摘要： 纯电动汽车的驱动部分及高压附件系统的电源均为动力电池电源， 为保护车辆及乘员安全， 相关动力电池电源回路均选用相应熔断器作为短路保护的措施。本文主要从熔断器寿命校核， 冲击电流对熔断器影响， 熔断器分断能力等方面， 阐述纯电动汽车直流高压熔断器的选型原则及验证方法。

 

纯电动汽车的动力电池电源电压多在200~400 V，除动力电池总熔断器外， 还存在汽车空调系统， 暖风系统， DC／DC系统（将动力电池电压转换为14 V，提供整车低压电源， 作用类同发电机） 等其他附件高压回路， 各回路均需串接直流高压熔断器做回路保护。

 

现阶段， 陆续有EV专用汽车级熔断器推出，但选择面还是比较狭窄。国产直流熔断器的分断能力及保护特性均能够满足IEC （国际电工标准化机构） 或其他通用标准， 与相同用途的进口产品差别不大。但在相关ROHS （电子电器设备中限制使用某些有害成分的指令） 认证、极端条件测试、系列产品的自动化生产方面， 仍略有差距。

 

直流高压熔断器价格稍高， 需在能够有效保护各系统回路的同时， 禁止熔断器非正常熔断现象发生。本文将对直流高压熔断器的选型原则及验证方法做系统介绍。

 

1 常规高压系统方案介绍

 

在不考虑动力电池内部结构、充电系统、动力电池热管理系统的前提下， 一般纯电动汽车高压附件系统设计回路见图1。从图1可知， 动力电源主回路需要总熔断器1只， 其余分系统需单独设置熔断器。总体来看， 至少选用4～5只直流系列， 额定电压在400 V以上的熔断器， 才能满足车辆的基本功能需求。

 

图1 纯电动汽车高压附件系统设计回路

 

2 直流高压熔断器选型基本原则

直流高压熔断器选型原则主要是熔断器额定电压与额定电流的确认， 熔断器额定电压需大于动力电池最高电压， 额定电流（熔断丝容量） 的选择参考式（1）

（1）

 

式中： In———熔断器额定电流； Ir———保护回路的负载电流； K1———负载形式矫正系数； K2———温度矫正系数。

 

其中负载形式矫正系数K1主要根据负载特性，考虑功率变化、电流纹波、启动与关闭瞬间冲击电流等因素， 一般条件下， 平稳运行负载选择0.75，如果负载在工作过程中， 电流有较大波动， 建议K1选择0.6。

 

通常根据温度变化率可直接计算温度矫正系数K2， 或者根据熔断器使用的环境温度及熔断器温升曲线， 合理选择K2， 纯电动汽车无明显高温产生区域， 一般K2选择0.6。

 

在确认K2时， 也要充分考虑熔断器的自身功耗，即熔断器在通过不同电流时， 不同的温升效果。

 

3 寿命计算及验证

熔断器寿命计算参考熔断器负载电流波形及Ⅰ² t曲线，Ⅰ² t曲线的一般形式见图2 （以某品牌40 A直流高压熔断器为例）。

图2 某品牌40A 熔断器Ⅰ² t曲线图

 

根据图2， 从理论上来看， 当通过电流为熔断器额定电流50%时， 熔断器能够保证持续工作而不非正常熔断。实际负载波形通常不是平稳的线性负载，针对不同的负载曲线， 需根据式（2） 进行计算。

（2）

 

如果电流是周期性变化， 则选择任意几个周期计算Ⅰ² t， 计算所得Ⅰ² t曲线需在最下面一条曲线的下方区域。

 

一般来讲， 电流波动主要存在负载初步启动或者功率上升区域， 可从负载启动， 快速提高负载功率直至稳定， 抓取从开始到负载稳定过程中电流波形， 估算Ⅰ² t， 同样要求Ⅰ² t曲线在图2下方的区域。

 

图3为根据某一特定负载计算Ⅰ² t， 绘制曲线所得， 可做参考。图3中， 红色曲线为实际电流Ⅰ² t，红色曲线始终在绿色曲线下方。

 

熔断器实际寿命验证仍需在试验室台架上进行， 或随实车耐久同步进行， Ⅰ² t的理论计算仅作选型参考。

 

 

图3 实测Ⅰ² t曲线

4 冲击电流对熔断器影响

 

熔断器型号初步确定后， 需根据负载回路的冲击电流， 结合熔断器时间-电流特性曲线，校核初选熔断器能否承受回路内的尖峰电流。

 

图4为初选某品牌35 A熔断器的时间-电流特性， 在图4的基础上， 比对尖峰电流的持续时间及峰值。

图4（左） 某品牌35A 熔断器时间-电流特性       

图5（右） 实测冲击电流

 

图5为用示波器配合电流互感器测得负载的冲击电流波形， 1V对应电流值25A。黑色波形为示波器电流探头测得波形， 已超探头量程， 不具有参考意义， 从蓝色波形可以计算出该冲击电流的峰值电流为590 A，整个尖峰持续周期为0.4 ms。将该尖峰描绘在初选熔断器的时间-电流特性图中， 见图4。

 

通过比对， 即可确认该负载中存在的冲击电流， 实际上已超过初选熔断器对峰值电流的承受能力， 若长时间使用， 则容易导致熔断器的非正常熔断。反之， 若冲击电流值不超出熔断器时间-电流特性曲线， 则可认为初选熔断器适用该负载的冲击电流。

 

5 分断能力与短路电流

熔断器分断能力需大于保护回路中预期短路电流， 预期短路电流通过动力电池电压与负载回路的导线电阻、电源内阻、连接端子或者转接点个数，可简单计算。线阻及电源内阻可通过计算或测量获得， 连接端子一般取3~5mΩ。通常情况下， 计算得到的预期短路电流与实际短路电流值仍有差别， 当计算得到的预期短路电流接近熔断器的分断能力时， 需通过测试验证。

 

测试验证前， 需评估整个负载回路容易发生短路现象的位置， 然后在该位置设置短路点， 连接好相应设备， 测量短路过程中熔断器两端电压波形，整个负载回路的实际短路电流等参数。

 

图6为试验短路前选用熔断器照片， 短路回路为A／C回路， 试验用熔断器型号为PEC 30A／ 450VDC。

 

该型号熔断器的短路过程分为3段。即： ①初始阶段， 熔断器两端电压为0， 负载回路无电流流过； ②熔断阶段， 负载回路短路， 熔断器开始拉灭弧过程； ③熔断完成， 熔断完成后， 熔断器两端电压为电源电压。

 

从拉弧及灭弧过程来开， 整个熔断过程不超过2 ms， 熔断器的分断速度比较理想。分断试验完成后， 拆除测量设备， 检查熔断器的外观， 主要包含是否有裂缝、载体是否有烧蚀等现象。

 

若外观良好， 则需进一步剖解熔断器内部， 检查熔体的熔断情况， 检查灭弧材料粘结变化情况。

 

图7为该型号熔断器熔断试验后情况， 从拆解图中看出， 经过短路分断过程以后， 熔断器玻璃管外观良好， 石英砂依旧松散， 熔体有效熔断， 载体未受短路电流影响， 表明该负载的短路电流在熔断器分断能力之内， 符合设计需求。