熔斷器對鋰離子類電池系統(tǒng)的保護(hù)配合

前言隨著以電池儲能為核心的各類新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，熔斷器對鋰離子類電池系統(tǒng)的保護(hù)配合的研究也不斷深入，在過去的五年里國內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)化組織針對不同負(fù)載對電池充放電的差異，研究發(fā)布了不同特性的鋰離子類電池保護(hù)熔斷器。PART1鋰離子類儲能電池特點(diǎn)與相關(guān)熔斷器的保護(hù)范圍鋰離子類電池是當(dāng)前電壓DC1500V以下的主流儲能電池，構(gòu)成電池的基本儲能單元是電壓在1.8-9V范圍內(nèi)的高密度儲能電芯(cell)，眾多電芯以采用串并聯(lián)組合形成的不同容量儲能電池包。為監(jiān)控眾多電芯的工作狀態(tài)以及保證電池包的使用安全，與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池不同，鋰離子類儲能電池包中均配備了可對于每一個電芯監(jiān)控和保護(hù)的電池管理系統(tǒng)(BatterymanagementsystemBMS)并可以與其控制電池充放電的電池能源存儲管理系統(tǒng)(BatteryenergystoragesystemBESS)關(guān)聯(lián)。新一代鋰離子類高密度儲能電芯具有極低的內(nèi)阻特性，以光儲常用的DC1500V鋰離子電池為例：電池組是由416個中的電芯串聯(lián)而成，單個電芯的額定放電電壓范圍為3.2V，在額定放電電壓下電芯內(nèi)阻為0.17mΩ，這樣估算單個電芯的最大短路電流可達(dá)20kA以上，加上電芯間連接片的電阻，電池組(簇)電極兩端的最大短路電流也可達(dá)到15kA以上。通過上述對于鋰離子類儲能電池的分析可以看出，有別于鉛酸儲能電池，鋰離子類電池實(shí)際上是一個包含了電芯和內(nèi)部管理及外部監(jiān)控的電池系統(tǒng)(Batterysystem)。因此對于相關(guān)熔斷器的保護(hù)范圍也是在與內(nèi)部電池管理系統(tǒng)(BMS)及電池能源存儲管理(BESS)配合的基礎(chǔ)上整個電池系統(tǒng)(Batterysystem)的保護(hù)。同時相關(guān)熔斷器的分?jǐn)嗄芰σ惨獫M足保護(hù)電池組（簇）的水平。PART2電動汽車用儲能電池保護(hù)熔斷器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)隨著電動汽車的迅猛發(fā)展，市場上出現(xiàn)了一大批用于保護(hù)電動汽車系統(tǒng)電路安全的直流熔斷器。國際上ISO對車載熔斷器的研究較早，且已形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系（ISO8820系列《道路車輛熔斷器》），但主要適用于傳統(tǒng)燃油車或低速電驅(qū)動車輛的車用熔斷器，該系列已轉(zhuǎn)化為我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31465系列，適用電壓范圍最高為450V，分?jǐn)嗄芰H要求2kA。然而，為提高電動車電池的存儲效率，目前以鋰離子電池為動力的電動車輛動力系統(tǒng)電壓等級逐步向在500V-750V之間發(fā)展，且這一電壓等級在未來有可能更高的趨勢，同時2kA分?jǐn)嗳萘康娜蹟嗥饕膊贿m用于鋰離子類電池的保護(hù)?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足市場上的電動汽車對低壓熔斷器的應(yīng)用要求。為此我國能源標(biāo)委會會同相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織在GB/T31465.6《道路車輛熔斷器第6部分螺栓式高壓熔斷器》的基礎(chǔ)上，結(jié)合低壓配電熔斷器標(biāo)準(zhǔn)要求和現(xiàn)今車輛電能管理及動力驅(qū)動的特點(diǎn)，編制了NB/T10329-2019《鋰電池電動汽車用直流熔斷體通用要求》。符合本標(biāo)準(zhǔn)的熔斷器，可以對電動汽車系統(tǒng)中的電驅(qū)負(fù)載及儲能系統(tǒng)（包括電池包、BMS等）提供短路保護(hù)，也可以對動力線束進(jìn)行保護(hù)。NB/T10329-2019《鋰電池電動汽車用直流熔斷體通用要求》規(guī)定了直流額定電壓1500V及以下的、采用鋰離子動力蓄電池驅(qū)動的電動汽車保護(hù)用直流熔斷體的額定值、性能要求、試驗(yàn)方法以及對標(biāo)識的要求。本標(biāo)準(zhǔn)最大的特點(diǎn)在于考慮到電動車內(nèi)特有電池管理系統(tǒng)和大功率動力線束部件，首次提出了“gEV”和“aEV”的產(chǎn)品分類，適用不同的應(yīng)用需求：-gEV為用于電動汽車系統(tǒng)具有全范圍保護(hù)及直流分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟囿w，可以兼顧對于動力線束的過載保護(hù)；-aEV為用于電動汽車系統(tǒng)具有部分范圍直流分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟囿w，可以在配合車內(nèi)的電池管理系統(tǒng)和動力驅(qū)動管理系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的短路故障提供保護(hù)。為適應(yīng)熔斷器在未來各類電動汽車中的應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)要求的最低分?jǐn)嗄芰Σ坏陀?0kA，最大額定電流至800A。同時考慮到電動汽車的反復(fù)急加速大電流沖擊的使用特性，參考GB/T31465.6《道路車輛熔斷器第6部分螺栓式高壓熔斷器》標(biāo)準(zhǔn)，對熔斷器提出了電流循環(huán)沖擊試驗(yàn)要求。通過本標(biāo)準(zhǔn)的制定，對該類熔斷器的安全可靠性、運(yùn)行環(huán)境要求、機(jī)械特性、動作特性等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范和要求，滿足國內(nèi)電動汽車市場對直流熔斷器安全標(biāo)準(zhǔn)的需求，對降低電動汽車故障率、保障用戶的人身安全有重要意義。PART3用戶側(cè)新能源配電系統(tǒng)用儲能電池保護(hù)熔斷器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC/SC32B低壓熔斷器標(biāo)委會于2022年10月發(fā)布了IEC60269-7《低壓熔斷器第7部分電池保護(hù)熔斷器》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。符合本標(biāo)準(zhǔn)的直流熔斷器適用于直流1500V以下的電池及電池系統(tǒng)保護(hù)。為適應(yīng)各類以電池為儲能或提供動力的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，本標(biāo)準(zhǔn)對電池保護(hù)熔斷器較直流配電保護(hù)熔斷器及半導(dǎo)體保護(hù)熔斷器提出了一些針對性的要求：1熔斷器額定電流范圍熔斷器的從額定電流2-1250A擴(kuò)大到5000A，這就意味著可涵蓋7.5兆瓦以下電池系統(tǒng)的保護(hù)。2熔斷器分?jǐn)啾Ｗo(hù)范圍電池保護(hù)熔斷器的保護(hù)范圍仍根據(jù)被保護(hù)的電池及電池系統(tǒng)保護(hù)需求分為：-電池及電池系統(tǒng)的全范圍分?jǐn)啾Ｗo(hù)的gBat型熔斷器；-可配合其他保護(hù)設(shè)備對電池及電池系統(tǒng)提供后備保護(hù)的aBat型熔斷器。3熔斷器的保護(hù)與門限要求對于全范圍保護(hù)的gBat型熔斷器，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了約定電流范圍為(1.13-1.6)In，可以滿足電池及電池組非短路條件下運(yùn)行安全。由于電池的放電曲線不盡相同，對電池保護(hù)熔斷器門限要求也不相同，因此標(biāo)準(zhǔn)草案沒有提出固定的門限曲線要求，注明熔斷器制造商與被保保護(hù)電池組廠家協(xié)商確定。4熔斷器的分?jǐn)嗄芰σ髽?biāo)準(zhǔn)要求電池保護(hù)熔斷器的最小額定分?jǐn)嗄芰Σ坏陀?0kA。在相應(yīng)的分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)上除與IEC60269-2相同要求了額定分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)和燃弧最長的預(yù)期分?jǐn)嚯娏魍猓蔡貏e對最小電流分?jǐn)嗄芰σ筮M(jìn)行了確認(rèn)：-gBat型全范圍保護(hù)能力的熔斷器最小分?jǐn)嚯娏鳛?In;-aBat型后備保護(hù)的熔斷器最小分?jǐn)嚯娏鳛閺S家聲明值或10In。IEC60269-7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電池保護(hù)熔斷器最低30kA的直流分?jǐn)嗄芰梢詽M足電池組（簇）的支路保護(hù)要求的同時，也可以滿足2-3組的上游保護(hù)，但對于下圖中集裝箱式電池儲能單元的負(fù)荷柜進(jìn)出線總保護(hù)QF而言，30kA的短路分?jǐn)嗄芰€是顯的不足，也希望伴隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和電池儲能方案的進(jìn)一步明確，熔斷器及相關(guān)產(chǎn)品制造商可向市場提供滿足不同使用需求的熔斷器及相關(guān)產(chǎn)品。圖1直流電池儲能柜系統(tǒng)簡圖在以儲能電池為核心的新能源飛速發(fā)展的今天，電池及電池系統(tǒng)保護(hù)是關(guān)系到直流