【導(dǎo)讀】電池包(Pack)的短路安全性,越來越受到消費者的重視。除了pack層極的短路保護之外,模組層級也需要考慮短路保護設(shè)計,GBT31485對模組的短路也有要求。這里我們分享一些模組短路保護的思路,拋磚引玉。
模組的短路包含模組的高壓連接外短路與采樣線短路兩種常見情況。
1.模組的高壓連接外短路
模組的短路危害方式可分為兩種,一種是短時間的短路,一種是長時間的短路。
(1)模組的短時間的外短路,即外部在短時間短路時,模組的所有電芯都都處于短路回路中,根據(jù)模組的電壓、DCR與短路電阻(如測試設(shè)備電阻等)計算,短路電流常達到3000~5000A。在很短的時間內(nèi),模組內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱,如果設(shè)計上不做保護,電芯很容易出現(xiàn)防暴閥打開,甚至起火的安全風(fēng)險。
針對這種情況,可以在每個Cell的內(nèi)部設(shè)計一個Fuse(國外有針對每個電芯焊接一個Fuse的設(shè)計,國內(nèi)也有針對每個電芯配一個貼片F(xiàn)use的設(shè)計,具體形式可以有很多種),在短路瞬間,斷開電流回路,起到短路保護的作用。(也有采用PTC進行保護的方案,溫度升高時電芯電阻陡增,從而限制大的短路電流。)
(2)模組長時間的短路,上面我們已經(jīng)提到,通過電芯的fuse,當(dāng)模組短路時,可以斷開回路,是否意味著pack系統(tǒng)因為電流回路的斷開就安全呢?實際上并不是這樣的。這一點容易被忽視掉。
我們先講電芯fuse斷開的情況,根據(jù)下圖所示,模組短路時,電流回路已經(jīng)斷開,即Fuse2由通路轉(zhuǎn)為開路(短路時,一般會有其中一串先斷開,很少有多串同時斷開的情況),由于外短路的連接,Cell2的外部形成一個UCell1+Ucell2+UcellX的電壓,這個反向電壓可能會對電芯內(nèi)部進行電解,同時累積熱量,當(dāng)熱量達到一定長度后,電解產(chǎn)生的氣體將沖破防暴閥,容易出現(xiàn)起火現(xiàn)象。
說明:以上的Fuse1是指Cell內(nèi)部的保險部件,在電芯短路時會斷開電芯與外界的連接。 Fuse1Cell1Fuse2Cell2Fuse3Cell3+_U反=UCell1+Ucell2+UcellX外部短路部件短路后,新的電壓回路。
這里需要注意,模組的電壓一般都比較低,反向電壓對電芯的破壞較小,而在pack系統(tǒng)中,該反向電壓會很大,危害會更突出。
另外一種是電芯外部增加fuse的設(shè)計方案,比如在模組的busbar上設(shè)計薄弱的過流界面。模組短路時,busbar會熔斷,從而起到短路斷開功能。這樣設(shè)計有一個優(yōu)點:短路斷開時,電芯不會有反向電壓。同樣的,在pack系統(tǒng)中,該反向電壓會比較高,busbar熔斷常伴隨著拉弧等安全問題。
為了降低短路危害,需要在pack主回路中增加fuse。一般的MSD常帶有fuse功能,關(guān)于fuse熔斷曲線的要求,我們以前的文章已經(jīng)介紹過,這里不再贅述。
2.模組的采樣線短路
模組的采樣線原則上也屬于高壓線束,其短路形式可以分為兩種情況,一種是采樣線的直接短路,另外一種是采樣線進水短路。
采樣線直接短路常出現(xiàn)在線束被擠壓的情況下。比如模組的搬運過程中可能不小心擠壓到線束,或者由于pack設(shè)計的不合理,在振動、沖擊、碰撞等情況下,線束可能破損引起短路。
關(guān)于這類的問題,一般的解決方案是在每跟采樣線增加一個小的Fuse,當(dāng)采樣線出現(xiàn)短路,這個Fuse就會斷開短路相關(guān)的電芯,避免線束燃燒,實現(xiàn)保護模組的目的。
Fuse1 Cell1 Fuse3 Cell2 Fuse3 Cell3 Fuse2 Fuse4 CSC采樣電路
采樣線的另外一種常見短路形式是進水短路。這種類型的短路電流受短路介質(zhì)、接觸情況影響,短路電流一般很小。該短路的破壞形式也比較復(fù)雜,一方面是大阻抗小電流放熱,一方面有水電解引起的線束燃燒風(fēng)險。通過采樣線束增加fuse的方法不能完全解決該問題。基于此,pack設(shè)計上需要講究,避免水進入到采樣線束連接接頭,如有可能,可考慮采樣防水連接器。