纯电动车短路保护设计分享

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纯电动车短路保护设计分享

单体测试：按照GBT31485的要求为，短路电阻<5毫欧，时间10分钟。实际需要根据的最小单元连接情况来增加对此情况的模拟。
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和老大商量近期的工作重点，短期内能做出点成绩来的，主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，电气部分需要设计承受的。

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图1 电池系统电气层级一些问题

5 c# k& j0 q$ ^! u$ [5 q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。

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表1 功能失效问题

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图2 各个层级的短路要求

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

8 W# u; [9 o* U; R4 ]MSD分断半包测试：此项内容，主要考虑一个极端情况，在MSD内系统熔丝不起作用的条件下看整个设计的情况。
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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。
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) _8 j: _6 [+ j. ~* Q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。实际需要根据电池的最小单元连接情况来增加对此情况的模拟。

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表2 现有国内外标准和未来GB此项功能试验内容分配

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不同层级有不同的做法：
$ V: w7 g( X) i1）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

+ G+ j9 ?) O5 ]2 X2 V9 j1 b2）MSD里面的熔丝，需要仔细考虑这种情况
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6 ]6 _* A1 C1 ~4 q% i6 [; R以上层级在Pack层级大家做的比较多
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模块层级，前面也谈过了，主要考虑这种设计，或者采用J-bar来打孔来做，这里重点需要在模组层级考虑这个内容。
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  e# B+ y; K/ z6 L: s! u" _2 D实际的半包的短路效果很直接的
+ A3 t4 e4 i5 a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,起到短路保护的作用。

2 t" S' i/ F8 J" c0 f5 F1、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

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2、硬壳电池在每个电芯配一个Fuse的设计

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

1）熔丝的分层细化
, J7 l$ s  @1 i2 J分级熔断防护主要是把整个电池包的短路分为四层
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. J5 z  O4 K7 l3 p; Y* F. x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：这一层主要是防止模组级别的短路，现在挺多公司予以省略了。

; i& K5 C2 y+ _; e电池系统熔丝：一般也称为Half Pack熔丝，防止电池系统外部短路的目的
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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，主熔丝需要放在刀刃上，所以需要给配电部分配置单独的熔丝予以考虑

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图1 单体熔丝与模组熔丝

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图2 模组熔丝和电池系统熔丝

1 C; P, a+ o8 D: C: G9 c8 j2）熔丝设计考虑-熔丝考虑
保护设备的时间-电流曲线需要考虑两部分，

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。

3 d/ R% N, {; v' r1 p5 _0 n电流异常区域（红色阴影部分），此时熔丝需要动作，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。
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短路电流随电池状态的不同而不同，在不同SOC和EOL状态下，在设计中需要考虑这个。

图3 短路设计考虑

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4 ~! i) h. }& Q# l9 A; z在实际的考虑中，需要把参数进行转化。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，最主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。
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图4 多层级保护描述

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( u& |* ]6 `, \4 e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。

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图5 多层级时间熔断分解

, `  ~% n# ?' S% ^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。

2 n# m1 C6 R( M( l4 o备注：这里主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，其实是需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

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$ _: `, E" g5 V! c& I. W2 {6 X自主设计的时候，就需要考虑多种因素。这块我们后面单独展开。
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3）利用考虑
8 o( ?; p8 f# E. @8 |) |由于现在的电池系统设计，是需要考虑梯次利用的，所以我们也需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。
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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

4 p  u( O9 j0 R- y* V! V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，这个参数需要调平。

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表1 电流不同状态分解表

小结：熔丝设计需要做大量的实验，还需要和整车的实际工作情况做匹配。如果做不好，要么保护不起作用，要么经常性熔断。

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