電動汽車動力電池狀態實時監測及安全防護方法研究

馮婧

（西安汽車科技職業學院 710068)

電動汽車的3大組成部分是動力電池、電機及電控系統。動力電池屬于電動汽車核心部件，其性能好壞直接決定電動汽車的續航里程及使用成本。動力電池管理系統中最基本的功能是電池狀態監測，內容包括電壓、電流及溫度等[1]。

1 動力電池電壓監測

在監測動力電池的電壓、電流及溫度3種物理量中，電壓監測相對于電流及溫度監測信息量很大。動力電池監測主要在于電壓采集精度指標，但是精度指標并不是越高越好，精度高的器件成本高，難以產業化，而且采集數據時間長，影響數據的實時性及同步性。動力電池采集的精度與數據用途有關，如電壓數據是用于過電壓保護的，由于磷酸鐵鋰電池的電壓在3.2～3.3 V之間，而高電壓門限在3.6 V以上，所以電壓采樣精度要求相對較低。電壓數據如果用于顯示，由于數據的微量差異化對駕駛員影響不大，所以數據采樣精度要求也不高。但剩余電量對車輛的行駛有較大影響，所以數據精度要求較高。

2 動力電池電壓采集方式

動力電池管理系統必須實時監測動力電池的電壓，以保證電動汽車正常和安全行駛。電壓數據的獲取是通過電壓采集電路及A/D轉換電路實現的。因串聯電池組的整體性能取決于電池組單體電池狀態，需實時監視串聯電池組中單體電池狀態，以實現對串聯電池組有效管理。

動力電池充電和放電方式的選擇、剩余電量的計算、運行狀態評估及電池性能的分析，是體現單體動力電池工作狀態的基本依據。動力電池管理系統對每個單體或多個單體進行精確測量，可以有效避免動力電池的不均衡性帶來的局部過充、過放所引起的安全問題。傳統電壓采集方式為利用繼電器和電容隔離處理、浮動技術測量電池端電壓、共模檢測法和差模檢測法。其他測量方式為基于專用芯片的電壓采集方式、基于繼電器及共享A/D芯片的輪流采集方式、基于精密電阻的分壓方式和每個動力電池分配電壓采集前端方式。

3 動力電池電流檢測

3.1 電流檢測特點

因為動力電池串聯使用，所以電流采樣的通道少，電流采樣頻率對于剩余電量的評估精度及系統安全性有重要影響，所以采樣頻率要更高[2]。

3.2 動力電池電流監測精度問題

為保障電動汽車的安全，動力電池管理系統對充放電設置限制，一旦工作電流超過限制電流，系統則啟動保護措施。實際工作中，電流變化范圍較大，且存在動態變化性，儀表顯示數據存在少量的偏差，對駕駛員正確判斷不會造成太大負面影響。當車輛處于靜態時，駕駛員對數據誤差的絕對值是較為敏感的，此時對電流監測精確度要求較高。在電流采樣頻率高的情況下，利用電流積分法評估剩余電量的精度。

3.3 基于分流器的電流監測

分流器實際上就是一個阻值很小的電阻，其精度高且溫漂小，當電流流過分流器時，可通過測量其兩端的壓降計算出電流的大小。例如需要在分流器上產生75 mV壓降，分流器的阻值為0.25 Ω，因75 mV數值太小，需要在A/D轉換之前加上放大電路。

3.4 利用霍爾效應檢測電流

可以利用霍爾效應測量各種電流，需要注意3個方面的問題：第一，放大電路，霍爾效應的工作原理是電磁感應現象，通過控制磁場和電流變化獲取電壓值，需要對電壓信號進行放大，以提高電流的測量精確度；第二，霍爾電流傳感器的標定，傳感器在實際工作時存在系統誤差，導致輸出電壓的零點并非對應電流的零點，I-U曲線是一條直線，但實際工作時可能是曲線，所以需要對霍爾電流傳感器進行標定；第三，電流輸出量程的選擇，需要根據電動汽車實際的需要選擇合適的量程，為獲取更大的電壓范圍，在設計或者選擇霍爾傳感器時，盡量選擇大的工作電流。

4 動力電池溫度監測

溫度對動力電池的工作影響較大，過低或過高的溫度均易損壞動力電池。動力電池管理系統中需要對動力電池溫度、環境溫度和動力電池箱溫度進行實時監測，從而延長電池使用壽命。受系統工作的影響，溫度監測同樣存在誤差，在小范圍內的誤差，不會產生嚴重的影響，對剩余電量的評估影響不大。但是溫度監測易受電磁干擾，最好的解決辦法是加入數字濾波器，濾除高頻信號。

5 動力電池系統安全分析

動力電池管理系統是根據動力電池的單體電壓、總電壓、電流和溫度等信息，對動力電池運行狀態進行評估與預測，判斷動力電池的狀態。

5.1 動力電池系統的安全特征

動力電池系統作為高能量載體，在不需要外部能量輸入的情況下，本身因能量非正常釋放而產生巨大破壞威力。能量非正常釋放的表現形式主要包括燃燒或爆炸的化學能釋放情況。燃燒過程的能量轉換包括化學能轉化為熱能和光能等，而爆炸過程則是化學能轉化為熱能和光能，并伴隨著巨大的機械能。

燃燒及爆炸兩者均需要具備可燃物、氧化劑及火源等基本因素。燃燒和爆炸本質相同，區別在于二者氧化反應速度不同。動力電池的化學特征包括：電池的電解液及塑料部件具有可燃性，金屬鋁在高溫下也可以燃燒；電池的正負極材料均為氧化劑；電池組釋放的能量會引起溫度快速上升成為火源。動力電池的機械特性包括：電池空間成密閉空間，可以防塵防水；電池殼體材料具有足夠的強度，可以耐受劇烈的機械負荷[3]。

5.2 點擊分析

動力電池是非安全電壓的直流電力系統，造成的點擊危害為人體直流觸電。構成直流觸電的基本要素包括：電壓等級超過安全電壓；存儲電荷達到足以致命的能量級別；人體與高壓直流電構成放電回路。導致動力電池發生人體觸電的原因是，外殼或高壓端口的接觸防護失效或者正負極與殼體絕緣失效，人體接觸二者亦可造成回路而觸電。在安裝、拆卸和充電時均需注意安全防護，避免觸電事件的發生。

6 動力電池的安全防護功能

動力電池事故來源于因碰撞引發的短路、電路連接故障、電池進水引發的短路、電池漏液引發的短路及電池過充電等[4]。

6.1 動力電池的安全性

動力電池受熱到一定溫度后就會不可控制，溫度就會急劇上升，一旦超過500℃就會燃燒爆炸，該現象稱為動力電池熱失控。動力電池熱失控的原因主要包括：溫度上升觸發動力電池內部發生副反應，使溫度急劇上升，進而產生動力電池熱失控；動力電池外部短路、背部短路及過充電燈都會產生大量的熱，產生電觸發引起的熱失控；車輛在發生劇烈碰撞時，擠壓導致動力電池發生短路，造成熱失控。一旦產生熱失控就會產生大量的熱，引起一系列的內部反應，最終造成爆炸。

6.2 動力電池的安全防護功能

BSM直接對電源系統進行管理或接收整車多能源管理系統的指令，對電源系統進行控制和保護，動力電源系統安全保護功能就是通過BSM來實現的。安全管理的主要功能包括：在車輛維護的狀態下切斷動力電池系統電源；在車輛進行維護保養時能夠釋放掉動力元件的電容電壓；在車輛故障或者發生碰撞時能夠及時切斷動力電池系統電源；控制充放電相關參數；動力電池電量的計算與故障診斷；系統在高溫、高壓等情況下出現故障時，通知駕駛員進行相關檢查；提高網絡通訊功能等。

6.2.1 電氣控制保護

電氣控制保護功能是基于動力電池技術及類型來設定的一個控制充放電的算法邏輯，以此作為充放電的控制標準。動力電池控制保護主要對動力電池及電源系統的過壓、欠壓及過流等狀態進行保護，避免損壞或出現安全事故。電氣控制保護的另一功能是漏電保護控制，防止高壓電荷高電流漏電。

6.2.2 動力電池熱管理系統

該系統的功能是通過風扇等冷卻系統和熱敏電阻加熱裝置，使動力電池處于正常的工作范圍。其特點是通過分析傳感器顯示溫度與動力電池組的關系，確定動力電池組外殼及控制單元的擺放位置，使動力電池箱具有有效的熱平衡狀態，確保動力電池運行正常[5]。

6.2.3 管理診斷系統

該系統主要檢測各項功能控制單元是否處于正常工作范圍，檢測動力電池組是否存在異常情況。自診斷功能能夠為電源管理系統提供有效數據，控制單元可根據該數據做出相應的指令，確保系統安全。

7 結束語

通過對動力電池在電壓、電流和溫度等方面監測，可以不斷促進動力電池技術發展，延長動力電池使用壽命，減少環境污染。動力電池作為電動汽車唯一的能量來源和混合動力汽車的重要能量來源，動力電池系統的安全性顯得尤為重要，需要對動力電池狀態實時監測以及加強動力電池的安全防護，避免事故發生。