電動汽車鋰離子動力電流計算研究
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摘要：以電動汽車鋰離子動力電池系統(tǒng)為研究對象，對業(yè)內(nèi)主流的電池系統(tǒng)短路電流計算方法進行對比分析，提出一種改進的短路電流計算方法并進行驗證。
關(guān)鍵詞：電動汽車；動力電池；短路電流
近年來電動汽車自燃事故頻發(fā)，以某知名新能源車廠召回事件為例，電池廠家公告顯示事故原因為動力電池模組內(nèi)的電壓采樣線束個別走向不當(dāng)，在極端情況下被模組上的蓋板擠壓導(dǎo)致磨損，從而造成短路［1－2］。鋰離子動力電池是電動汽車廣泛采用的儲能元件［3］，其安全性能是重中之重，而動力電池短路事故是動力電池應(yīng)用過程中最嚴重的事故之一，因此，研究動力電池短路電流的計算方法具有非常重要的工程應(yīng)用意義。預(yù)期短路電流一般分為預(yù)期最大短路電流和預(yù)期最小短路電流，是作為短路保護器件的主要選型依據(jù)。其中預(yù)期最大短路電流一般認為是發(fā)生在電源端的短路電流，線路阻抗較小，短路電流最大；預(yù)期最小短路電流一般認為是發(fā)生在電路末端的短路電流，線路阻抗較大，短路電流最小。本文研究發(fā)生在動力電池系統(tǒng)電源端的最大預(yù)期短路電流的計算方法。
1電化學(xué)電池短路電流計算方法
11DL／T5044—2014方法目前國內(nèi)外還沒有針對電動汽車鋰離子動力電池短路電流計算的標準，部分電動汽車主機廠在計算短路電流時參考DL／T5044—2014。DL／T5044是我國電力行業(yè)針對傳統(tǒng)鉛酸電池及堿性電池（鎳鎘等）短路電流計算的權(quán)威標準，該標準計算模型如圖1所示。其提出的蓄電池端子預(yù)期短路電流計算公式為［4］Ik＝Un／［n（rb＋r1）＋rc］（1）式中：Ik為蓄電池組連接的直流母線上的短路電流；Un為蓄電池組的標稱電壓（110V或220V）；n為蓄電池個數(shù)；rb為蓄電池組的內(nèi)阻，通過30s內(nèi)的二次放電法測試［5］得到；r1為蓄電池組連接條（蓄電池間連接用導(dǎo)電部件）電阻；rc為蓄電池端子到直流母線的連接電纜或?qū)Ь€的電阻。
12某鋰離子電池廠家的計算方法
某行業(yè)頭部鋰離子電池企業(yè)提供的鋰離子電池短路電流計算公式為Isc＝Un／（Rl＋Rn）（2）式中：Isc為電池系統(tǒng)短路電流；Un為電池系統(tǒng)額定電壓；Rn為電池系統(tǒng)10s直流內(nèi)阻；Rl為線纜電阻。13上述兩種計算方法分析綜合比較DL／T5044—2014和某鋰離子電池企業(yè)的短路電流計算方法發(fā)現(xiàn)：1）其計算原理一致，均采用了歐姆定律。2）電池電壓值分別選取了標稱電壓和額定電壓，均為經(jīng)驗取值，無理論依據(jù)。3）兩種算法所采用的內(nèi)阻取值均為電池系統(tǒng)在一定時間內(nèi)（秒級）的直流內(nèi)阻。但電池系統(tǒng)短路工況是在極短的時間內(nèi)完成的，短路瞬間電流極大，熔斷器的保護動作時間一般是毫秒級。相關(guān)研究表明：隨著脈沖時間的增加，磷酸鐵鋰動力電池的內(nèi)阻呈增長趨勢；隨著放電電流增大，電池的極化內(nèi)阻和直流內(nèi)阻呈減小趨勢［6］。故采用10s級電池直流內(nèi)阻進行電池系統(tǒng)短路電流計算是不科學(xué)的。
2一種改進的方法及其關(guān)鍵參數(shù)取值
21改進的計算方法
如圖2所示，動力電池外短路時，電池本體可等效為理想電壓源（Us）＋電池內(nèi)阻抗（Zi）的串聯(lián)；外阻抗主要由線纜阻抗（Rl）組成；ZL是動力電池系統(tǒng)等效電路的外部負載。根據(jù)歐姆定律，短路電流Isc計算公式為Isc＝Us／（R1＋Zi）（3）式中：Us為電池系統(tǒng)在100％SOC下的開路電壓；Zi為電池系統(tǒng)100％SOC時在1kHz下的交流內(nèi)阻。
22改進算法中的關(guān)鍵參數(shù)取值
221電池電壓取值。由式（3）可知，在線纜阻抗一定的情況下，電池系統(tǒng)短路電流與電池電壓成正比，與電池內(nèi)阻成反比。在實際應(yīng)用中，電池系統(tǒng)有充電、放電、靜置三種工作狀態(tài)，而短路故障本質(zhì)上是電池系統(tǒng)大電流放電的狀態(tài)，此狀態(tài)下電池電壓會被拉低，無論是從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)入短路狀態(tài)，還是從靜置狀態(tài)轉(zhuǎn)入短路狀態(tài)，其瞬態(tài)短路電壓值均不會超過電池系統(tǒng)開路電壓。故計算電池系統(tǒng)預(yù)期短路電流宜采用電池在靜置狀態(tài)下的開路電壓。圖3為磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)（SOC）與開路電壓（OCV）曲線，由曲線可知電池OCV隨SOC增加而升高?？紤]到在不同SOC狀態(tài)下鋰電池的歐姆內(nèi)阻基本無變化［7］，為便于計算，式（3）中的電池電壓應(yīng)取電池SOC為100％時的開路電壓。222電池內(nèi)阻取值。鋰離子電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻指由電極材料、隔膜、電解液電阻及各個零件之間的接觸內(nèi)阻組成的電阻之和。極化內(nèi)阻指電池化學(xué)反應(yīng)過程中極化所造成的內(nèi)阻，包括電池化學(xué)極化和濃度極化造成的內(nèi)阻［8］。當(dāng)電池系統(tǒng)短路時，在非常短的時間內(nèi)（毫秒級）便會產(chǎn)生極大短路電流，并觸發(fā)短路保護裝置，此時電池內(nèi)部的極化過程才剛開始，極化內(nèi)阻很小，電池的內(nèi)部阻抗主要為歐姆內(nèi)阻?？紤]到電池系統(tǒng)短路電流與電池內(nèi)阻成反比，計算電池系統(tǒng)預(yù)期短路電流宜采用電池在靜置狀態(tài)下的歐姆內(nèi)阻。由于歐姆內(nèi)阻的測量方式較為復(fù)雜，在工程應(yīng)用中不易實現(xiàn)，故本算法使用與其相近的交流內(nèi)阻測試儀在1kHz下測得的交流內(nèi)阻等效替代［9］。
3算法比較
以某款314Ah磷酸鐵鋰電池（單體）為例進行短路試驗，試驗原理如圖4所示。試驗前各參數(shù)如下：電池開路電壓Us＝33945V，電池1kHz交流內(nèi)阻Zn＝01546mΩ，采樣電阻Rc＝04mΩ，電池額定電壓Un＝32V，電池30s內(nèi)二次放電法測試內(nèi)阻值rb＝04865mΩ，電池10s直流阻抗內(nèi)阻Rn＝05145mΩ。根據(jù)式（1）計算電池系統(tǒng)預(yù)期短路電流Ik＝32V／（04865＋04）mΩ＝3609A。根據(jù)式（2）計算電池系統(tǒng)預(yù)期短路電流Isc＝32V／（05145＋04）mΩ＝3499A。根據(jù)式（3）計算電池系統(tǒng)預(yù)期短路電流Isc＝33945V／（01546＋04）mΩ＝6120A。短路試驗數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，電池系統(tǒng)短路時短路電流呈下降趨勢，電池系統(tǒng)01s實際短路電流為6733A，與改進算法（3）的理論計算值6120A相差不大，而與式（1）和式（2）的理論計算值差距很大，說明本文提出的鋰離子電池短路計算方法更加準確有效。動力電池短路電流計算的工程意義在于輔助短路保護器件的選型，而電池直流系統(tǒng)的短路保護一般使用直流熔斷器。由于電池短路具有極端破壞力，這就要求直流熔斷器的熔斷曲線要盡量契合電池系統(tǒng)的短路特性，一般要求分斷配合要做到01s以內(nèi)。
4結(jié)束語
本文在傳統(tǒng)短路電流計算方法基礎(chǔ)上，通過分析動力電池系統(tǒng)短路等效電路和短路過程中的電壓、電池內(nèi)阻等參數(shù)，提出了一種改進的電池系統(tǒng)短路電流計算方法，并從工程應(yīng)用角度對計算公式中各參數(shù)取值進行了優(yōu)化處理。試驗表明，改進后的短路電流計算方式更貼近工程實際應(yīng)用情況。
作者:王宏偉 黃河 劉進程 鐘雄武 單位:中車時代電動汽車股份有限公司