熔断器对锂离子类电池系统的保护配合

前言随着以电池储能为核心的各类新能源产业的蓬勃发展，熔断器对锂离子类电池系统的保护配合的研究也不断深入，在过去的五年里国内外各标准化组织针对不同负载对电池充放电的差异，研究发布了不同特性的锂离子类电池保护熔断器。PART1锂离子类储能电池特点与相关熔断器的保护范围锂离子类电池是当前电压DC1500V以下的主流储能电池，构成电池的基本储能单元是电压在1.8-9V范围内的高密度储能电芯(cell)，众多电芯以采用串并联组合形成的不同容量储能电池包。为监控众多电芯的工作状态以及保证电池包的使用安全，与传统的铅酸蓄电池不同，锂离子类储能电池包中均配备了可对于每一个电芯监控和保护的电池管理系统(BatterymanagementsystemBMS)并可以与其控制电池充放电的电池能源存储管理系统(BatteryenergystoragesystemBESS)关联。新一代锂离子类高密度储能电芯具有极低的内阻特性，以光储常用的DC1500V锂离子电池为例：电池组是由416个中的电芯串联而成，单个电芯的额定放电电压范围为3.2V，在额定放电电压下电芯内阻为0.17mΩ，这样估算单个电芯的最大短路电流可达20kA以上，加上电芯间连接片的电阻，电池组(簇)电极两端的最大短路电流也可达到15kA以上。通过上述对于锂离子类储能电池的分析可以看出，有别于铅酸储能电池，锂离子类电池实际上是一个包含了电芯和内部管理及外部监控的电池系统(Batterysystem)。因此对于相关熔断器的保护范围也是在与内部电池管理系统(BMS)及电池能源存储管理(BESS)配合的基础上整个电池系统(Batterysystem)的保护。同时相关熔断器的分断能力也要满足保护电池组（簇）的水平。PART2电动汽车用储能电池保护熔断器相关标准随着电动汽车的迅猛发展，市场上出现了一大批用于保护电动汽车系统电路安全的直流熔断器。国际上ISO对车载熔断器的研究较早，且已形成完整的标准体系（ISO8820系列《道路车辆熔断器》），但主要适用于传统燃油车或低速电驱动车辆的车用熔断器，该系列已转化为我国国家标准GB/T31465系列，适用电压范围最高为450V，分断能力仅要求2kA。然而，为提高电动车电池的存储效率，目前以锂离子电池为动力的电动车辆动力系统电压等级逐步向在500V-750V之间发展，且这一电压等级在未来有可能更高的趋势，同时2kA分断容量的熔断器也不适用于锂离子类电池的保护。现有标准已无法满足市场上的电动汽车对低压熔断器的应用要求。为此我国能源标委会会同相关标准化组织在GB/T31465.6《道路车辆熔断器第6部分螺栓式高压熔断器》的基础上，结合低压配电熔断器标准要求和现今车辆电能管理及动力驱动的特点，编制了NB/T10329-2019《锂电池电动汽车用直流熔断体通用要求》。符合本标准的熔断器，可以对电动汽车系统中的电驱负载及储能系统（包括电池包、BMS等）提供短路保护，也可以对动力线束进行保护。NB/T10329-2019《锂电池电动汽车用直流熔断体通用要求》规定了直流额定电压1500V及以下的、采用锂离子动力蓄电池驱动的电动汽车保护用直流熔断体的额定值、性能要求、试验方法以及对标识的要求。本标准最大的特点在于考虑到电动车内特有电池管理系统和大功率动力线束部件，首次提出了“gEV”和“aEV”的产品分类，适用不同的应用需求：-gEV为用于电动汽车系统具有全范围保护及直流分断能力的熔断体，可以兼顾对于动力线束的过载保护；-aEV为用于电动汽车系统具有部分范围直流分断能力的熔断体，可以在配合车内的电池管理系统和动力驱动管理系统运行的基础上对系统的短路故障提供保护。为适应熔断器在未来各类电动汽车中的应用，标准要求的最低分断能力不低于10kA，最大额定电流至800A。同时考虑到电动汽车的反复急加速大电流冲击的使用特性，参考GB/T31465.6《道路车辆熔断器第6部分螺栓式高压熔断器》标准，对熔断器提出了电流循环冲击试验要求。通过本标准的制定，对该类熔断器的安全可靠性、运行环境要求、机械特性、动作特性等进行统一规范和要求，满足国内电动汽车市场对直流熔断器安全标准的需求，对降低电动汽车故障率、保障用户的人身安全有重要意义。PART3用户侧新能源配电系统用储能电池保护熔断器相关标准IEC/SC32B低压熔断器标委会于2022年10月发布了IEC60269-7《低压熔断器第7部分电池保护熔断器》产品标准。符合本标准的直流熔断器适用于直流1500V以下的电池及电池系统保护。为适应各类以电池为储能或提供动力的新能源产业发展，本标准对电池保护熔断器较直流配电保护熔断器及半导体保护熔断器提出了一些针对性的要求：1熔断器额定电流范围熔断器的从额定电流2-1250A扩大到5000A，这就意味着可涵盖7.5兆瓦以下电池系统的保护。2熔断器分断保护范围电池保护熔断器的保护范围仍根据被保护的电池及电池系统保护需求分为：-电池及电池系统的全范围分断保护的gBat型熔断器；-可配合其他保护设备对电池及电池系统提供后备保护的aBat型熔断器。3熔断器的保护与门限要求对于全范围保护的gBat型熔断器，标准规定了约定电流范围为(1.13-1.6)In，可以满足电池及电池组非短路条件下运行安全。由于电池的放电曲线不尽相同，对电池保护熔断器门限要求也不相同，因此标准草案没有提出固定的门限曲线要求，注明熔断器制造商与被保保护电池组厂家协商确定。4熔断器的分断能力要求标准要求电池保护熔断器的最小额定分断能力不低于30kA。在相应的分断能力试验上除与IEC60269-2相同要求了额定分断能力试验和燃弧最长的预期分断电流外，也特别对最小电流分断能力要求进行了确认：-gBat型全范围保护能力的熔断器最小分断电流为2In;-aBat型后备保护的熔断器最小分断电流为厂家声明值或10In。IEC60269-7标准规定的电池保护熔断器最低30kA的直流分断能力可以满足电池组（簇）的支路保护要求的同时，也可以满足2-3组的上游保护，但对于下图中集装箱式电池储能单元的负荷柜进出线总保护QF而言，30kA的短路分断能力还是显的不足，也希望伴随着标准的发布和电池储能方案的进一步明确，熔断器及相关产品制造商可向市场提供满足不同使用需求的熔断器及相关产品。图1直流电池储能柜系统简图在以储能电池为核心的新能源飞速发展的今天，电池及电池系统保护是关系到直流