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新能源汽车熔断器的应用探讨

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发布:liuxianglong 作者: 电动汽车资源网来源: 电动汽车资源网
PostTime:12-1-2018 21:27
熔断器担任了隔离和消除电动汽车高压电路的短路故障之重任。本文从车用高压熔断器的基本特性和设计理念两个方面进行剖析,为整车厂、电池Pack及电机电控制造商选用恰当的EV熔断器开阔思路。

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摘要: 熔断器是新能源汽车高压配电中的重要元件,担任了隔离和消除电动汽车高压电路的短路故障之重任。本文从车用高压熔断器的基本特性和设计理念两个方面进行剖析,为整车厂,电池Pack及电机电控制造商选用恰当的EV熔断器开阔思路。

关键词:熔断器,分断能力,可靠性,抗浪涌

在新能源汽车中,包括纯电动和混合动力,电路保护元件或者说熔断器,比以往任何时候都更为重要,低压熔断器和车规电气的交叉应用对熔断器提出了更具挑战性的要求。

传统的电子电力熔断器,其特性由UL248系列北美标准或IEC60127/60269系列覆盖,对熔断器的可靠性没有要求;传统的汽车熔断器,由ISO8820系列标准定义,定义了跟汽车线束的匹配及可靠性要求,但其额定电压仅仅覆盖32VDC及以下(新的ISO8820-7/8定义了燃料电池和混合动力汽车专用的熔断器,也只到450VDC和I.R.2000A)。

目前, 乘用车的工作电压一般为370V以上,大巴车达到576V以上,远高于传统汽车电气部件的12V/24V。如此高的工作平台电压,要求EV/HEV熔断器要求兼具低压熔断器的高分断能力和汽车熔断器的高可靠性。以下本文将针对新能源汽车用熔断器进行剖析,探寻其设计理念及技术发展趋势。

一、熔断器的关键参数

相对于其他电路保护元件,如PTC(复杂的化学成分),断路器(包含复杂的可动部件)等,熔断器可以说是相当简单的元件: 对于低压熔断器, 仅仅包含熔体(熔断的核心部件),绝缘管体,通电端子和灭弧用的石英砂。也正因为其简单的结构,熔断器才能够做到高可靠性和低成本兼而有之。

新能源汽车熔断器的应用探讨

图1 低压熔断器结构简图

当然, 再简单的元件也有其设计难度和挑战,以下,就EV熔断器的关键参数简述如下:

1.额定电压

新能源电动汽车的工作平台电压都较高,乘用车的工作电压一般为370V以上,大巴车将达到576V以上,要求对应的熔断器额定电压分别为500V和700V。

同时,由电池供电的特征,输出的高压直流电完全有别于以往工业配电的交流电,对熔断器的直流灭弧能力要求高,务必避开选用传统工业交流快熔的误区。

新能源汽车熔断器的应用探讨

图2 1000V/2kA分断, AC与DC的对比

2.分断能力

低压熔断器标准(GB13539.5.3.1)提到典型短路电流为10倍于熔断器额定电流及以上电流,10倍以下为过载电流。很多时候客户过多的关注熔断器的最大分断能力(I1)这一指标,而忽视了低倍分断(I2a和I5)。而在实践过程中,往往是低倍分断的失效较多。特别是直流电压下的低倍分断,由于电流/电压不过零点,对熔断器的灭弧能力要求非常高。即便是aR型熔断器,主要目的是用于短路保护,但在实际应用中,由于电池包容量,SOC以及短路点状态的不确定,实际短路电流可能覆盖1500A-10000A,甚至更广。

新能源汽车熔断器的应用探讨

图3 某品牌400A熔断器(用于MiniMSD)在750Vdc/1.6kA(4倍)低倍分断下,2秒后电弧重燃,分断失败(熔断器燃烧)

3.抗浪涌能力

对于电池Pack厂商来说,可能对熔断器的抗浪涌能力没有过多的关注,但是对于整车厂或者PDU制造商来说,这一指标非常关键,尤其是空调压缩机支路或者辅助电机部分,往往是这一部分引起熔断器意外动作导致相关模块失去功能。该失效虽不至于导致严重的动力输出中断,但也会让客户体验大打折扣。

对于PTC/空调压缩机/助力转向等辅助模块(辅机)来说,因电路设计较为复杂,难免会有诸如启动/通断等造成的瞬态电流,这个时候我们希望熔断器能够承受这个浪涌而不至于提前动作导致模块从系统中断开。

目前电控/PDU厂商较多地选用了aR型快熔,为了抵抗浪涌电流,往往需要选用额定电流更高的熔断器,相对而言则牺牲了低倍过载保护能力。

下表是博钺电子和B品牌相同电压/电流的弧前时间比较(注: 弧前时间越长,弧前I2T越大,抗浪涌能力越强)

新能源汽车熔断器的应用探讨

新能源汽车熔断器的应用探讨 

图4 某空调压缩机的启动电流检测, 实际工作电流仅10A

4.可靠性要求

得益于混合动力汽车HEV 20年的发展,日本JASO颁布了D622这一专用于混合动力汽车的熔断器标准,其中规定了若干熔断器必须满足的可靠性要求。

虽然纯电动用的熔断器不能全盘照搬该标准(如对润滑油抵抗能力,及相对较低的电压和分断能力要求),但可靠性方面完全可以依照这一成熟标准:

新能源汽车熔断器的应用探讨

除以上几个关键指标之外,反而一些表面可见的一些因素不是重点,如管体材质是玻纤+树脂复合材料还是陶瓷,单个管体还是两个管体并联,抑或金属部件的表面镀层为何,甚至熔断器内部的石英砂是否固化,都不是客户应该关注的重点因素。关键是熔断器厂商是否能够保证产品符合基本的电气特性(如低倍和高倍直流分断能力)以及可靠性要求。

二、EV熔断器的额定电流选型计算

EV熔断器的选型除满足额定电压需大于系统工作电压和关注合适的尺寸之外,主要难点在于额定电流的计算和选定。

熔断器额定电流In的计算: Ib = In x Kt x Ke x Kv x Kf x Ka;

实际应用可转换为: In≥ Ib/(Kt x Ke x Kv x Kf x Ka )

In: 熔断器的额定电流

Ib: 熔断器所在回路可允许的最大连续负载电流

Kt: 温度校正因数

Ke: 连接器件热传导因数

Kv: 风冷校正因数

Kf: 频率校正因数

Ka: 海拔校正系数

在实际应用当中, 不同的工况下熔断器实际载流不一样,持续时间不一样;很难用精确的模型来对熔断器载流进行定义;用户需要根据基本选型和自己内部控制策略来对熔断器的选择进行调整,在调整当中,至少需要考虑以下几个方面:

Ø 是否能够有效保护,即熔断器在遭遇主回路短路时,是否能够有效动作,不引起电池包着火,线缆着火等问题;

Ø 在实际应用中, 温升是否能够接受, 是否可控, 是否对周边器件产生影响;

Ø 实际工况评估是检验选型是否合适的唯一标准。

总结

熔断器是新能源汽车中的安全关键元器件, 它的应用和选型要求与以往传统工业熔断器和汽车熔断器同中有异, 主要区别还是汽车应用中的苛刻要求。

注:东莞市博钺电子有限公司作为2012年成立的新兴企业,沿袭传统熔断器巨头的设计理念和质量管理,专注于熔断器的设计开发,已获得多项熔断器专利,包括三项发明专利和十一项实用新型专利;产品广泛服务于消费电子、光伏、工业配电以及新能源汽车行业(电池包、电控、充电机、BMS、充电桩)等客户群,其中包括国轩高科、亿纬锂能、北京国能、中信国安蒙固利、上海正昀、沃特玛、蓝海华腾、上海大郡、欣锐科技、吉泰科、福建万润、科列、无线绿洲、英可瑞、英飞源、科士达、特锐德、科华恒盛等。公司以“一流技术,卓越保护”为方针,致力于成为熔断器设计和制造的技术引领型的企业。

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