電動汽車自燃頻發,BMS能解決問題嗎?

? 保護板問題 ????|???? ?2021-07-26 08:24
車停著停著、電充著就就“自然而燃”了,針刺能解燃眉之急?

純電動汽車怎么這么火爆?動不動就冒煙、自燃甚至爆炸?事實上,沒有主機廠敢不在電動汽車上搭載BMS(電池管理系統);那么,有了監控電池狀態的BMS為什么還是不能制服電動汽車的火爆脾氣,避免或減少這些事故呢?

近日,比亞迪股份董事長王傳福呼吁將電池針刺實驗納入國家強制標準,但是,令人疑惑的是,出現發熱自燃等事故的電動汽車都是在路上跑著因外力作用所致嗎?更多不都是在靜止的情況下發生?車停在那里或者是在充電,并沒有刺穿,也沒有碰撞,不也就燒起來了?好在大多數都是在車里無人的情況下發生的。

自燃原因雖多,八九不離電池

燃燒的最重要條件就是溫度。夏天高溫,純電動汽車或其他車型都容易發生自燃,因為電池、電路最怕高溫,超過溫度臨界點就會引起電池發熱,出現冒煙直至自燃。然而,在寒冷的冬天,電動汽車自燃事故也不少,為什么?還是溫度。雖然外界環境溫度很低,但顛簸、碰撞、積水路段行駛、電池電解液泄漏等都可能導致電池正負極或相關線路短路,由于短路部分接觸電阻變大產生高溫——熱失控,引起該處金屬溶化,產生火花或電弧,引燃周圍材料。

在現有電池化學條件下,要從電池本身來避免發熱自燃還不太可能,磷酸鐵鋰和三元鋰電都有自燃發生,雖然也有廠商稱自己的電池“永不自燃”,那只能是信不信由你。因此,必須利用一些手段來監測和控制電池發熱,保證其在正常溫度條件下提供電力。

針刺可能是以蠡測海

“2021中國電動汽車百人會論壇”上,王傳福建議:“將電池針刺實驗納入國家強制標準,繼續完善電動汽車安全法規標準,因為針刺試驗是動力電池測試中非常有效、苛刻的一種方法。” 2015年舊版國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》明確規定:單體蓄電池進行針刺試驗時,應不爆炸、不起火。王傳福建議把動力電池的針刺試驗逐步列入強制性標準,同時把目前熱擴散試驗要求的不短于5分鐘,提升到不短于30分鐘。

針刺試驗與電動汽車情況相仿 此前,比亞迪研發的“刀片電池”經過最嚴苛的動力電池測試“針刺實驗”,被鋼針穿刺后,沒有發生明火及冒煙現象,溫度始終保持在30-60℃之間,沒有發生熱失控現象。

這當然不是什么壞事,問題在于:一,針刺試驗可以將安全性提高多少?二,在已經發生的電動汽車自燃中,有多少比例是因為類似針刺試驗的情況而引發了自燃?三,即使電池通過了針刺試驗,有沒有其他情況也會造成自燃?類似的問題可能還會有很多。

或許,在目前,切實可行的辦法還是撇開電池材料,從電池的使用上下功夫解決如何及時發現電池異常,迅速采取措施的問題。這就是人們熟知的電池管理系統。

BMS能解決什么問題?

以鋰離子電池為例,它需要在有限的溫度和工作電壓范圍內工作才能獲得最佳性能和最安全的運行。從車輛電氣化的功能安全角度考慮,既要防止生產工人、車主、機械師和車輛回收商免受高壓和電擊,又要保護電池免受穿刺和沖擊損傷,還要容納可能從電池中泄漏或排出的液體和氣體。由于鋰離子電池需要在比ICE車輛更有限的溫度范圍內才能安全高效地工作,電池組設計中還要考慮熱安全,特別是車輛使用或充電中。

因此,監測電池電壓和溫度就成為了鋰離子電池最佳性能和最安全操作的保證。每種類型的鋰離子電池的電壓和溫度范圍都是獨一無二的,超出此范圍,電池內部就可能發生不良副反應,從而導致過度自熱,甚至導致長期內部電氣短路。過度自熱和內部短路可能是級聯熱失控的第一步,是最大的安全隱患。

為了使電池組保持在安全工作范圍內,通常使用電池監測專用集成電路(ASIC)測量電壓、溫度和電流,并將數據傳輸到電池控制單元。

在電動乘用車中,通常有16個、96個或128個或更多電池單元需要測量。在電動商用車中,電池單元數可能是其兩倍。電池系統有許多印刷電路板(PCB)連接,電池和監控ASIC之間或ASIC之間的通信連接會因前面提及的原因發生故障,傳感器輸入可能開路或通信中斷。這時,電池控制系統就變成了“盲操”,無法再管理電池組中電池的狀態。因此,檢測和處理諸如通信或電池與傳感器連接之類的故障,避免危險事件就成為了功能安全的重要一環。關于功能安全,在ISO 26262道路車輛功能安全系列標準中有明確的定義,不再贅述。

回到電池監測系統,電池單元電壓和溫度傳感器連接到電池監測ASIC;控制處理器通過讀取測量信息來計算電池的當前狀態,確保操作在安全范圍內進行。對于高壓電池組,監控ASIC以堆疊配置排列,每個ASIC并行測量多個單元。命令和數據通過一個隔離通信接口從ASIC傳輸到ASIC。

有BMS為什么還會燒車?

很顯然,這樣的系統是有線通信方式,既然是有線,就有可能因汽車的惡劣環境而出現“掉線”,這時系統便喪失了應有的功能,形同虛設了。

線纜連接必須可靠 電動汽車采用的傳統BMS面臨著諸多挑戰:

每節電池都必須通過電纜連接到一個調節電量表現的監控器,布線復雜;·線束和連接器是影響可靠性的常見原因,需要頻繁維護布線,保修費用不菲;·為了使線纜連接更可靠,需要采用重型銅線,BMS中龐大而笨重的電纜會對續航能力、組件成本和安全性產生負面影響。

今天,電動汽車對電池管理系統的要求在不斷變化,推動著更高標準的安全要求,電池管理系統的創新正是實現突破的硬核所在。我們不僅需要用高精度電池監控來確保滿足最嚴格的功能安全標準,還要用冗余通信協議提供容錯性,確保電池組的健康和安全狀態,更重要的是確保這些監控系統的通信功能萬無一失。

丟掉線纜,WBMS輕裝上陣

在以全數字化方式進行的2021國際消費類電子產品展覽會(CES 2021)上,德州儀器(TI)率先發布了業內首個通過T?V S?D評估、滿足ISO 26262 ASIL D功能安全等級的無線電池管理(WBMS)解決方案。

“2021中國電動汽車百人會論壇”上,TI中國區嵌入式與數字光處理應用技術總監師英表示:“這一解決方案可以提供業界出色的網絡可用性,支持跨多平臺可靠擴展,有助于汽車客戶設計制造更加安全、可靠、高效且行駛更遠的電動汽車。” 我們來看看WBMS能為電動汽車帶來什么?

無線BMS解決方案通過采用優異網絡可用性無線協議,有助于車輛設計師減少繁重、昂貴且需要頻繁維護的布線,提高電動汽車的可靠性和效率,無疑是電動汽車電池管理的一項重大革新。

無線BMS示例 利用無線BMS解決方案,主機廠能夠降低其電池系統設計的復雜性,提高可靠性并減輕汽車重量,從而延長行駛里程。得益于跨量產車型的靈活調整設計,主機廠可以利用無線BMS更快地過渡到量產階段。

據介紹,該無線BMS產品由以下兩部分組成:

SimpleLink? 2.4GHz CC2662R-Q1無線微控制器(MCU):采用符合AEC-Q100標準的Arm? Cortex? -M4,經優化可實現低功耗、擴展溫度范圍和增強安全性;該器件采用專為無線BMS使用案例開發的新無線協議,解決了通信錯誤檢測和安全問題。

BQ79616-Q1電池監控平衡器:符合ISO26262功能安全標準,具備通信、溫度和電壓測量功能芯片級ASIL D等級。借助CC2662R-Q1無線MCU,可以在主機系統處理器與BQ79616-Q1之間進行穩定可靠和可擴展的數據交換。

“5個9”的可靠性

不言而喻,可靠性是保證電池安全的最重要因素,有線配置的BMS可靠性可想而知。與有線連接相比,無線MCU電池管理系統無線協議可以實現業界最好的網絡可靠性(超過99.999%)和最大300ms的網絡重啟可用性。新開發的無線協議是基于2.4GHz頻段運行的低功耗Bluetooth? 技術編制的專有無線BMS協議。

無線MCU可提供高吞吐量和低延遲的專用時隙,以防止數據丟失或損壞,使多個電池單元能夠以±2mV的精度向主MCU發送電壓和溫度數據,且網絡數據包錯誤率小于10-7。

主機廠可以利用安全驅動工具減少潛在威脅,例如密鑰交換和刷新;獨特的設備身份驗證;調試安全;基于聯合測試行動小組(JTAG)協議鎖定的軟件IP保護;高級加密標準(AES)128位加密加速和消息完整性檢查。

多平臺可靠擴展和系統級設計

考慮到主機廠的長期設計需求,無線BMS創新技術還提供更高的可擴展性。專有協議可提供市場上最高的吞吐量,使主機廠能夠在不同電池配置中(如32、48和60個電池單元的系統等)將采用單個無線片上系統的電池模塊與多個BQ79616-Q1電池監控器相連。這樣的系統設計支持多達100個節點,每個節點都達到業界最低延遲(低于2ms),且每個節點的測量均可實現時間同步。

CC2662R-Q1無線MCU獨立于各個電池單元監控裝置,不再需要菊花鏈隔離組件,減少了相應成本。BQ79616-Q1電池監控平衡器以同一封裝類型提供不同通道選項,同時具有引腳對引腳兼容性,支持在任何平臺上完全重復使用既有的軟件和硬件。

主機廠的選擇靈活

總結一下

隨著人們對電動汽車需求的持續高漲,主機廠更加關注如何通過既安全又具有成本效益的方式來提高汽車性能,以便生產出更可靠和更高效的電動汽車。通過有線與無線BMS的對比,我們可以看到后者的諸多優勢。

有線與無線BMS對比 誠如Strategy Analytics動力總成、車身、底盤和安全服務主管Asif Anwar所說:“無線電池管理系統的應用將是電動汽車市場中一個日益增長的趨勢,因為這類進展提供了更大的設計靈活性,相對于傳統系統也降低了復雜性和成本。將這些優勢與ASIL D合規性相結合的解決方案為業界樹立了一個可遵循的標準。”不管是作為業內中人還是消費者,我們都期待早日在量產車中看到無線電池管理系統的身影!