车载动力电池组安全设计

摘要：动力电池组是车辆稳定运行的动力保障，而为了确保动力电池组能始 终保持安全稳定的工作状态，就必须要做好前期的安全设计工作。基于此，文章 以我司研制的 LSH18-D027LB-A 动力电池组为例，分析了其安全风险，并从防短 路设计及防触电设计两方面探究了该动力电池组的安全设计情况，希望能够为提 高车载动力电池组的安全性提供帮助。关键词：车载；动力电池组；安全风险；安全设计1 项目简介LSH18-D027LB-A 动力电池组为公司首款量产型号车载动力电池组，该电池组 具有电压高、容量大，充放电电流大等特点，可以为设备提供400V605V的直 流电源。主要指标如下：标称电压：540V；常温能量：8kWh；最大放电电流： 100A；工作温度：-41C55C ；重量：V93Kg。该电池组由1152只18650单体 电池144S8P并组合而成，单体电芯电芯用阻燃ABS框架固定，两个框架之间用 螺栓固定,电连接用成型镍带连接，组成单个模组。模组之间通过铜排串联，用 长螺栓将模组和水冷板，加热膜等组件固定在金属外壳底部，正负极和信号均通 过接插件输出。电池组结构示意图如图1所示。图 1 电池组结构示意图2 安全风险分析LSH18-D027LB-A动力电池组为车用电池组，既要满足用户使用安全、也要满 足组装、测试、调试等安全，还要满足国标要求。针对该特点，设计电池组需考 虑安全性设计，并对可能出现的风险有安全防护措施。电池组主要安全风险源包括以下几方面：（1）机械方面：机械振动、碰撞、 挤压、翻转、底部球击、跌落等；（2）电气方面：电气绝缘、电气间隙、爬电 距离、防触摸、等电位等；（3）其他方面：浸水、火烧、热失控等。因此，引起电池组安全风险的因素很多，为保证电池组从组装、测试、调试 以及使用方面的安全，从设计之初，应系统考虑电池组的安全问题，尤其要避免 起火、爆炸、触电等风险。3安全设计措施电池组的安全不仅限于产品本身的安全，也涉及到生产安全，如何能保证在 生产过程不出问题，既是工艺生产人员考虑的，也需要设计人员重点考虑。3.1防短路设计目前，绝大多数生产事故均由短路引起，如何预防电池组短路，是最先考虑 的。以LSH18-D027LB-A动力电池组为例：3.1.1镍带设计要求先将18650电芯用框架固定，然后将成型镍带点焊至电芯上。L型镍带可防止出现18650电芯因镍带切割电芯热缩管导致电芯短路（如图2所示）。图2镍带设计示意图3.1.2框架设计首先框架采用绝缘材料，铜排与铜排之间有限位，防止铜排搭接。并且铜排 高度不超过框架高度，且需要有一定的余量。即便整个电池包直接放置在金属板 上，也不会出现短路情况。3.1.3信号线防短路信号线从侧面引出，将镍带上部用框架限制，防止出现镍带张开和侧面电池 包搭接短路（如图3所示）。信号线焊接后，用901胶防护。图3信号线防短路设计示意图3.1.4电池包防护电池包点焊完成后，双面均为铜排，为保证电池包摆放或搬运过程中的安全, 设计整体加热膜将电池包包裹，无裸露铜排。3.1.5电池组防短路电池组无任何地方有裸露铜排或者导线铜丝，将高压器件输出接头处用901 胶覆盖，导线包裹处用3M胶带包裹。进行一定程度的防错设计，比如选不同型 号插件，铜排长度或导线长度长度不同，防止搭错等等。3.2防触电设计大电池组一般电压均较高，达到B级电压标准。预防触电也是十分重要的。 电池组交货时均需测绝缘电阻和耐压测试，但电池组在安装过程的防触电也十分 重要的。考虑高电压，从设计方面进行了以下方面考虑。3.2.1 绝缘耐压电池组电压较高，为防止触电，必须做好绝缘。考虑安装，尽可能采用绝缘 材料，金属材料也需喷漆或进行绝缘氧化，尽可能减少或避免导电体和安装人员 接触。电池组通过绝缘和耐压测试后，再安装上盖。3.2.2 等电位设计人员触碰电池组正极或负极均不会触电。将电池包内金属连接一体，等电位 设计，内部金属漏电也将导到外壳上，可第一时间通过绝缘检测表或BMS上报绝 缘低故障发现漏电。3.2.3 安全防护为保证安装人员不触电，LSH18-D027LB-A电池组在安装串联铜排时，需揭开 对应加热膜，其他部分没有裸露铜排，防止了安装人员不小心触碰其他导电部分。 原则就是安装哪部分，哪部分裸露，不安装的地方，从设计上就保证绝缘。设计的铜排均用耐高压热缩套包裹，仅安装部位铜排裸露，大幅减少裸露铜 排的面积，也可减少触碰的风险。电池组BMS不通过上位机发命令，继电器不动作，即电池组加热膜和正负极 输出端口在安装过程中均不带电。BMS也可根据电压、电流、温度、故障等信息, 及时切断继电器，保证电池组工作在安全范围。4 总结电池组安全性设计的方面众多，既有BMS对电池组过充、过放、过温、过流 等电性能方面的安全防护，也有绝缘、耐压方面的固有本体安全防护，还要满足 客户要求的严苛环境安全要求等等。LSH18-D027LB-A电池组设计既考虑了用户使 用的安全性也考虑了人员安装维护的安全性。LSH18-D027LB-A电池组相比于之前 电池组，大幅度降低了电池组重量，减少了低温加热时间，减少了加热散热电池 组内部温差，增加了维修性，测试性、可靠性和安全性。参考文献1 白志浩，张丽，吴肇苏，王子君,桑彩薇基于IS026262的EV用动力电池系 统功能安全设计J.电源技术,2021,45(05):626-629.2 万雄.动力电池系统充电功能安全分析及故障诊断研究D.西华大 学,2020.3 欧阳威.车用动力电池包优化设计及其安全性研究D.南昌大学,2019.