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新能源汽车熔断器的应用探讨

发布日期:2018-03-14 来源:未知 作者:admin 浏览:156




新能源汽车熔断器的应用探讨

摘要:熔断器是新能源(解释:向自然界提供能量转化的物质)汽车高压配电中的重要元件,担任了隔离和消除电动汽车(battery electric vehicle)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及马达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(bāo kuò)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。新能源汽车展涵盖了国际新能源汽车展,新能源公交客车,新能源物流车,新能源电池,新能源电机与电控系统,。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(Structure),熔断器才能够做到高可靠性和低成本兼而有之。
1 低压熔断器结构简
当然,再简单的元件也有其设计难度(difficulty)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(gāo yā)直流电完全有别于以往工业配电的交流(communication)电,对熔断器(Fuse)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。新能源汽车致力于制造高品质,高可靠性,有良好用户体验的"世界冠军"级别主流智能新能源汽车。
2 1000V/2kA分断,AC与DC的对比
2.分断能力
低压熔断器标准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。新能源汽车展以“绿色智能驱动未来”为主题。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(maybe)覆盖1500A-10000A,甚至更广。
3 某品牌400A熔断器(Fuse)在750Vdc/1.6kA(4倍)低倍分断下,2秒后电弧重燃,分断失败
3.抗浪涌能力
对于电池Pack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(zhì zào)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。新能源汽车展以“绿色智能驱动未来”为主题。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(Design)较为复杂,难免会有诸如启动/通断等造成的瞬态电流(Electron flow),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(使产生,促成)模块从系统(system)中断开。新能源汽车核心零部件的垄断,提升我国自主品牌汽车竞争力。
目前电控/PDU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(Electron)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)

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(demand)。
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:
除以上几个关键(解释:比喻事物的重要组成部分)指标之外,反而一些表面可见的一些因素不是重点,如管体材料(Material)品质是玻纤+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(Fuse)内部的石英砂是否固化,都不是客户应该关注的重点因素。关键是熔断器是否可以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I的计算:Ib = I x Kt x Ke x Kv x Kf x Ka;
实际应用可转换为: I≥ Ib/(Kt x Ke x Kv x Kf x Ka )
I: 熔断器的额定电流
Ib: 熔断器(Fuse)所在回路可允许的最大连续负载电流
Kt: 温度校正(词义:校对改正)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(词义:校对改正)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:
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(Battery)包着火,线缆着火等问题;
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;
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(Fuse)是新能源汽车中的安全关键元器件,它的应用(application)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。