＊陳昶 張文忠 邢學(xué)彬 王占國(guó) 李茂

（1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 吉林 130062 2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 北京 100044）

1.研究背景

近年來(lái)，隨著環(huán)境污染和能源緊缺等問(wèn)題的加劇，國(guó)家以在“十三五”規(guī)劃中明確表示重點(diǎn)發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。與此同時(shí)，由電池?zé)崾Э匾l(fā)的電動(dòng)汽車(chē)起火、爆炸等事故也相繼發(fā)生。自2014年起，就接連發(fā)生電動(dòng)汽車(chē)著火事故。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)汽車(chē)起火的三大原因是電池自燃、充電和汽車(chē)碰撞，而這些起因大多是由電池的內(nèi)部短路和外部短路引發(fā)的。目前，研究人員集中研究電池內(nèi)部短路，然而作為電池安全風(fēng)險(xiǎn)重要部分的外短路（ESC）研究較少。因此，研究外短路對(duì)鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用安全的影響至關(guān)重要。

本文將通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，簡(jiǎn)要闡述外短路研究現(xiàn)狀，并根據(jù)現(xiàn)有的研究空白，提出了一種通過(guò)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行層級(jí)劃分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)熔斷保護(hù)的遞歸分析方法。

2.外短路研究現(xiàn)狀

(1)外短路特性

為了得到外部短路對(duì)鋰離子電池安全的影響，許多研究人員對(duì)鋰離子電池進(jìn)行了短路實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池外短路后，電流在短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到最大值，并隨著時(shí)間的推移逐漸減小；電壓保持恒定直至突變?yōu)?V；電池表面溫度不斷上升。Z.Chen等[1]對(duì)不同SOC狀態(tài)和環(huán)境溫度下的電池進(jìn)行外短路濫用測(cè)試，將電池電流逐漸減小的過(guò)程定義為連續(xù)大電流（CHC）平臺(tái)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池未發(fā)生泄漏，CHC階段的持續(xù)時(shí)間隨著荷電狀態(tài)的降低和環(huán)境溫度的降低變長(zhǎng)。CHC階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的焦耳熱越大，如果發(fā)生泄漏，有泄漏的電池往往比沒(méi)有泄漏的電池產(chǎn)生更高的溫升。Z.Chen等[2]還對(duì)電流迅速增長(zhǎng)階段的峰值電流進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，不同荷電狀態(tài)（SOC）下，電池具有不同的電流變化曲線，但峰值電流非常接近。根據(jù)外短路時(shí)電池的特性可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池發(fā)生外短路時(shí)，電流、溫度均會(huì)快速升高，這些均為外電路故障診斷提供了支持。

(2)外短路研究現(xiàn)狀

目前，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)外短路進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[3]建立均勻化的物理化學(xué)模型來(lái)模擬電池發(fā)生外短路。然而電化學(xué)模型由于起較大的計(jì)算量不適用于電池在線故障診斷，因此文獻(xiàn)[2]基于一階RC模型，通過(guò)引入描述外短路過(guò)程的變量建立了改進(jìn)版的一階RC模型。

目前，診斷方法可分為三類(lèi)，分別為閾值方法、數(shù)據(jù)分析方法和模型方法。閾值法很難保證在電動(dòng)汽車(chē)電池的整個(gè)壽命周期內(nèi)傳感器的測(cè)量性能，因此大多數(shù)研究通過(guò)數(shù)據(jù)分析法和模型方法來(lái)實(shí)現(xiàn)外短路的故障診斷。文獻(xiàn)[2]利用動(dòng)態(tài)鄰域粒子群優(yōu)化算法（PSO），提出了分層進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)[4]為提出了一種基于RF的三步在線外短路故障診斷算法，及當(dāng)電流測(cè)量值高于閾值或電壓低于閾值時(shí)，建立FOM故障模型，并計(jì)算模型估計(jì)和電池測(cè)量之間的端電壓RMSE，根據(jù)RMSE值判斷電池是否發(fā)生了ESC故障。此外，由于空間和制造成本的限制，并不是所有的電池都配備電流傳感器，因此文獻(xiàn)[5]提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，僅利用電壓信息來(lái)估計(jì)短路電池的電流，應(yīng)利用該電流預(yù)測(cè)電池表面溫度，防止熱失控的發(fā)生。

3.電池系統(tǒng)分級(jí)熔斷保護(hù)方法

(1)外短路防護(hù)邊界

電池外短路防護(hù)中，存在兩條反時(shí)限的防護(hù)邊界條件，分別為性能防護(hù)邊界和安全防護(hù)邊界。兩條防護(hù)邊界將熔斷器的熔斷特性劃分為三個(gè)區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)熔斷后電池?zé)o性能損傷、熔斷后電池?zé)o安全風(fēng)險(xiǎn)但有性能損傷以及無(wú)法保證系統(tǒng)外短路場(chǎng)景熔斷安全，如圖1所示。

圖1 外短路防護(hù)邊界

針對(duì)電池系統(tǒng)外短路防護(hù)安全設(shè)計(jì)，需要明確電池性能防護(hù)邊界和安全防護(hù)邊界以作為防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于特定電池類(lèi)型，需要采用測(cè)試逼近法逐漸向兩條邊界條件靠近，即需要設(shè)計(jì)電流與熔斷時(shí)間的正交測(cè)試試驗(yàn)，逐漸逼近并擬合出兩條防護(hù)邊界曲線。目前，可以進(jìn)行大電流分?jǐn)鄿y(cè)試的設(shè)備主要包括充放電設(shè)備、短路測(cè)試設(shè)備以及熔斷器等。然而，在以上三種主要的大電流分?jǐn)嘣O(shè)備均存在各自問(wèn)題，因此我們搭建一個(gè)切實(shí)可靠的短路電流和短路時(shí)間雙重可控的短路測(cè)試平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的電流與分?jǐn)鄷r(shí)間的正交測(cè)試試驗(yàn)。

利用MOS管具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)分?jǐn)鄷r(shí)間的可控。此外，MOS管在通態(tài)時(shí)會(huì)有一個(gè)通態(tài)電阻，在導(dǎo)通時(shí)可以將其看成一個(gè)純電阻來(lái)進(jìn)行分析。根據(jù)電阻并聯(lián)后阻值越并越小的原理，就能通過(guò)調(diào)整短路支路的數(shù)量調(diào)整短路外電阻，以此來(lái)調(diào)節(jié)短路電流大小。通過(guò)設(shè)置短路時(shí)間和短路電流，可以對(duì)短路時(shí)大電流熔斷場(chǎng)景進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，并結(jié)合電池性能評(píng)價(jià)測(cè)試方法，進(jìn)行多次短路試驗(yàn)，對(duì)熔斷過(guò)程電池?fù)p傷進(jìn)行定量的分析和評(píng)價(jià)，獲取電池的安全防護(hù)邊界和性能防護(hù)邊界。

(2)分級(jí)熔斷保護(hù)

圖2 熔斷保護(hù)流程圖

在電池系統(tǒng)外短路防護(hù)中可靠性最高的是通過(guò)增加熔斷器防護(hù)，保證系統(tǒng)在產(chǎn)生異常大電流時(shí)可以及時(shí)熔斷以切斷回路，從而保證系統(tǒng)安全。但熔斷器有明顯的反時(shí)限特性（電流越大，熔斷時(shí)間越短），且不同種類(lèi)的熔斷器適用的電流防護(hù)范圍不同。因此熔斷器選型對(duì)電池系統(tǒng)熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。若熔斷器選型不合理，可能會(huì)造成以下幾種情況：①熔斷器不能及時(shí)熔斷，電池系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)安全問(wèn)題，如熱失控、著火、爆炸；②熔斷器可以熔斷，避免著火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，但電池系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生損壞，如電池過(guò)溫、鼓脹等，后續(xù)使用具有隱患；③熔斷器可以熔斷，保護(hù)電池不發(fā)生損壞，但由于保護(hù)閾值太低，造成熔斷器頻繁熔斷。

因此，本文提出了一種電池系統(tǒng)熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)的遞歸分析方法，針對(duì)電池系統(tǒng)內(nèi)的不同層級(jí)單元進(jìn)行熔斷保護(hù)分析，保證電池在遇外短路事故時(shí)不發(fā)生起火或爆炸事故，在規(guī)定情況下對(duì)電池性能實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，同時(shí)提高熔斷器正常應(yīng)用的可靠性。

保證電池在遇外短路事故時(shí)不發(fā)生起火或爆炸事故，在規(guī)定情況下對(duì)電池性能實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，首先需要對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行劃分。針對(duì)不同的外短路風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，本次將系統(tǒng)分為五個(gè)層級(jí)，分別為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、電池包、模塊和單體層級(jí)。然后根據(jù)系統(tǒng)各層級(jí)設(shè)計(jì)使用功率、電壓、容量以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定電池系統(tǒng)各層級(jí)使用電流上限。從系統(tǒng)層級(jí)出發(fā)，確定系統(tǒng)最大使用功率為Pmax_s，電壓下限為Umin_s，則電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用電流上限為Imaxs=Pmaxs/Umins；從單體層級(jí)出發(fā)，由于電池通過(guò)并聯(lián)方式起到分流作用，因此電池單體的使用電流上限為Imaxc=Pmaxs/N，N為單體并聯(lián)數(shù)。接下來(lái)根據(jù)電池系統(tǒng)特定層級(jí)安全防護(hù)需求，確定該層級(jí)的電流防護(hù)邊界要求，同時(shí)根據(jù)電池電壓、內(nèi)阻、串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，計(jì)算相應(yīng)層級(jí)短路電流大小等級(jí)，確定系統(tǒng)特定層級(jí)熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)的上限和下限。最后從第1層級(jí)開(kāi)始，完成該層級(jí)熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)分析后，對(duì)下一層級(jí)重新進(jìn)行熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)分析，直至完成系統(tǒng)所有層級(jí)的熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)分析。

4.結(jié)論

本文首先對(duì)外短路現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。其次為了得到準(zhǔn)確的防護(hù)邊界條件，搭建一個(gè)切實(shí)可靠的短路電流和短路時(shí)間雙重可控的短路測(cè)試平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的電流與分?jǐn)鄷r(shí)間的正交測(cè)試試驗(yàn)。最后，提出了一種電池系統(tǒng)熔斷保護(hù)設(shè)計(jì)的遞歸分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池性能的有效保護(hù)，同時(shí)提高熔斷器正常應(yīng)用的可靠性。