电池短路影响大,纯电动汽车短路保护设计有什么

2020-06-02      1212 次浏览

单体测试:按照GBT31485的要求为,短路电阻5毫欧,时间10分钟。实际要根据的最小单元连接情况来新增对此情况的模拟。


和老大商量近期的工作重点,短时间内能做出点成绩来的,重要是集中在电气系统上面。所以从高压线束、的硬件电路、配电盒还有一些保护策略性的内容开始,我把简单的内容梳理下,然后进一步应用到工作里面。如下图所示,电气系统里面的影响是挺大的,而且很多内容也是电池系统设计过程中,电气部分要设计承受的。


图1电池系统电气层级一些问题


如之前的表格里面所说的,短路/过流严格意义上是指各个层级(单体、模组、半包和电池整包)超过额定的放电设计出现过多的情况。


表1功能失效问题


图2各个层级的短路要求


电池系统短路测试:按照GBT31476.3,短路电阻20毫欧,短路10分钟。


MSD分断半包测试:此项内容,重要考虑一个极端情况,在MSD内系统熔丝不起用途的条件下看整个设计的情况。


模组的短路测试:按照GBT31485的要求为,短路电阻5毫欧,时间10分钟。


单体短路测试:按照GBT31485的要求为,短路电阻5毫欧,时间10分钟。实际要根据电池的最小单元连接情况来新增对此情况的模拟。


表2现有国内外标准和未来GB此项功能试验内容分配


不同层级有不同的做法:


1)BMS根据电流检测的情况,来切断接触器,在这种短路带载的情况下,选用的接触器要至少能切断1次


2)MSD里面的熔丝,要仔细考虑这种情况


以上层级在pack层级大家做的比较多


模块层级,前面也谈过了,重要考虑这种设计,或者采用J-bar来打孔来做,这里重点要在模组层级考虑这个内容。


实际的半包的短路效果很直接的


电芯层面设计Fuse:每个Cell的内部设计一个Fuse,在短路瞬间,断开电流回路,起到短路保护的用途。


1、软包电池利用每个电芯焊接一个Fuse的设计,或者考虑Tab在这种条件下的状态,这个设计过程是挺有趣的设计,考虑载流和过流的情况


2、硬壳电池在每个电芯配一个Fuse的设计


在前面提及短路保护法规和实验要求与设计概念以后,我们要进行设计值和实验的确认。


1)熔丝的分层细化


分级熔断防护重要是把整个电池包的短路分为四层


电池单体熔丝:在多电池并联的时候,防止电池内短路时,并联电池电流倒灌所有并联电池外短路。如前文所述,电池单体熔丝可以做到电池里面、电池Tab上面和电池极柱与母线连上


电池模组熔丝:这一层重要是防止模组级别的短路,现在挺多公司予以省略了。


电池系统熔丝:一般也称为Halfpack熔丝,防止电池系统外部短路的目的


整车用电负载熔丝:由于外部的用电负荷比较多,在分解用电部件之后,主熔丝要放在刀刃上,所以要给配电部分配置单独的熔丝予以考虑


图1单体熔丝与模组熔丝


图2模组熔丝和电池系统熔丝


2)熔丝设计考虑-熔丝考虑


保护设备的时间-电流曲线要考虑两部分,


正常运行区域(绿色阴影部分):在该电路设计区域内,熔丝允许放电电流通过。正常运行区域必须位于保护器件的时间电流曲线左侧。


电流异常区域(红色阴影部分),此时熔丝要动作,断开电池与外部系统的连接,应位于保护设备时间-电流曲线的右侧。


短路时间持续时间应大约为几十毫秒,确保电池尽快与故障隔离。


熔丝设备打开的时间越长,电池在短路阶段释放的能量能量就越多,可能导致设备损坏,甚至引发相关导电部件发热。


短路电流随电池状态的不同而不同,在不同SOC和EOL状态下,在设计中要考虑这个。


图3短路设计考虑


在实际的考虑中,要把参数进行转化。图4其实还少了一个专用车载熔丝,这个熔丝熔断会和接触器和整包熔丝之间,最重要的工作就是在这几个不同的熔断对时间的曲线里面,我们是通过设计不同的熔丝的规格,然后进行分析、测定。


图4多层级保护描述


在这几个不同的熔断对时间的曲线里面,我们是通过设计不同的熔丝的规格,然后进行分析、测定。


图5多层级时间熔断分解


这里我们一般是两种做法,在熔丝领域选熔丝和设计熔丝;在BMS里面考虑电流的过流检测和短路保护的策略。现有熔丝的情况是把相关的技术规格,尽量选出来。


备注:这里重要讲的是不同熔丝的分级策略,单根熔丝的熔断机理和耐久性考虑,我们单独后面讨论。如下图所示,其实是要考虑在不同脉冲电流下和环境温度下,熔丝的发热和实际的运行情况。


图6主熔丝里层熔断的


自主设计的时候,就要考虑多种因素。这块我们后面单独展开。


3)利用考虑


由于现在的电池系统设计,是要考虑梯次利用的,所以我们也要在设计层考虑熔丝的位置和需求。如下图储能系统里面,并联其实在里面还是非常重要的参数。所以这里内生的设计还是非常重要的。


图7模组将来作为储能使用的时候,模组熔丝的存在有着更多的是用空间


基于寿命后期的考虑,由于材料特性的差异,重新校核这个熔丝的情况还是非常重要的。所以从整个生命周期的设计考虑到后期,这个参数要调平。


表1电流不同状态分解表


小结:熔丝设计要做大量的实验,还要和整车的实际工作情况做匹配。假如做不好,要么保护不起用途,要么经常性熔断。


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