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純電動汽車電池短路保護設計有什么好處?

鉅大LARGE  |  點擊量:1462次  |  2020年07月08日  

單體測試:按照GBT31485的要求為,短路電阻5毫歐,時間10分鐘。實際要根據的最小單元連接情況來新增對此情況的模擬。


和老大商量近期的工作重點,短時間內能做出點成績來的,重要是集中在電氣系統上面。所以從高壓線束、的硬件電路、配電盒還有一些保護策略性的內容開始,我把簡單的內容梳理下,然后進一步應用到工作里面。如下圖所示,電氣系統里面的影響是挺大的,而且很多內容也是電池系統設計過程中,電氣部分要設計承受的。


圖1電池系統電氣層級一些問題


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)超過額定的放電設計出現過多的情況。


表1功能失效問題


圖2各個層級的短路要求


電池系統短路測試:按照GBT31476.3,短路電阻20毫歐,短路10分鐘。


MSD分斷半包測試:此項內容,重要考慮一個極端情況,在MSD內系統熔絲不起用途的條件下看整個設計的情況。


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。實際要根據電池的最小單元連接情況來新增對此情況的模擬。


表2現有國內外標準和未來GB此項功能試驗內容分配


不同層級有不同的做法:


1)BMS根據電流檢測的情況,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,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,重要考慮這種設計,或者采用J-bar來打孔來做,這里重點要在模組層級考慮這個內容。


實際的半包的短路效果很直接的


電芯層面設計Fuse:每個Cell的內部設計一個Fuse,在短路瞬間,斷開電流回路,起到短路保護的用途。


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


2、硬殼電池在每個電芯配一個Fuse的設計


在前面提及短路保護法規和實驗要求與設計概念以后,我們要進行設計值和實驗的確認。


1)熔絲的分層細化


分級熔斷防護重要是把整個電池包的短路分為四層


電池單體熔絲:在多電池并聯的時候,防止電池內短路時,并聯電池電流倒灌所有并聯電池外短路。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:這一層重要是防止模組級別的短路,現在挺多公司予以省略了。


電池系統熔絲:一般也稱為Halfpack熔絲,防止電池系統外部短路的目的


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,主熔絲要放在刀刃上,所以要給配電部分配置單獨的熔絲予以考慮


圖1單體熔絲與模組熔絲


圖2模組熔絲和電池系統熔絲


2)熔絲設計考慮-熔絲考慮


保護設備的時間-電流曲線要考慮兩部分,


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


電流異常區域(紅色陰影部分),此時熔絲要動作,斷開電池與外部系統的連接,應位于保護設備時間-電流曲線的右側。


短路時間持續時間應大約為幾十毫秒,確保電池盡快與故障隔離。


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


短路電流隨電池狀態的不同而不同,在不同SOC和EOL狀態下,在設計中要考慮這個。


圖3短路設計考慮


在實際的考慮中,要把參數進行轉化。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,最重要的工作就是在這幾個不同的熔斷對時間的曲線里面,我們是通過設計不同的熔絲的規格,然后進行分析、測定。


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,我們是通過設計不同的熔絲的規格,然后進行分析、測定。


圖5多層級時間熔斷分解


這里我們一般是兩種做法,在熔絲領域選熔絲和設計熔絲;在BMS里面考慮電流的過流檢測和短路保護的策略。現有熔絲的情況是把相關的技術規格,盡量選出來。


備注:這里重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,其實是要考慮在不同脈沖電流下和環境溫度下,熔絲的發熱和實際的運行情況。


圖6主熔絲里層熔斷的


自主設計的時候,就要考慮多種因素。這塊我們后面單獨展開。


3)利用考慮


由于現在的電池系統設計,是要考慮梯次利用的,所以我們也要在設計層考慮熔絲的位置和需求。如下圖儲能系統里面,并聯其實在里面還是非常重要的參數。所以這里內生的設計還是非常重要的。


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計考慮到后期,這個參數要調平。


表1電流不同狀態分解表


小結:熔絲設計要做大量的實驗,還要和整車的實際工作情況做匹配。假如做不好,要么保護不起用途,要么經常性熔斷。


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