車用動力電池的滅火系統改進設計

楊建鋒， 鄧新華， 武春曉， 魏文博， 魏長河

(北汽福田股份有限公司， 北京 100192)

電動汽車鋰離子動力電池本身的特性決定其存在熱失控安全隱患，主要有：電極短路、電池老化、電池在充放電過程中產生的枝晶堆積、電池過充過放、電池過熱、受到碰撞擠壓等[1-2]。一旦鋰離子動力電池發生熱失控，爆發時間短、威力大，將導致著火或燃爆等事故[3-4]。因此，防控鋰離子動力電池著火或爆炸事故，成為電動客車發展的重點研究課題。

鋰離子動力電池存在的以上安全隱患，推動了其火情監測技術的發展。目前市場上的電池滅火系統與電池管理系統之間沒有通訊連接，兩套系統獨立并行[5-6]。電池滅火系統的監測傳感器遠離電池本體，監測到的數據滯后于電池管理系統的數據，數據的準確性、及時性缺乏保障；同時測量數據僅來源于滅火裝置傳感器，數據來源單一，存在誤報可能。

1 電池滅火系統的總體架構

本文將電池滅火系統的監測裝置及滅火裝置都安裝在電池箱體內部，同時將電池管理系統的電池溫度、電壓等監測信息及電池滅火系統監測裝置的信息上傳到滅火系統的主控制器，通過兩套數據的對比更加精準地分析、監控電池本體的熱失控情況，從而第一時間探測到鋰離子動力電池異常，以早期避免火災的發生。

圖1為鋰離子動力電池滅火系統的架構。該系統主要由滅火系統主控、手動滅火開關、滅火裝置、滅火系統從控、監測裝置等組成，并需要車輛的供電電源、儀表、BCU電池主控/從控、動力電池箱體Pack等部件提供相應支撐。滅火系統主控安裝在電池艙內部，通過與駕駛臺儀表、BCU電池主控、滅火系統從控，進行實時信息交互，決定滅火裝置是否啟動，并具有向駕駛員發送火情監控信息和火情報警信息的功能。其中滅火系統從控、監測裝置、滅火裝置安裝在動力電池箱體內部；手動滅火開關安裝在駕駛室儀表附近，可通過人為操作，控制啟停滅火裝置。

圖1 電池滅火系統架構圖

2 滅火系統監測裝置

如圖2所示，滅火系統監測裝置包含：電信號傳輸I/O口、數據檢測和判斷模塊、信號采集及轉換模塊、火情相關的傳感器。信號采集及轉換模塊用于采集各種火情相關的傳感器傳輸來的信號并對傳感器信號進行轉換、放大及處理；由數據檢測和判斷模塊發送數據給滅火系統從控。

圖2 監測裝置控制邏輯框圖

其中，數據檢測和判斷模塊的主要作用是接收由信號采集及轉化模塊發送來的數據，并且與預設閾值進行比對，將判定后的數據通過電信號傳輸I/O口Ⅰ發送給滅火系統從控。

3 滅火系統從控與主控

1) 滅火系統從控邏輯框圖如圖3所示，包含數據計算與處理模塊和3個電信號傳輸I/O口。

圖3 滅火系統從控控制邏輯框圖

電信號傳輸I/O口Ⅱ實現數據計算與處理模塊和監測裝置之間的數據傳輸；電信號傳輸I/O口Ⅲ向滅火裝置發送數據計算與處理模塊的執行數據；電信號傳輸I/O口Ⅴ實現滅火系統主控和數據計算與處理模塊的數據傳輸。

滅火系統從控的主要作用是：與滅火系統主控、監測裝置、滅火裝置實時信息交互；檢測監測裝置和滅火裝置的工作狀態，對其進行故障診斷；向滅火系統主控單元發起滅火請求，并直接控制滅火裝置的啟動。

2) 滅火系統主控控制邏輯框圖如圖4所示，包含數據計算與處理模塊和3個電信號傳輸I/O口。

圖4 滅火系統主控控制邏輯框圖

電信號傳輸I/O口Ⅵ實現滅火系統主控與從控之間的數據傳輸；電信號傳輸I/O口Ⅶ接收BCU電池主控上傳的數據并與儀表進行通訊；電信號傳輸I/O口Ⅷ接收手動滅火開關的指令。

滅火系統主控主要作用：

①接收滅火系統從控的實時數據，并對其發起的滅火請求進行邏輯判定處理，實現對每個箱體內滅火裝置的獨立控制，實現具體火情具體處理的功能。

②提取BCU電池主控的電池數據，并匹配分析各箱內的電池數據與滅火系統從控數據，實現對箱體內火情的雙重判斷，增加了火情判斷的準確性，減少誤判。

③儲存歷史火情監測數據，實現對實時數據與歷史數據的比對分析，達到提前判斷各箱體內火情隱患位置，為滅火系統主控提供對不同箱體內電池狀態執行滅火的依據。

④響應手動滅火開關的滅火啟停指令。

⑤與儀表通訊交互，實時反饋滅火系統的工作狀態。

⑥系統故障診斷功能。

4 結束語

隨著電動汽車領域大容量鋰離子電池的應用[7-8]，鋰離子電池火災事故明顯增多，亟待開展有關鋰離子電池的監控滅火裝置的研發及應用，減少安全事故發生。