1]鄧原冰.鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э丶捌漕A(yù)警機(jī)制的試驗(yàn)與仿真[D].?武漢:華中科技大學(xué)，2017.

[2]姚銀花. NCM三元鋰動(dòng)力電池?zé)崾Э匮芯颗c仿真 [D]. 西安:長安? 大學(xué)，2018.

[3]崔江偉.電動(dòng)汽車鋰電池?zé)崾Э販y(cè)控技術(shù)[J]. 汽車博覽，2021(1):150.

[4]劉木林，卜凡濤，林輝，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э剡^程分析及預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020(5):15-17.

[5]周斌，張衛(wèi)國，崔文佳，等.考慮預(yù)警負(fù)荷的電動(dòng)汽車充放電優(yōu)化策略[J]. 電力建設(shè)，2020，41(4):22-29.

[6]張彩萍，杜玖玉，徐石明，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)多尺度安全預(yù)警方法研究[J]. 中國基礎(chǔ)科學(xué)，2019，21(z1):69-78.?

[7]張晶，時(shí)瑋，張?jiān)牵?電動(dòng)汽車充電過程安全因素及動(dòng)態(tài)預(yù)警[J].電源技術(shù)，2019，43(5):861-863，868.

[8]常小幻. 鋰離子電池產(chǎn)熱特性和散熱管理的研究[D]. 四川:電子科技大學(xué)，2016.

[9]COMSOL案例教程.瞬態(tài)集總電池模型的參數(shù)估計(jì)[ER/OL]. https://cn.comsol.com/model/download/797931/models.battery.lumped_li_battery_parameter_estimation.zh_CN.pdf.

[10]郭晨，馬念茹. 基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的混合介質(zhì)電特性研究[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2020，30(6):177-180.

來源：《北京汽車》?

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