談談電池PACK模組的短路保護

電池包(Pack)的短路安全性，越來越受到消費者的重視。除了pack層極的短路保護之外，模組層級也需要考慮短路保護設計，GBT31485對模組的短路也有要求。這里我們分享一些模組短路保護的思路，拋磚引玉。

模組的短路包含模組的高壓連接外短路與采樣線短路兩種常見情況。

1. 模組的高壓連接外短路

模組的短路危害方式可分為兩種，一種是短時間的短路，一種是長時間的短路。

(1)模組的短時間的外短路，即外部在短時間短路時，模組的所有電芯都都處于短路回路中，根據模組的電壓、DCR與短路電阻(如測試設備電阻等)計算，短路電流常達到3000~5000A。在很短的時間內，模組內部會產生大量的熱，如果設計上不做保護，電芯很容易出現防暴閥打開，甚至起火的安全風險。

針對這種情況，可以在每個Cell的內部設計一個Fuse(國外有針對每個電芯焊接一個Fuse的設計，國內也有針對每個電芯配一個貼片Fuse的設計，具體形式可以有很多種)，在短路瞬間，斷開電流回路,起到短路保護的作用。(也有采用PTC進行保護的方案，溫度升高時電芯電阻陡增，從而限制大的短路電流。)

(2)模組長時間的短路，上面我們已經提到，通過電芯的fuse，當模組短路時，可以斷開回路，是否意味著pack系統因為電流回路的斷開就安全呢?實際上并不是這樣的。這一點容易被忽視掉。

我們先講電芯fuse斷開的情況，根據下圖所示，模組短路時，電流回路已經斷開，即Fuse2由通路轉為開路(短路時，一般會有其中一串先斷開，很少有多串同時斷開的情況)，由于外短路的連接，Cell2的外部形成一個UCell1+Ucell2+UcellX的電壓，這個反向電壓可能會對電芯內部進行電解，同時累積熱量，當熱量達到一定長度后，電解產生的氣體將沖破防暴閥，容易出現起火現象。

說明：以上的Fuse1是指Cell內部的保險部件，在電芯短路時會斷開電芯與外界的連接。 Fuse1Cell1Fuse2Cell2Fuse3Cell3+_U反=UCell1+Ucell2+UcellX外部短路部件 短路后，新的電壓回路

這里需要注意，模組的電壓一般都比較低，反向電壓對電芯的破壞較小，而在pack系統中，該反向電壓會很大，危害會更突出。

另外一種是電芯外部增加fuse的設計方案，比如在模組的busbar上設計薄弱的過流界面。模組短路時，busbar會熔斷，從而起到短路斷開功能。這樣設計有一個優點：短路斷開時，電芯不會有反向電壓。同樣的，在pack系統中，該反向電壓會比較高，busbar熔斷常伴隨著拉弧等安全問題。

為了降低短路危害，需要在pack主回路中增加fuse。一般的MSD常帶有fuse功能，關于fuse熔斷曲線的要求，我們以前的文章已經介紹過，這里不再贅述。

2. 模組的采樣線短路

模組的采樣線原則上也屬于高壓線束，其短路形式可以分為兩種情況，一種是采樣線的直接短路，另外一種是采樣線進水短路。

采樣線直接短路常出現在線束被擠壓的情況下。比如模組的搬運過程中可能不小心擠壓到線束，或者由于pack設計的不合理，在振動、沖擊、碰撞等情況下，線束可能破損引起短路。

關于這類的問題，一般的解決方案是在每跟采樣線增加一個小的Fuse，當采樣線出現短路，這個Fuse就會斷開短路相關的電芯，避免線束燃燒，實現保護模組的目的。

Fuse1 Cell1 Fuse3 Cell2 Fuse3 Cell3 Fuse2 Fuse4 CSC采樣電路

采樣線的另外一種常見短路形式是進水短路。這種類型的短路電流受短路介質、接觸情況影響，短路電流一般很小。該短路的破壞形式也比較復雜，一方面是大阻抗小電流放熱，一方面有水電解引起的線束燃燒風險。通過采樣線束增加fuse的方法不能完全解決該問題。基于此，pack設計上需要講究，避免水進入到采樣線束連接接頭，如有可能，可考慮采樣防水連接器。