李涛永、杨旭、李博文、唐攀攀、张晶
近期电动汽车着火案件频发，2012年至2019年全球公开报道70余起着火事故，其中充电过程着火约占17%、停放自燃约28%、行驶中自燃约8%、行驶中碰撞燃烧约47%。本文针对直流充电机充电控制导引逻辑及通信协议，从着火安全防护的角度分析现行GB/T18487.1-2015、GB/T27930-2015等标准对充电着火事故的天然保护措施及防护强度。电动汽车的动力电池为锂离子电池（简称锂电池），由正极、负极、隔膜、电解质和外壳组成。锂电池充放电的过程其实就是锂离子跨过隔膜在正负电极材料之间往返嵌入和脱嵌的过程。由于锂元素和电解液的化学性质都十分活泼, 当锂电池温度异常升高时上升，部分电解液发生热分解并产生气体，破坏电池本体的牢固性和密封性，锂元素和电解液遇到外界空气和水将引起进一步的起火、爆炸。过热、过充、短路、碰撞四类原因可引发电池出现高温、高压、着火甚至爆炸。其中过热、过充除存在单次过热、单次过充外，还存在多次微过热、多次微过充的累积效应，会造成电池使用寿命下降，累积到一定程度时会引发进一步的风险演变。这种累积的风险更应该预防。
根据GB/T18487.1-2015、GB/T27930-2015，充电控制导引逻辑对着火、爆炸以及正负极反接存在5道天然防线。防线4、防线5提供充电过程中的保护，其他防线提供充电开始阶段的保护。充电机插枪后、充电前，会先做绝缘监测，避免充电回路的短路，进而避免车辆电池通过充电回路短路。在正常情况下，此时车辆端的主接触器K5K6应处于断开状态。充电参数配置阶段，充电机对车辆BMS报文电压与车辆电池测量电压进行比对，压差在±5%范围内才能进行后续充电流程。该防线可验证充电机的电池电压检测信号线功能是否正常，避免充电回路及车辆电池正负极反接。预充阶段，充电机对主接触器K1K2前后端电压进行比对，K1K2前端电压低于后端电压1-10V时才能闭合K1K2，进行后续充电流程，否则不启机。该防线可避免充电回路及车辆电池正负极反接、或者因接触器前后端电压压差过高造成的冲击电流累积，间接避免引起着火。充电过程中，充电机与车辆进行实时通信，通过BSM报文（必须、非常重要）、BCS报文（必须、非常重要）、BCL报文（必须、非常重要）、BMT报文（可选）、BMV报文（可选）共5个报文实时了解充电过程中锂电池温度、电压、电流、SOC、剩余充电时间等状态信息。该防线具备形成充电机主动保护的数据基础，如一旦锂电池异常告警，充电机应停止充电，防止过充或着火。唯一遗憾的是GB/T27930-2015中未规定BSM报文通信超时时间，但规定BCL报文超时时间1s、BCS报文超时时间5s。利用BCL、BCS报文的超时判定，就可以防止因车辆电池管理系统死机造成的过充或着火。报文协议详情请见附件。充电过程中，原则上只需要充电机按车辆需求电压、需求电流充电就比较安全。充电机需要在输出电流值和输出电流的调整速度上满足车辆要求，尤其是在需求电流由大变小时，充电机输出电压、输出电流应快速减小。GB/T 18487.1-2015规定调整充电电流下降，当电流减小量≤20A时，充电机应在1s内将充电电流调整到位，当电流减小量＞20A时，充电机应以不小于20A/s的电流调整速率将充电电流调整到位。充电过程中如果充电机电流调整下降速率不符合标准要求，充电电流减小速度过慢，例如由于模块切换等原因造成10s后电流才减小到需求电流值，那么这10s就是微过充，就发生了一次微过充累积事件。目目前在实际充电过程中，防线4仅是通过车辆电池管理系统发出的异常告警报文进行保护，完全依赖于车辆电池管理系统，缺乏主动防护功能。在这种情况下一旦车辆电池管理系统死机、保护失效，充电机仍默默地进行充电而不进行告警或主动停机，会带来很大的过充风险。对于质量较低的电动汽车，这种风险会更大。通过下表可以反映出充电过程中充电机的主动安全防护措施非常必要。正常情况下当SOC=100%后，在一定时间内（例如Xmin）应由车辆发送停止充电报文（BST）申请结束充电，充电机响应、停止充电。如果充电机具有主动安全防护能力，那么充电机应对Xmin进行监视，一旦Xmin过大，应告警或主动停机。
在充电机生产制造阶段、现场安装阶段、后期迁改阶段均会存在充电机输出主电缆（含枪线）、充电机输出主接触器K1K2前后端电压检测信号线、分体机的前端机和后端机之间主电缆安装错误的可能。如果出厂检验不严格，则可能带病出厂。模拟分体机正负极反接情形1，测试时充电机在防线2停止充电。当充电机主接触器K1K2前后端电压检测信号线接线正确的情况下，防线1、防线2、防线3能够防护大多数反接错误；但当电压检测信号线和主电缆都接线错误的情况下，防线1、防线2、防线3存在失效的情况。总之，对于正负极反接风险，目前的几道防线存在防护漏洞，会带来电池反充着火风险。正负极反接的分析是基于主接触器K1K2前后端的电压检测信号线及主电缆（枪线）的反接进行的，前提是主接触器K1K2前后端都安装有电压检测信号线。对于分体机，一般主接触器K1K2安装于后端机内。对于充电机内部充电模块至主接触器K1K2前端范围内的正负极反接防护，属于充电机产品内部应具备的基本保护功能。一体机、分体机的反接情形基本一致。
正常情况正负极反接充电机不会进入充电流程，如果充电机3道防线都未检查出异常，理论上在充电启动瞬间会产生一个很大的冲击电流，充电模块或者自动保护立即停止输出、或者烧毁。车辆端电池管理系统、熔断器等也会中止充电，进行保护。充电过程中充电机与车辆进行大量的通信，粗略统计整个充电过程逾20万条交互报文，具备良好数据基础。依托这些报文可以实时了解充电过程中锂电池温度、电压、电流、SOC、剩余充电时间等状态信息。应重视NB/T 33008.1—2018规定的蓄电池二重保护、蓄电池电压与通信报文不符保护等功能在产品代码级落地应用，提高充电过程主动安全防护能力，最大程度避免充电着火事故。
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