4•26电动大巴起火:向特斯拉学习过流熔断保护

第一电动网 何可平

【第一电动网】(特约作者 何可平)近一时期,在深圳和厦门的五洲龙电动大巴和厦门金旅混动大巴上,相继发生起火事故,不仅造成经济损失,也给电动汽车的安全可信度罩上了一层浓厚的疑云。(参见:独家报道 | 深圳4.26电动大巴起火调查结果公布:过充引发火灾

通过有关资料了解到,涉及的沃特玛电池系统采用了众多的单柱体锂电池并联组合,每个单体或是连接一段保险熔丝、或是采用PCBA做汇流板保护,如果出现下图所示个别单体电池的短路情况时,只能通过串接的保险丝或通过PCBA板线的熔烧来实现单体过流保护。这种单点式保险丝不具备精确的熔断控制,而且对每组电池模块毫无有效的全面保护作用,特别是当整个电池系统出现大过流故障时,明显缺失一个有效的系统过流分断与隔离保障措施,同时,由此产生的内部高温热量也无法在短时间内得到降温和消除。

动力电池

以额定容量300Ah共14组的电池模块为例:每个模块内部并联60个电池单体的容量、内电阻、接触电阻、自放电性能及耐用寿命等固有的品质差异问题,加上配置的熔丝以及无循环式降温散热措施引起的温度梯度,无法把60个并联单体当成一个完美的模块整体来看待,仅靠外部BMS(电池管理系统)的主动均衡作用,要实现对14个模块共计840个单体电池的精准控制难度极大,对电池模块组的影响作用也非常有限。但是当模块内部的若干单体因品质不一致造成的提前“过放和过充”现象出现,会使模块长期处于不良运行和失控状态,使得BMS无法起到预警和保护作用。

参照特斯拉的电池模块组,总体共有16组x 444个单体电池并联组成,分别安装在铸铝成型箱体内两个独立的封闭式电池包,但留出一定空间安装了两个大容量直流超快速熔断器,作为电池包过流故障的分断与隔离保护装置。这种超快速熔断器内部采用银熔片并填装高纯硅砂,具有强势的限流灭弧作用,对整个电池包意外发生的200-400V及以上的高压浪涌短路电流,可在10ms内迅速安全切断,熔断过程产生的热能量全部封闭在自身管体之内,对电池包内的模块毫无不良影响。

特斯拉电池包

特斯拉电池包的总保险丝

特斯拉的设计思路是针对整个电池系统采用宏观防御战术,单体电池的局部故障甚至失效均不作为控制重点,系统内部的热量梯度由自循环冷却管进行散热降温,当系统出现“过充”和“过放”异常时,由毫秒级开断的熔断器截断高压浪涌电流,确保整个电池组与车辆其他电气系统完全隔离,避免电池炸裂、起火等严重毁损事故发生。

这样的防御布局的好处是顾全了大局,只用两个熔断器保护电池包的整体安全,成本很低也便于维修和更换管理。但不足之处是众多单体电池的不一致性问题却无从顾及,在长时间的行驶过程中,会有若干单体电池损坏报废,电池组的容量会有所下降,车辆续航能力随之减低,这也是一个明显的弊端。但与整个电池系统缺失重要的“过流保护”环节相比,尽快筑起一道防洪大坝显然更为重要。

如果沃特玛电池的微观保护技术加上特斯拉电池包的宏观防御技术,将会构成一个更为严密的安全保护体系,这虽然要对现行的电池箱构造作一番改进,也增加了添置大容量熔断器的材料成本,但增补一个重要的过流保护环节,实现了双重安全防护之后,其抗御过流故障的能力将会有大幅度的增强,很有利于恢复用户的信心和扭转企业品牌的形象。

作者何可平为西安西联熔断器研究所总工程师

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