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為研究對象，對業內主流的電池系統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，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的電壓采樣線束個別走向不當，在極端情況下被模組上的蓋板擠壓導致磨損，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用意義。預期短路電流一般分為預期最大短路電流和預期最小短路電流，是作為短路保護器件的主要選型依據。其中預期最大短路電流一般認為是發生在電源端的短路電流，線路阻抗較小，短路電流最大；預期最小短路電流一般認為是發生在電路末端的短路電流，線路阻抗較大，短路電流最小。本文研究發生在動力電池系統電源端的最大預期短路電流的計算方法。

1電化學電池短路電流計算方法

11DL／T5044—2014方法目前國內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是我國電力行業針對傳統鉛酸電池及堿性電池（鎳鎘等）短路電流計算的權威標準，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；rb為蓄電池組的內阻，通過30s內的二次放電法測試［5］得到；r1為蓄電池組連接條（蓄電池間連接用導電部件）電阻；rc為蓄電池端子到直流母線的連接電纜或導線的電阻。

12某鋰離子電池廠家的計算方法

某行業頭部鋰離子電池企業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為電池系統短路電流；Un為電池系統額定電壓；Rn為電池系統10s直流內阻；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的短路電流計算方法發現：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，均為經驗取值，無理論依據。3）兩種算法所采用的內阻取值均為電池系統在一定時間內（秒級）的直流內阻。但電池系統短路工況是在極短的時間內完成的，短路瞬間電流極大，熔斷器的保護動作時間一般是毫秒級。相關研究表明：隨著脈沖時間的增加，磷酸鐵鋰動力電池的內阻呈增長趨勢；隨著放電電流增大，電池的極化內阻和直流內阻呈減小趨勢［6］。故采用10s級電池直流內阻進行電池系統短路電流計算是不科學的。

2一種改進的方法及其關鍵參數取值

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）＋電池內阻抗（Zi）的串聯；外阻抗主要由線纜阻抗（Rl）組成；ZL是動力電池系統等效電路的外部負載。根據歐姆定律，短路電流Isc計算公式為Isc＝Us／（R1＋Zi）（3）式中：Us為電池系統在100％SOC下的開路電壓；Zi為電池系統100％SOC時在1kHz下的交流內阻。

22改進算法中的關鍵參數取值

221電池電壓取值。由式（3）可知，在線纜阻抗一定的情況下，電池系統短路電流與電池電壓成正比，與電池內阻成反比。在實際應用中，電池系統有充電、放電、靜置三種工作狀態，而短路故障本質上是電池系統大電流放電的狀態，此狀態下電池電壓會被拉低，無論是從充電狀態轉入短路狀態，還是從靜置狀態轉入短路狀態，其瞬態短路電壓值均不會超過電池系統開路電壓。故計算電池系統預期短路電流宜采用電池在靜置狀態下的開路電壓。圖3為磷酸鐵鋰電池荷電狀態（SOC）與開路電壓（OCV）曲線，由曲線可知電池OCV隨SOC增加而升高。考慮到在不同SOC狀態下鋰電池的歐姆內阻基本無變化［7］，為便于計算，式（3）中的電池電壓應取電池SOC為100％時的開路電壓。222電池內阻取值。鋰離子電池的內阻包括歐姆內阻和極化內阻。歐姆內阻指由電極材料、隔膜、電解液電阻及各個零件之間的接觸內阻組成的電阻之和。極化內阻指電池化學反應過程中極化所造成的內阻，包括電池化學極化和濃度極化造成的內阻［8］。當電池系統短路時，在非常短的時間內（毫秒級）便會產生極大短路電流，并觸發短路保護裝置，此時電池內部的極化過程才剛開始，極化內阻很小，電池的內部阻抗主要為歐姆內阻。考慮到電池系統短路電流與電池內阻成反比，計算電池系統預期短路電流宜采用電池在靜置狀態下的歐姆內阻。由于歐姆內阻的測量方式較為復雜，在工程應用中不易實現，故本算法使用與其相近的交流內阻測試儀在1kHz下測得的交流內阻等效替代［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。試驗前各參數如下：電池開路電壓Us＝33945V，電池1kHz交流內阻Zn＝01546mΩ，采樣電阻Rc＝04mΩ，電池額定電壓Un＝32V，電池30s內二次放電法測試內阻值rb＝04865mΩ，電池10s直流阻抗內阻Rn＝05145mΩ。根據式（1）計算電池系統預期短路電流Ik＝32V／（04865＋04）mΩ＝3609A。根據式（2）計算電池系統預期短路電流Isc＝32V／（05145＋04）mΩ＝3499A。根據式（3）計算電池系統預期短路電流Isc＝33945V／（01546＋04）mΩ＝6120A。短路試驗數據見表1。由表1可知，電池系統短路時短路電流呈下降趨勢，電池系統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的短路特性，一般要求分斷配合要做到01s以內。

4結束語

本文在傳統短路電流計算方法基礎上，通過分析動力電池系統短路等效電路和短路過程中的電壓、電池內阻等參數，提出了一種改進的電池系統短路電流計算方法，并從工程應用角度對計算公式中各參數取值進行了優化處理。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