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[行业动态] 新能源汽车安全技术应用与实践

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发表于 2020-5-17 23:21:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新能源汽车安全技术应用与实践
张天强 宋芳
(中国第一汽车股份有限公司 新能源开发院,长春 130013)
【摘要】随着新能源汽车销量的增加,新能源汽车安全成为制约行业发展的关键因素。本文从新能源汽车事故分析入手,深度解析新能源汽车的安全问题,并针对新能源汽车安全技术的应用与实践给出建议。
主题词:NEV 安全 动力电池 充电
1 前言

[size=1em]近几年,在国家多种政策的支持下,电动汽车销量呈现爆发式增长。2018年,我国新能源汽车的产销量均超过了120万辆,同比增长近60%,市场渗透率首次超过4%,领跑全球新能源汽车市场[1]。然而,由于新能源汽车产品成熟度仍与传统燃油车存在一定差距,伴随着电动车的产销量的增长,电动车相关安全事故也随之增加。据不完全统计,2019年前8个月的事故总数已达到2018全年事故总数的80%,如图1所示。新能源车的安全事故尤其是着火爆炸事故,造成了使用者财产损失与人身安全的损害,同时还对整个行业发展造成了深远的影响。保障电动汽车安全是产业发展的首要目标,也是电动汽车产业发展的核心问题之一。本文针对新能源汽车安全问题进行了深度解析,并提供了相应的安全技术应用方案。

2 新能源汽车事故分析

[size=1em]为了更有针对性地解决新能源汽车安全问题,需要从分析新能源事故角度展开工作,下面针对事故场景、事故原因及事故失效模式来进行详细的解析。

[size=0.8em]图1 国内新能源汽车安全事故不完全统计

[size=1em]从图2所示的新能源汽车安全事故场景调查结果来看,在充电、行驶和停放使用场景中均有不同比例的起火事故发生,在3个场景中充电所占比例最高。对事故原因进行分析及调查,如图3所示,动力电池热失控导致的问题占着火事故的58%,占比最大,是新能源车安全事故的重点。除电池外,碰撞引起的着火事故占19%,其他原因如浸水、总成故障、电气连接故障等共占23%[2],这部分事故主要发生在车辆运行一段时间后,零部件出现老化、变形,从而导致高压部件密封失效或电气连接件破损等问题,进而造成短路着火。

[size=0.8em]图2 安全事故场景比例

[size=0.8em]图3 安全事故原因构成

[size=1em]对新能源汽车不同状态下的起火事故进行深度分析,如图4所示,以故障发生的车辆状态为出发点,叠加以滥用条件,得出电芯失效、电池管理系统(Battery Management System,BMS)失效、绝缘失效、机械及密封失效和连接失效的5大失效模式。各失效模式又会间接或直接导致短路及过热问题,最后导致充电装置、动力电池或其他附件起火。相比其他起火情况,动力电池引起的火灾危险性更高,且不易灭火,并对环境造成一定的污染。

[size=1em]新能源汽车全生命周期的车辆状态可以归结为正常行驶、非充电停放、碰撞、浸水和充电5种,经常出现且安全风险较高的为充电状态。车辆在充电过程中,可能导致事故的主要原因是充电滥用行为,包括电池的过充和不符合要求的充电操作两个方面。其中过充会导致电芯损伤甚至失效,而电芯的失效可能会导致电池包整体密封失效甚至机械结构的破坏;同时可能会造成电芯模组间的短路、发热甚至燃烧,进而导致动力电池起火。充电操作方面,如果用户采用飞线方式充电,很可能发生插线板的功率不满足充电要求情况,此时因充电回路供电端电流承载能力不满足充电电流要求,会导致充电回路过热而起火。

[size=0.8em]图4 安全事故原因分析图解

3 新能源汽车安全设计及关键技术

[size=1em]针对安全事故统计分析结果中出现的碰撞、浸水、零部件及电连接失效、充电使用等问题,应通过合理的系统流程体系、整车结构布置及完善的功能设计予以系统性的解决。另外,也需要考虑车辆使用和维修保养方面的要求和措施。

[size=1em]首先,在系统流程体系方面,应以安全为核心,构建如图5所示的全体系业务流程,在新能源产品诞生过程中,从顶层危害分析,确立安全目标,到系统总成的设计验证,再到生产制造,售后维保及运营安全监控实施全体系安全流程,从而保证产品的安全。

[size=0.8em]图5 新能源汽车安全开发流程

[size=1em]新能源汽车硬件构成与传统车有明显区别,如图6所示,包括动力电池、电驱动系统、充电机、DC/DC、电气连接部件及电源分配部件等。整车布置方案要尽量避免高压部件及其电气连接部件在碰撞后,出现接触防护失效、绝缘失效、短路等情况。

[size=0.8em]图6 新能源汽车安全可靠性分析

[size=1em]新能源汽车的安全,除了流程体系的保证与结构方面的安全预防措施外,还应对功能及控制策略方面予以合理的设计,尤其是在发生安全故障后的处理机制,以保证整车运行的安全性。

[size=1em]为了保证整车的安全可靠,一般至少要通过比燃油车更加苛刻的整车高低温、高原、潮湿、坏路、高速等一系列试验来验证车辆是否能在整个生命周期内安全。

[size=1em]下面介绍以整车结构及功能设计为核心的五项安全技术的应用。

3.1 基于安全要求的整车平台设计

[size=1em]平台的设计以乘员保护、防止起火爆炸、防止触电3个方面为核心原则,采用如图7所示的整体式碰撞安全设计,优化力的传递路径,增加防撞吸能部件,增强车身的整体刚度,将电池布置在最安全的位置,尽量避免在整车碰撞时电池不受到挤压变形。

[size=0.8em]图7 动力电池碰撞安全设计

3.2 碰撞后快速断电技术

[size=1em]一般在车辆碰撞时,从碰撞传感器感知到BMS控制高压继电器切断供电回路时间在30~80 ms,而在碰撞发生时,最短的高压接触时间为50 ms左右,所以存在高压继电器未切断时已发生高压回路短路的情况,进而引起安全事故。针对该问题,可采取如图8所示的双路高压断电系统,采用主动熔断器和高压继电器同时切断双路断电原理,可以控制断电时间小于25 ms,满足整车碰撞高压接触50 ms的时间要求,确保整车碰撞后的安全。

[size=0.8em]图8 碰撞后断电安全设计

3.3 充电系统三级安全防护机制

[size=1em]对于充电系统,可采取如图9所示的结构安全技术、控制安全技术和大数据防护技术,并通过全体系流程的监控,确保从开发到生产到售后运营全过程的安全,避免由于充电系统异常而引发的危害发生。

3.4 整车故障分析与预警防护技术

[size=1em]基于整车大数据平台,针对故障率较高的部件开展故障预防措施,例如可以基于电池绝缘电阻值的变化对电池包密封失效进行故障预警,如图10所示。通过建立数据模型,判断触发密封失效的可能性,提前预警,提示驾驶员及早维护,避免故障发生。

3.5 新能源汽车运营安全监控技术

[size=1em]构建以安全性为主的运营监控系统,实施在线监测新能源产品的运营状态。应用新能源汽车大数据进行故障情况统计,分析故障相关影响因素及规律,通过挖掘相关数据规律实现故障预警,保证车辆安全。

[size=0.8em]图9 充电安全防护设计

[size=0.8em]图10 大数据安全预警

4 动力电池安全设计及关键技术

[size=1em]动力电池作为新能源整车上的关键零部件,其产品安全关乎用户的生命安危。在进行动力电池产品设计时,应将动力电池的安全设计置于设计的首要位置。在进行设计时,应全方位分析各种失效模式并制订相应的解决措施。

[size=1em]动力电池在进行系统设计时,首先要解决的是热安全,避免动力电池因热失控造成着火爆炸风险。其次要满足高压防触电安全,保证驾乘人员及从业安全的使用操作安全;再次,电池系统要保证车辆在发生碰撞翻转等事故后电池的机械安全。除了系统层面外,动力电池在进行从单体到模组还有BMS的设计时也需要考虑很多安全因素。

[size=1em]动力电池安全的可靠性也是十分重要的,即保证动力电池在各种环境下、全生命使用周期内的性能一致、安全可靠。应充分考虑到温度、盐雾等环境因素及振动、泡水等使用因素在车辆运行一段时间后对动力电池产生的影响,以及动力电池的外壳与内部材料老化、机械变形、表面氧化等现象而导致的密封失效、绝缘失效、电阻增大等问题。一般来说,整车厂都会通过充分的试验验证确保动力电池的可靠性,如图11所示,试验主要包括机械冲击、温度冲击、湿热循环、过充电、过放电、盐雾、跌落、振动等共15项试验项目。

[size=1em]下面介绍以动力电池为核心的三项安全技术的应用与实践。

[size=0.8em]图11 动力电池可靠性试验项目

4.1 电池安全及寿命设计技术

[size=1em]构建如图12所示的Q-S系统模型,包含电芯一致性、电池拓扑结构、工作环境、控制策略、工作模式和工作时长6因素,做好动力电池正向理论安全设计。同时以大数据为基础,面向用户的系统安全设计,从车辆端和用户端分析和解决电池使用过程中的安全和寿命问题。

[size=0.8em]图12 动力电池的安全设计概念

4.2 电池热失控预警防护技术

[size=1em]这项技术主要目的是在发生热失控时能够提早预警,确保人员有足够时间逃生。实现方式如图13所示,通过对BMS实时监控数据和云端历史数据进行分析,建立完整的电池热失控预警模型,判断电池热失控的风险,通过人机界面(HMI)显示、车端预警、云端预警和主动防护控制措施,实现风险预警和处理,确保人员和车辆的安全。

[size=0.8em]图13 动力电池热失控预警设计流程

4.3 动力电池智能健康管理技术

[size=1em]通过数据标签限制,变化趋势,环境数据,保养日期记录等方法监控分析电池运行数据,提醒用户改善使用行为,使电池处于更好的使用状态,延长电池寿命,提升电池安全性。

5 结束语

[size=1em]本文梳理了新能源汽车的事故原因并对事故失效模式进行分析,对新能源汽车如何保证整车及其关键零部件动力电池的安全与可靠进行了技术分析与应用。新能源汽车的安全防护设计应从产品策划,研发设计,生产制造到售后服务等多个环节中体现,在新能源汽车产品开发中所包含的功能、性能、安全、成本等多个方面,坚持安全第一的设计理念,并需采用从整车到总成,再到零部件多维度安全技术保证新能源汽车的安全。



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