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電動(dòng)汽車高壓直流熔斷器選型研究

2020-05-18 23:57:57·  來源：《電動(dòng)汽車高壓直流熔斷器選型研究》  作者：江西五十鈴汽車有限公司  
　
0引言電動(dòng)汽車的電壓等級(jí)多在200V以上，有的車型達(dá)到1000V以上，如果在高壓電路系統(tǒng)中發(fā)生過載或短路，將在短時(shí)間內(nèi)快速釋放大量能量，如果系統(tǒng)沒有可靠保護(hù)，將
0 引言

電動(dòng)汽車的電壓等級(jí)多在200V以上，有的車型達(dá)到1000V以上，如果在高壓電路系統(tǒng)中發(fā)生過載或短路，將在短時(shí)間內(nèi)快速釋放大量能量，如果系統(tǒng)沒有可靠保護(hù)，將對(duì)電路系統(tǒng)或器件造成熱損傷，絕緣破壞，甚至發(fā)生起火、爆炸和人身傷亡事故。因此要求在電動(dòng)汽車的高壓電路系統(tǒng)中，必須為每個(gè)回路單獨(dú)設(shè)置熔斷器，以保證在過電流發(fā)生時(shí)快速切斷電路，熄滅電弧，保護(hù)系統(tǒng)和整車的安全。本文將介紹高壓熔斷器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用分布和選型計(jì)算方法，并通過設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行說明。

1 高壓直流熔斷器在電動(dòng)汽車中的保護(hù)功能分布

 
從圖1中可以看到，高壓直流熔斷器在純電動(dòng)汽車中的主要分布在兩大系統(tǒng)中：

1）電池包中的回路保護(hù)，包含MSD總負(fù)熔斷器等；

2）電源分配單元（PDU）中對(duì)整車各系統(tǒng)的保護(hù)，主要包含：

A.主回路的保護(hù)：電機(jī)控制器（MCU）；

B.輔助回路的保護(hù)：空調(diào)壓縮機(jī)（A/C），暖風(fēng)系統(tǒng)（PTC），DCDC等；C.充電回路的保護(hù)：快充系統(tǒng)和慢充系統(tǒng)。

2 高壓直流熔斷器選型

熔斷器選型的基本要求是在電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，熔斷器不應(yīng)熔斷，正常通流；在出現(xiàn)短路時(shí)，應(yīng)立即熔斷；在發(fā)生整車的沖擊電流時(shí)（如電機(jī)起動(dòng)過程），熔斷器不應(yīng)熔斷；在電氣設(shè)備持續(xù)過載時(shí)，應(yīng)延時(shí)熔斷。即安全的導(dǎo)通，安全的熔斷。對(duì)熔斷器的選型主要包括類型的選擇和特性參數(shù)的選擇。

2.1熔斷器分類

按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，熔斷器有不同的分類。車用高壓直流熔斷器主要分為g類和a類熔斷器。g類提供全范圍保護(hù)，可分?jǐn)嗳垠w融化至熔斷器額定分?jǐn)嗄芰χg的任何電流，適合作為過載和短路的保護(hù)；a類提供部分范圍保護(hù)，能分?jǐn)嘧钚》謹(jǐn)嚯娏髦令~定分?jǐn)嚯娏髦g的過電流，適合作為短路保護(hù)，對(duì)于低倍的長(zhǎng)時(shí)間過電流，若低于最小分?jǐn)嚯娏鳎荒芸煽糠謹(jǐn)唷?/div>

2.2熔斷器特性參數(shù)

2.2.1額定電流

額定電流是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試條件下，按照確定的測(cè)試方式進(jìn)行驗(yàn)證，視同可以長(zhǎng)期通過而熔斷器不會(huì)損傷的電流值。熔斷器的額定電流按照負(fù)載情況匹配計(jì)算后選擇。

2.2.2額定電壓

額定電壓是指經(jīng)過驗(yàn)證，一定條件下可安全分?jǐn)嗟臉?biāo)稱電壓值。選型時(shí)熔斷器的額定電壓需要大于高壓系統(tǒng)的峰值電壓。

2.2.3分?jǐn)嗄芰?/div>

分?jǐn)嗄芰κ侨蹟嗥髟陬~定電壓及工作條件下，可瞬間承受的最大過載電流，熔斷器會(huì)熔斷但是不能發(fā)生爆炸情況。選擇的熔斷器的分?jǐn)嗄芰Ρ仨毚笥谙到y(tǒng)的預(yù)期最大短路電流。

2.3熔斷器選型匹配計(jì)算

熔斷器選型的基本原則是對(duì)于回路中的負(fù)載電流和預(yù)期的沖擊電流能夠全壽命正常通流，對(duì)回路系統(tǒng)中預(yù)期的過電流可靠保護(hù)，同時(shí)與上下級(jí)間的其他器件配合動(dòng)作，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期的分?jǐn)鄷r(shí)間。由于熔斷器的選型與所保護(hù)回路的負(fù)載信息密切相關(guān)，需要收集高壓設(shè)備的相關(guān)電氣信息，可按照表1進(jìn)行收集。

 
2.3.1電壓的選擇

熔斷器的額定電壓需要大于高壓系統(tǒng)的峰值電壓。

2.3.2電流的選擇

熔斷器的額定電流選擇參考以下公式：

 
Is———電路系統(tǒng)持續(xù)工作電流；K———為持續(xù)工作電流降容系數(shù)；In———熔斷器額定電流。

降容系數(shù)：

 
Kt———溫度校正系數(shù)；Km———連接器件熱傳導(dǎo)系數(shù)；Kb———海拔校正系數(shù)；Kn———綜合降容系數(shù)。

1）Kt溫度校正系數(shù)：環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致熔斷器提前或延緩動(dòng)作時(shí)間，所以設(shè)計(jì)選型時(shí)必須考慮環(huán)境溫度因素。從圖2所示的某型號(hào)熔斷器的溫度系數(shù)曲線圖中，可以得到熔斷器在不同的環(huán)境溫度中對(duì)應(yīng)的溫度校正系數(shù)Kt。

 
2）Km連接器件熱傳導(dǎo)系數(shù)：熔斷器采用銅排連接，表2為GB/T13539[2]約定的標(biāo)準(zhǔn)連接銅導(dǎo)線截面積，實(shí)際應(yīng)用導(dǎo)線截面積與標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線截面積的比值依照表3所示的連接器件的熱傳導(dǎo)因數(shù)校正曲線圖中可以得到對(duì)應(yīng)的連接熱傳導(dǎo)系數(shù)Km。

 
 
3）Kb海拔校正系數(shù)：海拔達(dá)到2000m以上后，空氣稀薄，散熱條件惡劣，海拔每升高100m，熔斷器的溫升上升0.1～0.5k。車載熔斷器使用在在封閉環(huán)境中，箱體內(nèi)部溫度在高海拔時(shí)仍然可以達(dá)到40℃以上，需要對(duì)額定電流降容。以2000m為基礎(chǔ)，海拔每升高1000m，額定電流降容2%～5%，海拔校正系數(shù)Kb=0.98～0.95/1000m.

4）Kn綜合降容系數(shù)：除以上校正外，熔斷器安裝在封閉箱體中，受安裝方式，間隔距離等影響，空氣流動(dòng)差，并考慮導(dǎo)線長(zhǎng)期工作的老化影響，綜合降容系數(shù)可選擇0.7～0.8倍。

計(jì)算出額定電流后，根據(jù)回路負(fù)載，對(duì)額定電流增加適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)，電機(jī)回路放大系數(shù)一般為1.2～1.5倍，充電系統(tǒng)放大系數(shù)可設(shè)置為1，對(duì)熔斷器的型號(hào)可進(jìn)行初步選擇。

2.4熔斷器選型校核

初步選擇一個(gè)熔斷器型號(hào)后，需要進(jìn)行兩部分的校核驗(yàn)證，分別是對(duì)回路的峰值電流進(jìn)行校核驗(yàn)證和與回路中的繼電器進(jìn)行匹配驗(yàn)證。

2.4.1峰值電流校核

 
根據(jù)該熔斷器的時(shí)間-電流曲線，對(duì)應(yīng)回路的峰值電流和持續(xù)時(shí)間，校核是否滿足系統(tǒng)要求。圖3為某系列熔斷器的時(shí)間-電流曲線，峰值電流必須在曲線下方時(shí)才能保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，通常認(rèn)為系統(tǒng)峰值電流與熔斷器在該持續(xù)時(shí)間下的耐受電流的比值Imax/It在30%～40%時(shí)熔斷器可保護(hù)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

2.4.2與繼電器的匹配校核

 
通過對(duì)比繼電器與熔斷器的電流耐受曲線，如圖4所示，當(dāng)發(fā)生低倍過載時(shí)，繼電器動(dòng)作斷開，保護(hù)回路不受損害，同時(shí)具有可恢復(fù)性。當(dāng)發(fā)生高倍過載或短路時(shí)，熔斷器動(dòng)作斷開，避免回路中繼電器不發(fā)生粘連或爆炸。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某純電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)為例，對(duì)MCU回路的熔斷器進(jìn)行選型和校核。

3.1匹配計(jì)算選型

首先收集MCU的負(fù)載參數(shù)信息，如表4所示，其中繼電器參數(shù)為初步選型宏發(fā)公司的型號(hào)，若不滿足匹配要求可再次調(diào)整。

 
MCU回路電流受車輛工況影響大，電流波動(dòng)沖擊頻繁，必須選用g類全范圍保護(hù)熔斷器，針對(duì)峰值電壓為605V，初步選用中熔公司g類，700V系列熔斷器。對(duì)額定電流的計(jì)算如下：

 
其中，本方案中，高壓箱內(nèi)部的工作環(huán)境溫度約為65℃，根據(jù)圖5中700V系列熔斷器的溫度曲線，Kt=0.84.

 
高壓箱中與熔斷器連接銅排選擇35mm2，實(shí)際額定電流105A，按照向上選取原則，對(duì)應(yīng)表2中的標(biāo)準(zhǔn)截面積為50mm2，兩者比值對(duì)應(yīng)表3中Km=0.98。該純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)整車海拔目標(biāo)為4000m，對(duì)應(yīng)2000m以上海拔校正系數(shù)Kb=0.98-0.95/1000m，最終選取Kb=0.9。綜合降容系數(shù)可選擇Kn=0.8。綜上In=Is/Kt*Km*Kb*Kn=105/0.84*0.98*0.9*0.8=178A。考慮電機(jī)的沖擊電流210A，若車輛頻繁啟動(dòng)沖擊，熔斷器的耐受情況，對(duì)MCU回路增加1.5倍放大系數(shù)，根據(jù)中熔公司700VEV系列選型表，基本選定熔斷器型號(hào)為EV322-5NM300A。

3.2選型校核驗(yàn)證

 
 從表4中可以看到，MCU峰值電流為Imax=210A，持續(xù)時(shí)間60s。對(duì)照EV322-5NM300A時(shí)間電流曲線圖6，可以找到60s弧前時(shí)間時(shí)，對(duì)應(yīng)最大耐受電流It=700A，Imax/It=30%,可以安全耐受峰值電流。同時(shí)在EV322-5NM300A的規(guī)格書中可看到該型號(hào)熔斷器最大分?jǐn)嗄芰?0kA，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)7kA短路電流。
 
查找繼電器HFE18V-300/750-12-HC5的時(shí)間電流曲線如圖7，對(duì)比圖6的熔斷器時(shí)間電流曲線，可以看到，發(fā)生短路時(shí)實(shí)測(cè)電流約3000A，熔斷器的熔斷時(shí)間為0.09s，小于繼電器的動(dòng)作時(shí)間0.6s，可有效保護(hù)繼電器不發(fā)生粘連或爆炸。

4 結(jié)論

熔斷器的選型與負(fù)載特性和應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，需要盡可能詳細(xì)的收集負(fù)載參數(shù)，評(píng)估車輛的運(yùn)行環(huán)境和熔斷器安裝環(huán)境，才能盡可能具體的對(duì)選型進(jìn)行校正和校核。本文采用的選型方法已應(yīng)用在多個(gè)車型中，目前未發(fā)現(xiàn)選型造成的失效，高壓系統(tǒng)的運(yùn)行得到了可靠保護(hù)。
 
 
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