动力锂离子电池系统外短路安全研究

＊陈昶 张文忠 邢学彬 王占国 李茂

（1.中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 130062 2.北京交通大学 电气工程学院 北京 100044）

1.研究背景

近年来，随着环境污染和能源紧缺等问题的加剧，国家以在“十三五”规划中明确表示重点发展新能源产业，电动汽车产业也随之迅速发展。与此同时，由电池热失控引发的电动汽车起火、爆炸等事故也相继发生。自2014年起，就接连发生电动汽车着火事故。数据统计，电动汽车起火的三大原因是电池自燃、充电和汽车碰撞，而这些起因大多是由电池的内部短路和外部短路引发的。目前，研究人员集中研究电池内部短路，然而作为电池安全风险重要部分的外短路（ESC）研究较少。因此，研究外短路对锂离子动力电池应用安全的影响至关重要。

本文将通过文献调研，简要阐述外短路研究现状，并根据现有的研究空白，提出了一种通过对电池系统进行层级划分，从而实现对电池系统熔断保护的递归分析方法。

2.外短路研究现状

(1)外短路特性

为了得到外部短路对锂离子电池安全的影响，许多研究人员对锂离子电池进行了短路实验。实验发现当电池外短路后，电流在短时间内就达到最大值，并随着时间的推移逐渐减小；电压保持恒定直至突变为0V；电池表面温度不断上升。Z.Chen等[1]对不同SOC状态和环境温度下的电池进行外短路滥用测试，将电池电流逐渐减小的过程定义为连续大电流（CHC）平台，同时发现，当电池未发生泄漏，CHC阶段的持续时间随着荷电状态的降低和环境温度的降低变长。CHC阶段持续时间越长，产生的焦耳热越大，如果发生泄漏，有泄漏的电池往往比没有泄漏的电池产生更高的温升。Z.Chen等[2]还对电流迅速增长阶段的峰值电流进行了测试。结果显示，不同荷电状态（SOC）下，电池具有不同的电流变化曲线，但峰值电流非常接近。根据外短路时电池的特性可以发现，当电池发生外短路时，电流、温度均会快速升高，这些均为外电路故障诊断提供了支持。

(2)外短路研究现状

目前，越来越多的学者对外短路进行了研究。如文献[3]建立均匀化的物理化学模型来模拟电池发生外短路。然而电化学模型由于起较大的计算量不适用于电池在线故障诊断，因此文献[2]基于一阶RC模型，通过引入描述外短路过程的变量建立了改进版的一阶RC模型。

目前，诊断方法可分为三类，分别为阈值方法、数据分析方法和模型方法。阈值法很难保证在电动汽车电池的整个寿命周期内传感器的测量性能，因此大多数研究通过数据分析法和模型方法来实现外短路的故障诊断。文献[2]利用动态邻域粒子群优化算法（PSO），提出了分层进行故障诊断。文献[4]为提出了一种基于RF的三步在线外短路故障诊断算法，及当电流测量值高于阈值或电压低于阈值时，建立FOM故障模型，并计算模型估计和电池测量之间的端电压RMSE，根据RMSE值判断电池是否发生了ESC故障。此外，由于空间和制造成本的限制，并不是所有的电池都配备电流传感器，因此文献[5]提出了一种基于人工神经网络的方法，仅利用电压信息来估计短路电池的电流，应利用该电流预测电池表面温度，防止热失控的发生。

3.电池系统分级熔断保护方法

(1)外短路防护边界

电池外短路防护中，存在两条反时限的防护边界条件，分别为性能防护边界和安全防护边界。两条防护边界将熔断器的熔断特性划分为三个区间，分别对应熔断后电池无性能损伤、熔断后电池无安全风险但有性能损伤以及无法保证系统外短路场景熔断安全，如图1所示。

图1 外短路防护边界

针对电池系统外短路防护安全设计，需要明确电池性能防护边界和安全防护边界以作为防护设计的依据。对于特定电池类型，需要采用测试逼近法逐渐向两条边界条件靠近，即需要设计电流与熔断时间的正交测试试验，逐渐逼近并拟合出两条防护边界曲线。目前，可以进行大电流分断测试的设备主要包括充放电设备、短路测试设备以及熔断器等。然而，在以上三种主要的大电流分断设备均存在各自问题，因此我们搭建一个切实可靠的短路电流和短路时间双重可控的短路测试平台，来实现电池的电流与分断时间的正交测试试验。

利用MOS管具有较高的开关频率，从而实现短时分断时间的可控。此外，MOS管在通态时会有一个通态电阻，在导通时可以将其看成一个纯电阻来进行分析。根据电阻并联后阻值越并越小的原理，就能通过调整短路支路的数量调整短路外电阻，以此来调节短路电流大小。通过设置短路时间和短路电流，可以对短路时大电流熔断场景进行故障复现，并结合电池性能评价测试方法，进行多次短路试验，对熔断过程电池损伤进行定量的分析和评价，获取电池的安全防护边界和性能防护边界。

(2)分级熔断保护

图2 熔断保护流程图

在电池系统外短路防护中可靠性最高的是通过增加熔断器防护，保证系统在产生异常大电流时可以及时熔断以切断回路，从而保证系统安全。但熔断器有明显的反时限特性（电流越大，熔断时间越短），且不同种类的熔断器适用的电流防护范围不同。因此熔断器选型对电池系统熔断保护设计至关重要。若熔断器选型不合理，可能会造成以下几种情况：①熔断器不能及时熔断，电池系统已经出现安全问题，如热失控、着火、爆炸；②熔断器可以熔断，避免着火爆炸风险，但电池系统已经发生损坏，如电池过温、鼓胀等，后续使用具有隐患；③熔断器可以熔断，保护电池不发生损坏，但由于保护阈值太低，造成熔断器频繁熔断。

因此，本文提出了一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法，针对电池系统内的不同层级单元进行熔断保护分析，保证电池在遇外短路事故时不发生起火或爆炸事故，在规定情况下对电池性能实现有效保护，同时提高熔断器正常应用的可靠性。

保证电池在遇外短路事故时不发生起火或爆炸事故，在规定情况下对电池性能实现有效保护，首先需要对电池系统进行划分。针对不同的外短路风险节点，本次将系统分为五个层级，分别为系统、子系统、电池包、模块和单体层级。然后根据系统各层级设计使用功率、电压、容量以及拓扑结构，确定电池系统各层级使用电流上限。从系统层级出发，确定系统最大使用功率为Pmax_s，电压下限为Umin_s，则电池系统设计使用电流上限为Imaxs=Pmaxs/Umins；从单体层级出发，由于电池通过并联方式起到分流作用，因此电池单体的使用电流上限为Imaxc=Pmaxs/N，N为单体并联数。接下来根据电池系统特定层级安全防护需求，确定该层级的电流防护边界要求，同时根据电池电压、内阻、串并联结构，计算相应层级短路电流大小等级，确定系统特定层级熔断保护设计的上限和下限。最后从第1层级开始，完成该层级熔断保护设计分析后，对下一层级重新进行熔断保护设计分析，直至完成系统所有层级的熔断保护设计分析。

4.结论

本文首先对外短路现状进行简要阐述。其次为了得到准确的防护边界条件，搭建一个切实可靠的短路电流和短路时间双重可控的短路测试平台，来实现电池的电流与分断时间的正交测试试验。最后，提出了一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法，实现对电池性能的有效保护，同时提高熔断器正常应用的可靠性。