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12.2号，2017中国新能源汽车动力电池系统先进电连接技术论坛在上海成功举办，吸引了400余名行业精英参与，60+动力电池/pack企业、30+新能源汽车整车企业、150余名电连接技术专家；8个精选电连接主题以及一场6位行业电连接专家同台对话沙龙，这是一场知识盛宴，更是一次思维的碰撞一次行业的进步。 来自中航锂电的李树成李总给大家带来 “Busbar/高压导线载流、选型与测试方法”主题分享。 以下是分享内容： 各位朋友、来宾你们好，我叫李树成，来自中航锂电研究院。我这边主要是从PACK看电连接相关的知识，我就直接开始说了。主题从三个角度，第一就是高压线怎么选，第二就是目前行业有哪些标准以及怎么测试，第三就是电连接安全角度探讨。因为我们说电池包的安全也是机械方面和电化学方面的安全。 首先讲高压线的选型，和我们传统的连接性的选型不是一个概念，我的概念比较偏向于计算型的选型。我们去考虑选型，这就是特斯拉一个典型的高压架构图，我们讲电连接看一下整个大的格局是什么样子，常见的是一个电池包，这边到DCDC（音）的部分，说白了电动车就是在传统的车身上面多了一个动力电池（动力系统），代替了发动机。这边是到动力部分，能量补充的一个点。这是我们传统的讲新能源，包括范围很广，（纯电动）只是我们仅仅是一个角度。（此外还有燃料电池、太阳能电池等其他新能源），（太阳能汽车）这边是在传统的基础上多了一个太阳能板，（具体）就不再展开了，这个PPT会后可以发给大家，具体问题可以一起探讨。我们从大的角度讨论问题，我们电连接不能局限于某一个方面。我们讲电连接，电池包有哪些形式，我们讲现在常见的动力电池有三种类型，我们看方型就是这种Busbar，是一种软连接，还有圆柱型的，还有软包式的Busbar。Module之间是铜排和高压线束，电池能量越来越大，造成导线的衔接比较大，所以不好去弄，（所以）现在高压线束稍微慢慢逐渐减少（软硬排会逐渐代替高压线），PACK还有一些铜导线、铝导线和扁平铜/铝排线。我们知道电池包为什么用软连接，车在震动情况下，我们软连接起一个缓冲的作用，软连接可以很好地回避这些问题。 刚才我们说的常见的三种形式，一种是方形电池，Cell之间就是软连接，叫Busbar，实际是这样的东西，这种常见的圆柱型是这样的连接方式，Cell焊接是比较可靠的，Cell之间一般是激光焊，电池包内有的还有一个BDU，模组之间这种焊接，具体哪种方式还是根据实际的应用。这是软包的方式，之间也是软连接。我们回到这个重点，我怎么选型，我们讲一个导体的导流，第一就是额定电流下环境温度对载流有影响，导体的温度升高，对载体的载流增加。第二个影响是温度升高，导体电子运动加快，载流会稍微提高。第三个影响因素就是多心线，我们一股的情况下和两股在一起，三股在一起，影响载流是不一样的，我们一股的话载流为1，两股的话载流变为0.8，另外，交流电载流量是减少的，我们可以看到交流会产生效应，具体不展开了。那就是说，我们导体考虑到影响因素主要是这四个主要因素，这四个因素我们选了一个4平方方，比如说是50安培，考虑这种情况才是真正的载流。 刚才讲的是高压导线，第一个我们会考虑交流和直流，但是电动车除了电机（是交流外）其他都是直流，铜铝排它的第一个影响因素交流流过的时候，就是载流量变小，我们同样讲一个铝排，直流就是545，交流只有540，确实有这种影响。还有一个铝排的摆放方式不一样，是因为我们竖放的话增加了空气的对流，这样的我们载流会增加。还有一个最后的影响，我们绝缘套温度散不出去，如果没有包裹，我们载流量会增加。比较核心就是电池包连上以后，很多地方会相连，Busbar和很多电池部分有接触。 我们看一下接触电阻，这是A面，这是B面，每次说到接触电阻，接触电阻到底是什么？相对来讲专业一点，集中电阻就是这个面凹下去，电流集中流过狭窄的的这一块，相当水流很急，这是一个电阻。同时两个面之间接触，我们知道很多面镀层接触电阻，没有镀层的话变成氧化之间的电阻。我们讲影响接入电阻的关键点，IACS这是表现载流能力的百分比，主要是百分之比的载流量，如紫铜载流量100%的话，其他的如青铜我们可能只有60%，70%，首要的影响因素是材料，相对来讲镀层好的话，影响比较小。我们知道世界上没有绝对光滑的面，所以在这种情况下，接触面比较小，我们将接触面还有一个影响就是说，比如说我们常见的高压里面，凡是这种结构，每个公司的讲法不一样，如果这里面压得很紧，我们接触面也比较多，所以这样的接触电阻也是相对比较小，是这样的影响。 现在真正的主题就是我们怎么算这个东西？我们以一个例子来看，载流最合理的计算方法就是说我们要为供应商要的曲线，这是我们这个曲线是我们拿到载流这是第一个方法，也是比较好的方法。我们PDU到inverter这边，这样的话这段多粗我们就怎么做，但是算这个有一个输出条件，假如额定电流是182A，参数在这里，环境温度是80度，我们允许的最高力度是150度，我的载流是182A，我们就往上走，走到大概这个位置，我们发现这么选额定电流，有的同事会问到，峰值电流有什么影响，如果我们以30秒，我们的导线绝缘皮会不会烟化，这是一个比较靠谱的。从降额曲线的原理来讲，这是一个绝对靠谱的事情，这是我们工程师比较好操作的方法。第二个方法就是公式，具体内容就不展开，讲的原理是我们导体通电，一个是导体发热，还有一个就是热往外散，所以这是一个平衡公式，表面散发的热量，加上导体本身的发热量，是这样的一个公式。这么算，如果某个项目是185A，让你算。如果是圆柱型，我们把底面积变一下，是这样的算法，这个具体的该项目算下来的量是53.2平方米，我们计算之后，我们需要做的是取正数，那么选60方，我们发现是满足的，具体的数据都意义不大，就是举个例子，提供一种思维。算完之后，我们测试一下，发现也是达到要求。第一个是看导线载流曲线表，第二个就是查国家电工手册，这是一个标尺，这是一个经验值，是不太靠谱的，电流表不一定满足车上的要求，在民用上和车上等级还是不一样的，民用上我们是在固定的环境下，空气的温度周围影响不大，这只是一个参考，对我们许多没有太多经验的工程师，可以做为一个参考，我们前面做完之后，实测一下看看行不行。 我们讲任何东西要通过测试，一切的计算都是要通过实际的运用来测试才可以验证到底适不适合。这边就是说我们测试，一般采集温度点，第一就是连接部分，第二是中间部分，还有一个就是转弯的地方，我们测完之后一个结论是什么？我们发现转弯的地方温度最高，中间次之，连接部分低一点，当然这是焊接的情况，如果是螺栓连接，那是另外一回事。 第二部分我们看一下测试标准，这是罗列出来的行业里面的标准，主要是德系的标准、美系的标准，这是其他的一些企业标准，其实所有的标准内容大致相当，只是有的更细，所有的基本都是从三个角度验证这些方面，一个是机械方面，还有从电气方面，环境方面考虑。这是讲的行业里面的一些标准，下面我们讲的关键曲线怎么得到，因为这是一个比较核心的东西，我们说线径还是通过测试是比较靠谱的，这是一个典型的测试载流的装置，我们怎么测？首先这个样品怎么选？导线到底选多长？常见的就是选三个样品做测试，我们尺寸上有要求，如果线径少于0.5，最小长度是200毫米，如果是0.5到5，那就要选500毫米，如果是大于5，我们就选择1400毫米，导线是两个途径测量它，第一个是测量载流的温升，在不同的电流情况下，我们导线的温升多少。我们看到底能载多大的电流，对我们周边的环境不造成影响，对我们的电芯、器件、控制器不影响，这是我们做测试的目的。具体怎么测？我们三个样件要一模一样，我们在20安培的情况下都通电，最后温升的选择也是有要求的，要采三次，每次的温度差不超过2K，我们再去测测试，这样的载流的曲线就做出来了。实际当中，20，40，60是不是都做？现实中是要做的，这个曲线目的就是为了测试，对我们的载流量大小还不能确认，才是我们真正要的东西。测试的方法基本差不多，刚才讲了无论是哪种方式，直流和交流都可以。这是刚才讲的温升，第二个最核心的东西就是这个曲线，这是我们降额曲线，才是真是真正有用的关系，它测试的架构图，我们有一个电源，这里有一个电源传感器，一定要放在密室里面，上面可以不用盖，防止这里面被测物受到温度的影响，就是空气的对流辐射和传导，我们稍微把上面做高一点，在这样的一个环境里面，不一定要要密闭，这是刚才讲的温升曲线，第二就是对选导向有用的就是降额曲线，为什么要有用？现在电池包是60度，我们选多大的线径？这就是一个结果，在60度的情况下，我测载流。载流是什么意思？比如说环境温度是60度，假如表面绝缘层耐温等级是170度，在60度的情况下做测试，我们得到这样的曲线，是这样的一个道理。这个讲得还是有点绕，要细看。这个曲线是供应商给我们的，这是自己测试出来的曲线，我们选导线在这个区域里面是比较适合的。
前面讲到高压线的选型，我们怎么得到最后的曲线，最后一个角度我们选了这些连接片、Busbar，电池包上的安全的一些知识。这是电动车一定要讲究安全，没有安全的话一切都是没有用的，电池包我们认为是B级以上的电压，就要考虑做安全检测。我稍微讲一下，我们是指直流在60V以上，交流电是30V，人的手抓一个正极、一个负极，但是什么样的能量级别才会对人有威胁？还有这种情况也是会产生电击。这是德国大众内部的培训资料讲的东西，造成一种伤害的感觉，我们了解一个电持续通上身上，时间越长对人的伤害越多，流的电流越大，对人的伤害越大。这个范围肯定是安全的，因为我们电流越来越大，我们持续时间越来越长，对人造成伤害。皮肤的电阻从这边到这边大概是1000k，这样的话，350mA在这里面，我们持续的时间到了黄色这部分，就是说持续时间稍微长一点，我们人就受不了，如果10毫秒以上，我们人就可能死亡。还有不安全的就是做心脏支柱手术的人要注意，我们怎么去回避它？因为我们叫电连接，外部也要说一下，所以才有这个概念出来。这是一个典型的电动车的实物图，人不小心电池的正极可能和元件连接，这样的话人体不小心抓了两个电流，这样的话电就从这里进入人的身体，这样会对人体造成伤害，我们怎么回避这个问题？我们电池包和车身之间连接的线，原理是怎么回事？比如说这个是人体，如果正常来讲，比如说我们有一个线，这个线的电阻很小，不经过人体，一定要用粗的高压线束，不建议用这种方式。前面说了绝缘，我们怎么判断电连接是完好的？我们就用绝缘检测这个手段去测，因为设计再好，如果你不能保证，而且壳体是金属的，我们通过一种方法判决出来，或者检查出来，怎么测？这个原理不说了。检测是怎么判断合不合格？国标里面包括SAE里面讲得很清楚，我们实际当中做的是500MΩ，稍微展开一下这个表。用起来很简单，这种表更方便，按一下按纽就可以了，这么大的值（550MΩ）是好的，所以电池包刚才前面说这么多，我们的绝缘体安全第一，所以这块很重要，其中还是稍微展开一下，软件的话大家开过电动车知道，这个车在跑，会显示绝缘报警，我们还是一种校正的方式去检测。还有一块是互锁，电池包整车的输出应该有，这是特斯拉的结构，但是原理是差不多，经过各个高压部分，比如说电机控制器到充电机，到DCDC，到PTC，这是大的PDU，就这样发出一个信号，比如说这个地方电压就变动。这边发出一个电流是20毫安的，如果我们探测发现这个起作用，如果是24V，说明这些都是好的，它比传统国内做不一样，我们只是输出一个结果，它能解决哪一个部位出故障，实际当中是这样的，连接器怎么做？我怎么知道你这个连接器没有掉，这两个是动力线，如果连上之后没有问题，这个地方就断掉了。还有一个我们设计这么多Busbar，还有很多项目，包括我们电池包很拥挤，涉及比较核心的概念，国标里面有这样的概述，这个不太实用。 这上面讲了爬电距离，这两个是导电部分，这是绝缘部分，爬电距离是两个导体通过绝缘面去做的，爬字用得比较形象，这是两个不同的概念，这两个概念涉及的时候，都是要考虑这些概念的。国标要考虑这样的公式，电池包是很拥挤的，现在的能量密度要求都很高，我们肯定要做得拥挤，比如说这个公式算一下，正常是320V，往（公式）里带一下，不太推荐，但是我们做一个参考。但是比较推崇的就是IEEC的标准的标准，我们爬电距离只有2.2毫米，电气间隙只要1.5毫米，我们基于这两个公式做一个权衡。再讲一下电池包，刚才讲电连接部分的保护，电池包内部怎么做？首先讲到电芯，电芯有一个膨胀阀，内部的保护先看电池包，里面有不同的电芯串在一起，这是内部的一个保护，电池包外部的保护。我们先看内部的保护，内部叫OSD，因为三星做得比较早，它是这么做的，通过在正级上面的保险丝，负级有一个弹簧片，但是一旦过充了，气体膨胀就把小弹簧片谈起来，外部的电就进不去，是这样的一个原理，这是电芯本身做的保护。电池包外面就是要设计一个保险丝的结构，平时对外供电没有问题，但是一旦出现超过3—5倍的过载，是这样的一种方式。我们从电的方面稍微讲一下，从软件上面也可以做，这个是PACK上的控制，首先是把电断掉，最后才能烧OSD。刚才讲电池包内部的保护，我们现在来一个实列。我们Busbar怎么设置保护的机制，这是我们的一个模组，我们正常通电，如果是正常这样，我们就烧掉了，我们现在想象把节奏做一些改善，我正常情况下通电没有问题，一路就断掉了，想到这样一个办法，不同的模组部件焊接片，我们连接的部分把这个地方挖掉，我们还可以散热。我们通过一些仿真，比如说3000安培的时候马上就断掉，我们就形成一个保护，真正到底实体多大，我们考虑很多因素，到底谁先断，断了多少，我们通过保险丝的曲线，还有我们需要保护的策略。最后谈一下主题，也是我们要考虑的一个因素，我们电池包都是铝的，我们用的铜片连接，这个问题是相当危险的，但是现在很多人没意识到这一点，这种方式连接错了，铜和铝之间不能直接相连，为什么不能连？因为这是大众内部的培训，两个不同的金属，什么叫电腐蚀？铜和铝的氧化还原不一样，我们假设这个氢是零起点，铜就是正的0.52，空气当中不能有水分，他们就形成一个电池，我们看就形成了一个电压压差，我们怎么去相连？就是我们去镀层，我们根据水环境和成本去考虑，我们直接是把铝打个底这样的，比如说这边铜线，这边铝线不能直接相连，电动车要求更高，对我们来讲这块还是比较重视。怎么解决这个问题？我们可以让铜铝符合排的方式。我们认为铜和铝性能上做一个对比，如果用铝去代表铜的话，导电能力才能不减弱，这样的话会增加体积，但是相应会减少重量，因为现在电池包的能量密度要求越来越高，是一个比较重要的方向，我们天天都希望减重。 同时，我们认为铝价格上是很便宜的，大家都了解，我们就用这种方式计算，这是未来的趋势。我们整车铜的话，我们就需要这么重，如果换成铝的话，需要20斤就够了，同时价格会降低很多，主要就这么多。 主持人：非常感谢李总的精彩演讲。 提问：我有两个问题，第一个问题就是Busbar温升测试，那一个长度为什么定义200，500，1400，依据在哪里？动态绝缘检测，我为了验证我BMS的动态检测，有什么好的方法？ 李树成：这个曲线现在行业里面比较认可的一个就是行业标准，我们是参照那个去做的，而且现在参照那个是比较靠谱的标准。从BMS精度考虑这个问题，它是实时的一个东西，静态的时候我们会做电阻仪，我们会去校正。 提问：我们发现静态的时候，绝缘值偏高一点，当闭合的时候，绝缘值会降一点，到底什么是准还是不准？ 李树成：绝缘值到底是什么东西，是这样的，因为电流通到一个导体上面会产生三个电流，前面两个电流是随着时间的增长会降至零，最终得到的绝缘电阻改传导电流，所以出现静止的状态下，我们绝缘电阻变高，在运动情况下绝缘电子稍微变低一下，一般的BMS发现不对，就报警这种状态。 提问：有一个问题想请教一下，您说的温升测试，它达到热稳定之后，我们说多少的温升是合格的，比如说我铜排在不同的工况做到热稳定的时候，温升多少是合格有没有行业的标准或计算的方法？ 李树成：我们说正常一个导线载流，你说100也行，1000也行，但是我们温升判断的依据是什么？我们不能影响到别人，不能影响到别人首先不能影响到自己，比如说再高一点175度，对我的绝缘有破坏的影响，本身的影响这是一个判断因素，还有对相关连接的部分，比如说我们的电池，我们认为导线铜排的温升不超过80度是好的。 提问：刚才您讲了一个事情，就是关于铜铝接触，您有没有研究过，因为铜排和铝排的系统不一样，单纯地过流会影响螺栓连接，如果出现这种情况的时候，你会给一个什么样的指导性建议？ 李树成：铜铝也不一样，焊接熔点也很难，我们谈讨论焊接这个东西是很难的，连接部分就是说是您说的那样，振动的强度也不一样，这个好的地方我认为焊接这一块，我们可以换一个焊接方式，比方说现在有很多新的焊接方式，比如说爆炸焊，打个比方，但是具体没去做过，通过这一种方式去做。作用不是很大，因为我们镀层第一是想平整，镀层一般是通用材料，这样的话影响不太大。 【论坛文章回顾】
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