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  • 纯电动汽车高压熔断器附件选型分析

    文/ 发布于2017-10-24 浏览次数:1251

      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。

      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)

      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0.759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'-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I2t曲线,I2t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)。

      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。

      如果电流是周期性变化,则选择任意几个周期计算I2t,计算所得I2t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I2t,同样要求I2t曲线在图2下方的区域。

      图3为根据某一特定负载计算Pt,绘制曲线所得,可做参考。图3中,红色曲线为实际电流I2t,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,I2t的理论计算仅作选型参考。

      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,结合熔断器时间一电流特性曲线,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熔断器的时间一电流特性,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25 A。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一电流特性图中,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一电流特性曲线,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3~5 mω。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 30 A/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。

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