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純電動(dòng)汽車電池短路保護(hù)設(shè)計(jì)有什么好處?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1451次  |  2020年07月08日  

單體測(cè)試:按照GBT31485的要求為,短路電阻5毫歐,時(shí)間10分鐘。實(shí)際要根據(jù)的最小單元連接情況來新增對(duì)此情況的模擬。


和老大商量近期的工作重點(diǎn),短時(shí)間內(nèi)能做出點(diǎn)成績(jī)來的,重要是集中在電氣系統(tǒng)上面。所以從高壓線束、的硬件電路、配電盒還有一些保護(hù)策略性的內(nèi)容開始,我把簡(jiǎn)單的內(nèi)容梳理下,然后進(jìn)一步應(yīng)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(jì)過程中,電氣部分要設(shè)計(jì)承受的。


圖1電池系統(tǒng)電氣層級(jí)一些問題


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


表1功能失效問題


圖2各個(gè)層級(jí)的短路要求


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


MSD分?jǐn)喟氚鼫y(cè)試:此項(xiàng)內(nèi)容,重要考慮一個(gè)極端情況,在MSD內(nèi)系統(tǒng)熔絲不起用途的條件下看整個(gè)設(shè)計(jì)的情況。


模組的短路測(cè)試:按照GBT31485的要求為,短路電阻5毫歐,時(shí)間10分鐘。


單體短路測(cè)試:按照GBT31485的要求為,短路電阻5毫歐,時(shí)間10分鐘。實(shí)際要根據(jù)電池的最小單元連接情況來新增對(duì)此情況的模擬。


表2現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和未來GB此項(xiàng)功能試驗(yàn)內(nèi)容分配


不同層級(jí)有不同的做法:


1)BMS根據(jù)電流檢測(cè)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(xì)考慮這種情況


以上層級(jí)在pack層級(jí)大家做的比較多


模塊層級(jí),前面也談過了,重要考慮這種設(shè)計(jì),或者采用J-bar來打孔來做,這里重點(diǎn)要在模組層級(jí)考慮這個(gè)內(nèi)容。


實(shí)際的半包的短路效果很直接的


電芯層面設(shè)計(jì)Fuse:每個(gè)Cell的內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)Fuse,在短路瞬間,斷開電流回路,起到短路保護(hù)的用途。


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


2、硬殼電池在每個(gè)電芯配一個(gè)Fuse的設(shè)計(jì)


在前面提及短路保護(hù)法規(guī)和實(shí)驗(yàn)要求與設(shè)計(jì)概念以后,我們要進(jìn)行設(shè)計(jì)值和實(shí)驗(yàn)的確認(rèn)。


1)熔絲的分層細(xì)化


分級(jí)熔斷防護(hù)重要是把整個(gè)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(shí)候,防止電池內(nèi)短路時(shí),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:這一層重要是防止模組級(jí)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Halfpack熔絲,防止電池系統(tǒng)外部短路的目的


整車用電負(fù)載熔絲:由于外部的用電負(fù)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(dú)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(tǒng)熔絲


2)熔絲設(shè)計(jì)考慮-熔絲考慮


保護(hù)設(shè)備的時(shí)間-電流曲線要考慮兩部分,


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


電流異常區(qū)域(紅色陰影部分),此時(shí)熔絲要?jiǎng)幼鳎瑪嚅_電池與外部系統(tǒng)的連接,應(yīng)位于保護(hù)設(shè)備時(shí)間-電流曲線的右側(cè)。


短路時(shí)間持續(xù)時(shí)間應(yīng)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(shí)間越長(zhǎng),電池在短路階段釋放的能量能量就越多,可能導(dǎo)致設(shè)備損壞,甚至引發(fā)相關(guān)導(dǎo)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(jì)中要考慮這個(gè)。


圖3短路設(shè)計(jì)考慮


在實(shí)際的考慮中,要把參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。圖4其實(shí)還少了一個(gè)專用車載熔絲,這個(gè)熔絲熔斷會(huì)和接觸器和整包熔絲之間,最重要的工作就是在這幾個(gè)不同的熔斷對(duì)時(shí)間的曲線里面,我們是通過設(shè)計(jì)不同的熔絲的規(guī)格,然后進(jìn)行分析、測(cè)定。


圖4多層級(jí)保護(hù)描述


在這幾個(gè)不同的熔斷對(duì)時(shí)間的曲線里面,我們是通過設(shè)計(jì)不同的熔絲的規(guī)格,然后進(jìn)行分析、測(cè)定。


圖5多層級(jí)時(shí)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(jì)熔絲;在BMS里面考慮電流的過流檢測(cè)和短路保護(hù)的策略。現(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:這里重要講的是不同熔絲的分級(jí)策略,單根熔絲的熔斷機(jī)理和耐久性考慮,我們單獨(dú)后面討論。如下圖所示,其實(shí)是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(shí)際的運(yùn)行情況。


圖6主熔絲里層熔斷的


自主設(shè)計(jì)的時(shí)候,就要考慮多種因素。這塊我們后面單獨(dú)展開。


3)利用考慮


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


圖7模組將來作為儲(chǔ)能使用的時(shí)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(gè)熔絲的情況還是非常重要的。所以從整個(gè)生命周期的設(shè)計(jì)考慮到后期,這個(gè)參數(shù)要調(diào)平。


表1電流不同狀態(tài)分解表


小結(jié):熔絲設(shè)計(jì)要做大量的實(shí)驗(yàn),還要和整車的實(shí)際工作情況做匹配。假如做不好,要么保護(hù)不起用途,要么經(jīng)常性熔斷。


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