電動汽車鋰離子動力電池系統電流保護體系分析

趙曉艷，樊建強，趙 虎

（晉中信息學院，山西 太谷 030800）

隨著國內電動汽車保有量的快速增長，電動汽車的安全問題也越來越突出，而電動汽車的安全問題主要集中在鋰離子動力電池上。本文以危害較為嚴重的大電流安全問題為研究對象，詳細分析了動力電池系統電流的大小等級，并對過大電流的成因做了深入分析，最后對大電流的保護措施進行了論述，為動力電池安全體系的研究提供了一定的參考。

1 動力電池系統電流大小等級劃分

動力電池系統在車輛運行過程中，其電流是隨時間不斷變化的，根據系統設計的電氣參數與實際電流數值的關系，本文將電池系統可能出現的電流大小等級分為3個區間，即額定電流區、電流過載區、熔斷保護區，其中電流過載區又可根據過載的程度分為輕度過載區和重度過載區。電流區間劃分如圖1所示。

1.1 額定電流區

圖1中顯示區間（0，a）、（-a，0）為額定電流區，該區間是電池系統設計的正常電流工作區域，正常工作時一般不會發生危險，該區域的電流通斷由電池管理系統配合繼電器來實現電流通路的通斷。

1.2 電流過載區

圖1中顯示區間（a，b）、（-b，-a）為電流過載區，該區間的電流已經超出了通斷電路上繼電器的負載能力。這種情況出現的原因主要有2種：第一，車輛上陡坡或者瞬間加速，需要較大的驅動功率導致電流超過設計值[1]；第二，高壓系統故障或者微短路造成的過大電流。按照電流超過額定電流的程度，又可將電流過載區分為輕度過載區和重度過載區。

1.2.1 輕度過載區

車輛在行駛過程中使得電流處于在輕度過載區時，由于動力電池系統的電流值未超出系統設計值太多，因此其電流過載程度仍在電氣元件的可承受范圍內，但若電池系統在該區間長期工作，電器元件的性能及壽命也受到一定的損傷。

1.2.2 重度過載區

車輛在行駛過程中使得電流處在重度過載區，由于動力電池系統的電流值已經超出系統設計值太多，即使短時間在此區間工作也會對電路元器件造成一定的損傷，并且在此區間內如果對繼電器進行通斷操作，容易粘死或爆炸；如若系統長期在此區期間運行，則系統元器件極其容易失效，更甚者，繼電器和保險絲可能會在該區間短時間內積聚大量熱量直接發生爆炸。

1.3 熔斷保護區

區間（b，c）、（-c，-b）為熔斷保護區，該區間出現的大電流一般是直接短路導致的，當電池系統電流值達到該區間時，保險絲會在一定的時間內熔斷，從而保護電池系統。

2 鋰離子單體電池與電池模組的差異

鋰離子電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料，是使用非水電解質的電池。

充電式正極上發生的反應為：

充電負極上發生的反應為

充電電池總反應：電池模組是由若干單體電池串并聯構成的，其中電池間的連接件、電壓控制部件等是必不可少的，從而導致電池模組比能量下降，因此電池模組比能量比單體電池低。并且在充放電的過程中，由于各個單體電池充放電時電壓不可能完全一樣，各類電池都具有該特性，因此，充放電時單體電池間電壓差異將會對電池模組性能帶來影響。然而，由于材料的不同，單體電池間充放電電壓差也不同，鋰離子電池充電終止電壓相差2.4%，從而導致電池組放出的能量相差13%~44%[2]。

3 動力電池系統產生過大電流的原因

由于電池材料特性的限制，單體的電池電壓一般小于5V，因此想要利用電池驅動汽車運行，需要將若干個單體電池進行串并聯構成電池模組，然后再對電池模組進行串并聯構成動力電池系統。因此對于單體電池、電池模組和動力電池系統來說，產生過大電流的原因有所差別。

3.1 單體電池產生過大電流的原因

能引起單體電池內部電流過大的原因有很多，根據是否受到外力作用可將原因分為內部原因、外部原因2種。內部原因主要是指加工工程中的工藝問題或者使用工程中過度充放電問題，導致單體電池內的正負極片接觸在一起引起短路；外部原因主要是指單體電池由于外力的作用產生變形或破壞使單體電池內的正負極片接觸在一起引起短路。單體電池內部短路會導致單體電池溫度過高，進而引發熱失控。同時，動力電池系統回路電流過大也會導致單體的電流過大。

3.2 電池模組產生過大電流的原因

電池模組電流過大的原因可以分為2個方面。一方面，由于受到外力作用，破壞了電池模組及其內部的結構，造成電池模組內部短路，在電池模組內部產生較大的電流回路；另一方面是當整套動力電池系統回路電流較大時，流過單個電池模組內的電流也會變大[3]。

3.3 電池系統整體產生過大電流的原因

電池系統電流過大的原因也可以分為2個方面。一方面，由于外力作用對電器元件造成破壞，使得系統回路產生短路，產生較大電流；另一方面，當車輛需要大功率運行的時候，整個電池系統會出現過大電流的情況。

4 動力電池電流過大的保護措施

4.1 單體電池的拉斷保護裝置

對于單體電池來說，通常會在電池的正極或負極上設計拉斷保護裝置。當單體電池電流過大時，單體電池內部的壓力隨之變大，當其內部壓力超過拉斷保護裝置的預設壓力后，拉斷保護裝置進行拉斷從而斷開正負極與極片的電流通路對單體電池形成保護，拉斷保護裝置的拉斷壓力大小為1.2~1.6 MPa，單體電池外部短路或電池內部某些形式的短路都會造成單體電池內部壓力過大，而拉斷保護裝置的作用范圍只限于單體內部的電流過大情況。

4.2 電池模組的保險絲保護

電池模組保險絲的作用主要應用在單個電池模組正負極短路以及其他電流經過該模組保險絲的情形下。電池模組及其保險絲一般安裝在電池箱內部，拆裝比較復雜，一般對于系統層級的大電流，應該由系統級的防護措施來保護，因此精心選擇和正確放置保護元器件進行過電壓和短路保護尤為重要。

4.3 動力電池系統的MSD保護

MSD是手動開關的簡稱（也稱過載保護開關），MSD的主要作用有2個。第一，當系統需要維護時，將MSD開關斷開，斷開動力電池系統產生的高壓，從而確保維修安全；第二，MSD中含有保險絲，當出現動力電池系統總正總負短路時或其他過大電流經過MSD保險絲情況時，MSD保險絲將會熔斷，切斷短路電流，保證系統安全。MSD一般安裝在電池箱的外部，以方便更換。

5 結語

對汽車動力電池系統過大電流的大小等級進行了劃分，并對其不同構成層級產生的過大電流原因及其對應的保護措施進行分析研究，并得到以下結論。

（1）對于電動汽車鋰離子單體電池來說，造成系統內電流過大的原因是多樣的，不同層級的過大電流問題要采用不同的保護措施。

（2）對于系統級別的過大電流，應用MSD進行防護，而不能單利用模組保險絲進行防護，并且使用MSD進行保護時，MSD中保險絲的熔斷電流要小于模組保險絲的熔斷電流。