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【干貨】電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計分析

來源:網(wǎng)絡(luò)

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所屬頻道:新聞中心

關(guān)鍵詞: 動力電池,電池系統(tǒng),短路

    和老大商量近期的工作重點,短期內(nèi)能做出點成績來的,主要是集中在電氣系統(tǒng)上面。所以從高壓線束、電子控制的硬件電路、配電盒還有一些保護策略性的內(nèi)容開始,我把簡單的內(nèi)容梳理下,然后進一步應用到工作里面。如下圖所示,電氣系統(tǒng)里面的影響是挺大的,而且很多內(nèi)容也是電池系統(tǒng)設(shè)計過程中,電氣部分需要設(shè)計承受的。

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖1 電池系統(tǒng)電氣層級一些問題

    如之前的表格里面所說的,短路/過流嚴格意義上是指各個層級(單體、模組、半包和電池整包)超過額定的放電設(shè)計出現(xiàn)過多的情況。

    表1 功能失效問題

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖2 各個層級的短路要求

    電池系統(tǒng)短路測試: 按照GBT31476.3,短路電阻<20毫歐,短路10分鐘。

    MSD分斷半包測試:此項內(nèi)容,主要考慮一個極端情況,在MSD內(nèi)系統(tǒng)熔絲不起作用的條件下看整個設(shè)計的情況。

    模組的短路測試:按照GBT31485的要求為,短路電阻<5毫歐,時間10分鐘。

    單體短路測試:按照GBT31485的要求為,短路電阻<5毫歐,時間10分鐘。實際需要根據(jù)電池的最小單元連接情況來增加對此情況的模擬。

    表2 現(xiàn)有國內(nèi)外標準和未來GB此項功能試驗內(nèi)容分配

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    不同層級有不同的做法:

    1)BMS根據(jù)電流檢測的情況,來切斷接觸器,在這種短路帶載的情況下,選用的接觸器要至少能切斷1次

    2)MSD里面的熔絲,需要仔細考慮這種情況

    以上層級在Pack層級大家做的比較多

    模塊層級,前面也談過了,主要考慮這種設(shè)計,或者采用J-bar來打孔來做,這里重點需要在模組層級考慮這個內(nèi)容。

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計


    實際的半包的短路效果很直接的

    電芯層面設(shè)計Fuse:每個Cell的內(nèi)部設(shè)計一個Fuse,在短路瞬間,斷開電流回路,起到短路保護的作用。

    1、軟包電池利用每個電芯焊接一個Fuse的設(shè)計,或者考慮Tab在這種條件下的狀態(tài),這個設(shè)計過程是挺有趣的設(shè)計,考慮載流和過流的情況

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    2、硬殼電池在每個電芯配一個Fuse的設(shè)計

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    在前面提及短路保護法規(guī)和實驗要求與設(shè)計概念以后,我們需要進行設(shè)計值和實驗的確認。

    1)熔絲的分層細化

    分級熔斷防護主要是把整個電池包的短路分為四層

    電池單體熔絲:在多電池并聯(lián)的時候,防止電池內(nèi)短路時,并聯(lián)電池電流倒灌所有并聯(lián)電池外短路 。如前文所述,電池單體熔絲可以做到電池里面、電池Tab上面和電池極柱與母線連上

    電池模組熔絲:這一層主要是防止模組級別的短路,現(xiàn)在挺多公司予以省略了。

    電池系統(tǒng)熔絲:一般也稱為Half Pack熔絲,防止電池系統(tǒng)外部短路的目的

    整車用電負載熔絲:由于外部的用電負荷比較多,在分解用電部件之后,主熔絲需要放在刀刃上,所以需要給配電部分配置單獨的熔絲予以考慮

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖1 單體熔絲與模組熔絲

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖2 模組熔絲和電池系統(tǒng)熔絲

    2)熔絲設(shè)計考慮-熔絲考慮

    保護設(shè)備的時間-電流曲線需要考慮兩部分,

    正常運行區(qū)域(綠色陰影部分):在該電路設(shè)計區(qū)域內(nèi),熔絲允許放電電流通過。正常運行區(qū)域必須位于保護器件的時間電流曲線左側(cè)。

    電流異常區(qū)域(紅色陰影部分),此時熔絲需要動作,斷開電池與外部系統(tǒng)的連接,應位于保護設(shè)備時間-電流曲線的右側(cè)。

    短路時間持續(xù)時間應大約為幾十毫秒,確保電池盡快與故障隔離。

    熔絲設(shè)備打開的時間越長,電池在短路階段釋放的能量能量就越多,可能導致設(shè)備損壞,甚至引發(fā)相關(guān)導電部件發(fā)熱。

    短路電流隨電池狀態(tài)的不同而不同,在不同SOC和EOL狀態(tài)下,在設(shè)計中需要考慮這個。

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖3 短路設(shè)計考慮

    在實際的考慮中,需要把參數(shù)進行轉(zhuǎn)化。圖4其實還少了一個專用車載熔絲,這個熔絲熔斷會和接觸器和整包熔絲之間,最主要的工作就是在這幾個不同的熔斷對時間的曲線里面,我們是通過設(shè)計不同的熔絲的規(guī)格,然后進行分析、測定。

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖4 多層級保護描述

    在這幾個不同的熔斷對時間的曲線里面,我們是通過設(shè)計不同的熔絲的規(guī)格,然后進行分析、測定。

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖5 多層級時間熔斷分解

    這里我們一般是兩種做法,在熔絲領(lǐng)域選熔絲和設(shè)計熔絲;在BMS里面考慮電流的過流檢測和短路保護的策略?,F(xiàn)有熔絲的情況是把相關(guān)的技術(shù)規(guī)格,盡量選出來。

    備注:這里主要講的是不同熔絲的分級策略,單根熔絲的熔斷機理和耐久性考慮,我們單獨后面討論。如下圖所示,其實是需要考慮在不同脈沖電流下和環(huán)境溫度下,熔絲的發(fā)熱和實際的運行情況。

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖6 主熔絲里層熔斷的

    自主設(shè)計的時候,就需要考慮多種因素。這塊我們后面單獨展開。

    3)利用考慮

    由于現(xiàn)在的電池系統(tǒng)設(shè)計,是需要考慮梯次利用的,所以我們也需要在設(shè)計層考慮熔絲的位置和需求。如下圖儲能系統(tǒng)里面,并聯(lián)其實在里面還是非常重要的參數(shù)。所以這里內(nèi)生的設(shè)計還是非常重要的。

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    圖7 模組將來作為儲能使用的時候,模組熔絲的存在有著更多的是用空間

    基于壽命后期的考慮,由于材料特性的差異,重新校核這個熔絲的情況還是非常重要的。所以從整個生命周期的設(shè)計考慮到后期,這個參數(shù)需要調(diào)平。

    表1 電流不同狀態(tài)分解表

    電池系統(tǒng)短路保護設(shè)計

    小結(jié):熔絲設(shè)計需要做大量的實驗,還需要和整車的實際工作情況做匹配。如果做不好,要么保護不起作用,要么經(jīng)常性熔斷。

    (審核編輯: 林靜)

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