CN112285589A - 一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法，步骤如下：步骤1，对电池系统划分层级，确定各层级的保护对象；步骤2，确定电池系统设计使用电流上限I_{max_s}；电池单体设计使用电流上限I_{max_c}；各个层级设计使用电流上限I_{max_i}；从第1层级开始，重复步骤3‑5进行第i层级的熔断保护设计分析：步骤3，确定电池系统中第i层级的防护需求及相应的电流防护边界要求；步骤4，确定第i层级外短路电流大小等级；步骤5，确定第i层级熔断保护设计的上限和下限。本发明，针对电池系统内的不同层级及成组单元进行熔断保护分析，保证电池在遇外短路事故时不发生起火或爆炸事故，在规定情况下对电池性能实现有效保护，同时提高熔断器正常应用的可靠性。

Description

一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体说是一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法。

背景技术

随着电池技术的发展和节能环保要求的提高，在电动汽车、储能领域、轨道交通等多个行业中，电池系统应用的范围越来越广，起到的作用越来越大。

与普通消费类电子产品不同，地面或车载储能应用中采用的电池系统具有电压高、容量大的特点，往往需要在系统成组设计中划分成多个层级，每个层级中包括多个成组单元，方便系统成组设计及使用维护，同时起到一定功能和安全的冗余保护特点。

作为一种有源器件，外短路是电池系统最常发生的同时也是最容易造成巨大损失的风险事故，原因在于短路过程会在短时间内形成巨大电流流过电池系统，造成能量的异常释放，往往伴随电池温度快速升高，内部化学体系破坏等现象，轻则造成电池系统损坏，重则可能造成起火、爆炸等事故。

在外短路防护中，可靠性最高的是通过增加熔断器进行熔断保护，保证系统在产生异常大电流时可以及时熔断以切断回路，保证系统安全。但熔断器有明显的反时限特性(电流越大，熔断时间越短)，且不同种类的熔断器适用的电流防护范围不同。因此熔断器选型对电池系统熔断保护设计至关重要。若熔断器选型不合理，可能会造成以下几种情况：

(1)熔断器不能及时熔断，电池系统已经出现安全问题，如热失控、着火、爆炸；

(2)熔断器可以熔断，避免着火爆炸风险，但电池系统已经发生损坏，如电池过温、鼓胀等，后续使用具有隐患；

(3)熔断器可以熔断，保护电池系统不发生损坏，但由于保护阈值太低，造成熔断器频繁熔断。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法，针对电池系统内的不同层级及成组单元进行熔断保护分析，保证电池在遇外短路事故时不发生起火或爆炸事故，在规定情况下对电池性能实现有效保护，同时提高熔断器正常应用的可靠性。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据系统设计方案，对电池系统划分层级，确定每个层级的保护对象；

在各个层级中，所述保护对象为以下任意之一：电池单体，模块能量单元，电池包，具有独立工作能力的子系统，电池系统；

步骤2：确定各个层级设计使用电流上限；

具体包括：电池系统设计使用电流上限I_{max_s}；电池单体设计使用电流上限I_{max_c}；各个层级设计使用电流上限I_{max_i}；

从第1层级开始，重复下述步骤3-5进行第i层级的熔断保护设计分析：

步骤3：确定电池系统中第i层级的防护需求及相应的电流防护边界要求；

电流防护边界要求具体分为：性能防护边界；安全防护边界；

步骤4：确定第i层级外短路电流大小等级；

外短路电流大小主要与短路部分电压以及短路回路中电阻有关；

步骤5：确定第i层级熔断保护设计的上限和下限。

在上述技术方案的基础上，所述模块能量单元，由多个电池单体通过串并联构成；

所述电池包，由多个模块能量单元串并联后封装成；

所述具有独立工作能力的子系统，由多个电池包通过串联或并联的方式构成；

所述电池系统，由多个子系统并联后构成。

在上述技术方案的基础上，步骤2具体确定过程如下：

首先，确定电池系统设计使用电流上限I_{max_s}；

根据系统最大使用功率为P_{max_s}，电池系统电压下限为U_{min_s}，电池系统设计使用电流上限为I_{max_s}＝P_{max_s}/U_{min_s}；

然后，确定电池单体设计使用电流上限I_{max_c}；

根据系统中电池单体并联数为N，电池系统设计使用电流上限为I_{max_s}，电池单体设计使用电流上限为I_{max_c}＝I_{max_s}/N；

再后，确定各个层级设计使用电流上限I_{max_i}；

根据第i层级中电池单体并联数量为n_{_i}，电池单体设计使用电流上限为I_{max_c}，第i层级的层级设计使用电流上限为I_{max_i}＝I_{max_c}×n_{_i}；

在上述技术方案的基础上，步骤3中，在外短路事故中，该层级需要继续使用，则电流防护边界要求为性能防护边界；

在外短路事故中，该层级不再继续使用，则电流防护边界要求为安全防护边界。

在上述技术方案的基础上，步骤4中，第i层级外短路电流大小通过如下公式进行计算：

其中，I_{_i}为第i层级短路电流；U为电池单体电压；r为电池单体内阻；S_{_i}为第i层级电池单体串联数量；P_{_i}为第i层级电池单体并联数量；R为外电路电阻。

在上述技术方案的基础上，步骤5中，所述上限是指电流上限，所述下限是指电流下限；

所述下限具体确定过程如下：

对第i层级来说，根据步骤2得到的第i层级的层级设计使用电流上限I_{max_i}，其作为熔断保护设计的下限，即熔断保护电流值应不小于I_{max_i}，以保证系统正常使用过程中，熔断保护装置不发生熔断；

所述上限具体确定过程如下：

对第i层级来说，根据步骤3得到的电流防护边界要求，其作为熔断保护设计的上限，即熔断保护电流值应不大于电流防护边界要求，以保证短路事故发生时，该层级得到正确的防护。

在上述技术方案的基础上，更进一步，当外短路电流大小本身大于上限，则额外增加该层级的外短路防护，且保证防护装置的熔断电流小于该层级的电流防护边界需求。

本发明所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，具有以下有益效果：

1、针对电池系统内的不同层级及成组单元进行熔断保护分析，保证电池在遇外短路事故时不发生起火或爆炸事故，在规定情况下对电池性能实现有效保护，同时提高熔断器正常应用的可靠性。

2、针对电池系统外短路事故防护设计，分析过程清晰，采用标准化流程(尤指步骤3-5的标准化流程)对电池系统内各层级构成单元进行外短路风险分析和防护设计，能显著提升电池系统设计的安全性和可靠性。

3、用通过对电池系统构成单元的层级划分，对系统内部可能存在外短路风险的各个节点进行梳理归类，保证外短路防护设计的全面性。

4、从系统设计使用功率需求出发，对各层级使用电流最大值进行计算，作为外短路防护设计的电流下限边界，保证系统中各节点熔断防护装置在正常使用条件下不发生意外熔断，提高系统长期使用的可靠性。

5、通过分析不同层级在外短路中的防护等级需求，分别提出性能防护边界和安全防护边界条件，作为系统外短路防护设计的电流上限边界，将防护需求与器件选型结合起来，提升系统外短路防护设计的目标性。

6、通过计算各层级外短路电流大小，辅助分析熔断保护装置的必要性，可以在保证系统安全需求的条件下提供系统优化设计思路。

附图说明

本发明有如下附图：

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1电池系统层级划分示意图；

图2某电池系统相邻层级之间的串并拓扑结构示意图；

图3防护边界和熔断特性曲线示意图；

图4某类型电池系统短路电流大小随串联和并联数目变化的关系；

图5本发明中电池系统熔断保护设计递归分析方法过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。所述详细说明，为结合本发明的示范性实施例做出的说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

如图1-5所示，本发明所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，包括如下步骤：

步骤1：根据系统设计方案，对电池系统划分层级，确定每个层级的保护对象；

在各个层级中，所述保护对象为以下任意之一：电池单体，模块能量单元，电池包，具有独立工作能力的子系统(简称子系统)，电池系统；其中：

所述电池单体，为基本构成单元，

所述模块能量单元，由多个电池单体通过串并联构成，

所述电池包，由多个模块能量单元串并联后封装成，

所述具有独立工作能力的子系统，由多个电池包通过串联或并联的方式构成，

所述电池系统，由多个子系统并联后构成；

系统设计方案不同则所述层级的数量相同或不同；

一般情况下，所述电池系统层级划分，需要根据电池系统设计方案具体分析，由于不同应用环境下电池系统电压、容量设计均不相同，在系统层级设计上存在差异，可能具有上述多个层级中的全部或部分层级，在进行熔断保护设计分析时，需根据系统设计方案确定层级的数量，以及每个层级的保护对象；

作为可选择的实施方案之一，对电池系统划分层级如下：

以电池单体为基本构成单元，作为第一层级；

模块能量单元，作为第二层级；

电池包，作为第三层级；

具有独立工作能力的子系统，作为第四层级；

电池系统，作为第五层级；

在目前技术情况下，所述多个层级一般是电池单体、模块能量单元、电池包、具有独立工作能力的子系统、电池系统五个层次。但是，有的厂家可能会省掉其中某个层级，比如：省掉子系统，或者省掉模块能量单元和子系统等；

步骤2：确定各个层级设计使用电流上限；

各个层级设计使用电流上限受电池系统设计使用功率、电压和容量关系的影响，步骤2具体确定过程如下：

首先，确定电池系统设计使用电流上限I_{max_s}；

从系统应用出发，确定系统最大使用功率为P_{max_s}，电池系统电压下限为U_{min_s}，则电池系统设计使用电流上限为I_{max_s}＝P_{max_s}/U_{min_s}；

然后，确定电池单体设计使用电流上限I_{max_c}；

电池系统中，通过并联方式可以起到分流作用，因此电池单体承受电流值乘以系统中电池单体并联数量等于系统承受的电流值，则：

设系统中电池单体并联数为N，根据电池系统设计使用电流上限I_{max_s}，则电池单体设计使用电流上限I_{max_c}＝I_{max_s}/N；

所述系统中电池单体并联数N，是指整个系统中电池单体的并联数，而非某层级中电池单体的并联数；系统构成拓扑中，相邻层级之间均可能出现串并联结构，图2展示了某电池系统相邻层级之间的串并关系，在图2所示拓扑结构中，内部层级电池单体并联数量为n_i，外部层级电池单体并联数量为n_i×n_i+1；图2示意了相邻层级之间存在并联关系(并联嵌套关系)的情况，比如：模块能量单元可能是由n₁个电池单体并联构成，电池包可能是由n₂个模块能量单元并联构成，则电池包中电池单体的并联数量为n₁×n₂；系统中电池单体的并联数量N，以及各个层级之间并联数目n_i的关系可以用如下公式表示：

其中m表示系统内层级数量，n_i表示第i层级与下一层级单元之间的并联数量关系；

再后，确定各个层级设计使用电流上限I_{max_i}；

系统中每个层级承受电流均与其中电池单体并联数量成正比，则：

设第i层级中电池单体并联数量为n_{_i}，根据电池单体设计使用电流上限I_{max_c}，则该第i层级的层级设计使用电流上限I_{max_i}＝I_{max_c}×n_{_i}；

从第1层级开始，重复下述步骤3-5进行第i层级的熔断保护设计分析：

步骤3：确定电池系统中第i层级的防护需求及相应的电流防护边界要求；

具体说：

在外短路事故中，该层级需要继续使用，则电流防护边界要求为性能防护边界；

在外短路事故中，该层级不再继续使用，则电流防护边界要求为安全防护边界；

系统各层级防护需求跟电池系统的安全要求、使用及维护要求有关，其关键影响因素在于：是否允许该层级电池在外短路事故中发生损坏；

若在发生外短路事故后，电池系统中该层级需要继续使用，则不允许该层级发生损坏，则：熔断保护设计中应以保护电池性能为边界条件，称为性能防护边界；

若在发生外短路事故后，电池系统中该层级不再继续使用，允许出现过温、鼓胀等破坏，对电池性能产生一定损伤，但不出现安全风险，则：熔断保护设计中应以保护电池安全为边界条件，称为安全防护边界；

图3中展示了防护边界和熔断特性曲线示意图，图中展示了三种熔断保护装置的熔断特性，其中熔断特性1可以保证电池外短路故障下无性能损伤，熔断特性2可以保证电池外短路故障下无安全风险，熔断特性3无法保证电池外短路故障下的安全；因此，性能防护边界位于熔断特性1及熔断特性2之间，安全防护边界位于熔断特性2及熔断特性3之间；

步骤4：确定第i层级外短路电流大小等级；

外短路电流大小主要与短路部分电压以及短路回路中电阻有关，其中：

短路部分电压与层级中电池串联数量成正比，

短路回路中电阻主要分为电池内阻和外电路电阻，其中：

电池内阻与电池并联数量成反比，与电池串联数量成正比，

外电路电阻与短路情景有关，在特定情景下可以认为是定值，

则：

第i层级外短路电流大小通过如下公式进行计算：

其中，I_{_i}为第i层级短路电流；U为电池单体电压；r为电池单体内阻；S_{_i}为第i层级电池单体串联数量；P_{_i}为第i层级电池单体并联数量；R为外电路电阻；

图4展示了某类型电池系统短路电流大小随串联和并联数目变化的关系，从中可以看出，在一定范围内，短路电流随串联数目的增加而增大，达到一定数目后，短路电流趋于稳定；相同串联数目下，并联数目越大，短路电流越大；

步骤5：确定第i层级熔断保护设计的上限和下限；

所述上限是指电流上限，所述下限是指电流下限；

所述上限和下限具体确定过程如下：

首先，对第i层级来说，根据步骤2得到的第i层级的层级设计使用电流上限I_{max_i}，其作为熔断保护设计的下限，即熔断保护电流值应不小于I_{max_i}，以保证系统正常使用过程中，熔断保护装置不发生熔断；

其次，根据步骤3得到的电流防护边界要求，其作为熔断保护设计的上限，即熔断保护电流值应不大于电流防护边界要求，以保证短路事故发生时，该层级得到正确的防护；其中：

性能防护边界保证电池性能不发生损伤；

安全防护边界只保证电池不出现安全风险；

再次，根据步骤4得到的外短路电流大小，

若外短路电流大小本身小于等于上限，则说明电池即使发生短路，短路电流也会在防护需求范围之内，可以通过自身短路电流释放能量而不需要增加额外的短路防护，

若外短路电流大小本身大于上限，则需要额外增加该层级的外短路防护，且保证防护装置的熔断电流小于该层级的电流防护边界需求；例如：根据前面计算，在图3示出的对应的熔断特性区间设计增加该层级的熔断保护。

本发明，不同层级的熔断分析采用相同分析思路，通过重复执行步骤3-5完成分析，具有递归分析特性。通过上述步骤1-5，对系统各层级按标准流程进行外短路防护设计递归分析，能显著提升电池系统防护设计的全面性、可靠性，标准化分析流程使该方法具有更强的可行性，对于优化电池系统外短路安全防护设计具有重要的应用价值和意义。

显然，本发明的举例(包括系统层级划分、结构拓扑、保护边界、电流计算等)仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术和名词。

Claims (7)

1.一种电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据系统设计方案，对电池系统划分层级，确定每个层级的保护对象；

在各个层级中，所述保护对象为以下任意之一：电池单体，模块能量单元，电池包，具有独立工作能力的子系统，电池系统；

步骤2：确定各个层级设计使用电流上限；

具体包括：电池系统设计使用电流上限I_{max_s}；电池单体设计使用电流上限I_{max_c}；各个层级设计使用电流上限I_{max_i}；

从第1层级开始，重复下述步骤3-5进行第i层级的熔断保护设计分析：

步骤3：确定电池系统中第i层级的防护需求及相应的电流防护边界要求；

电流防护边界要求具体分为：性能防护边界；安全防护边界；

步骤4：确定第i层级外短路电流大小等级；

外短路电流大小主要与短路部分电压以及短路回路中电阻有关；

步骤5：确定第i层级熔断保护设计的上限和下限。

2.如权利要求1所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，所述模块能量单元，由多个电池单体通过串并联构成；

所述电池包，由多个模块能量单元串并联后封装成；

所述具有独立工作能力的子系统，由多个电池包通过串联或并联的方式构成；

所述电池系统，由多个子系统并联后构成。

3.如权利要求1所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，步骤2具体确定过程如下：

首先，确定电池系统设计使用电流上限I_{max_s}；

根据系统最大使用功率为P_{max_s}，电池系统电压下限为U_{min_s}，电池系统设计使用电流上限为I_{max_s}＝P_{max_s}/U_{min_s}；

然后，确定电池单体设计使用电流上限I_{max_c}；

根据系统中电池单体并联数为N，电池系统设计使用电流上限为I_{max_s}，电池单体设计使用电流上限为I_{max_c}＝I_{max_s}/N；

再后，确定各个层级设计使用电流上限I_{max_i}；

根据第i层级中电池单体并联数量为n_{_i}，电池单体设计使用电流上限为I_{max_c}，第i层级的层级设计使用电流上限为I_{max_i}＝I_{max_c}×n_{_i}。

4.如权利要求1所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，步骤3中，在外短路事故中，该层级需要继续使用，则电流防护边界要求为性能防护边界；

在外短路事故中，该层级不再继续使用，则电流防护边界要求为安全防护边界。

5.如权利要求1所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，步骤4中，第i层级外短路电流大小通过如下公式进行计算：

其中，I_{_i}为第i层级短路电流；U为电池单体电压；r为电池单体内阻；S_{_i}为第i层级电池单体串联数量；P_{_i}为第i层级电池单体并联数量；R为外电路电阻。

6.如权利要求1所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，步骤5中，所述上限是指电流上限，所述下限是指电流下限；

所述下限具体确定过程如下：

对第i层级来说，根据步骤2得到的第i层级的层级设计使用电流上限I_{max_i}，其作为熔断保护设计的下限，即熔断保护电流值应不小于I_{max_i}，以保证系统正常使用过程中，熔断保护装置不发生熔断；

所述上限具体确定过程如下：

对第i层级来说，根据步骤3得到的电流防护边界要求，其作为熔断保护设计的上限，即熔断保护电流值应不大于电流防护边界要求，以保证短路事故发生时，该层级得到正确的防护。

7.如权利要求6所述的电池系统熔断保护设计的递归分析方法，其特征在于，更进一步，当外短路电流大小本身大于上限，则额外增加该层级的外短路防护，且保证防护装置的熔断电流小于该层级的电流防护边界需求。

Images