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电动汽车高压直流熔断器选型研究

2020-05-18 23:57:57·  来源:《电动汽车高压直流熔断器选型研究》  作者:江西五十铃汽车有限公司  
 
0引言电动汽车的电压等级多在200V以上,有的车型达到1000V以上,如果在高压电路系统中发生过载或短路,将在短时间内快速释放大量能量,如果系统没有可靠保护,将
0 引言

电动汽车的电压等级多在200V以上,有的车型达到1000V以上,如果在高压电路系统中发生过载或短路,将在短时间内快速释放大量能量,如果系统没有可靠保护,将对电路系统或器件造成热损伤,绝缘破坏,甚至发生起火、爆炸和人身伤亡事故。因此要求在电动汽车的高压电路系统中,必须为每个回路单独设置熔断器,以保证在过电流发生时快速切断电路,熄灭电弧,保护系统和整车的安全。本文将介绍高压熔断器在电动汽车中的应用分布和选型计算方法,并通过设计实例进行说明。

1 高压直流熔断器在电动汽车中的保护功能分布

 
从图1中可以看到,高压直流熔断器在纯电动汽车中的主要分布在两大系统中:

1)电池包中的回路保护,包含MSD总负熔断器等;

2)电源分配单元(PDU)中对整车各系统的保护,主要包含:

A.主回路的保护:电机控制器(MCU);

B.辅助回路的保护:空调压缩机(A/C),暖风系统(PTC),DCDC等;C.充电回路的保护:快充系统和慢充系统。

2 高压直流熔断器选型

熔断器选型的基本要求是在电气设备正常运行时,熔断器不应熔断,正常通流;在出现短路时,应立即熔断;在发生整车的冲击电流时(如电机起动过程),熔断器不应熔断;在电气设备持续过载时,应延时熔断。即安全的导通,安全的熔断。对熔断器的选型主要包括类型的选择和特性参数的选择。

2.1熔断器分类

按照不同的标准,熔断器有不同的分类。车用高压直流熔断器主要分为g类和a类熔断器。g类提供全范围保护,可分断熔体融化至熔断器额定分断能力之间的任何电流,适合作为过载和短路的保护;a类提供部分范围保护,能分断最小分断电流至额定分断电流之间的过电流,适合作为短路保护,对于低倍的长时间过电流,若低于最小分断电流,不能可靠分断。

2.2熔断器特性参数

2.2.1额定电流

额定电流是指在标准规定的测试条件下,按照确定的测试方式进行验证,视同可以长期通过而熔断器不会损伤的电流值。熔断器的额定电流按照负载情况匹配计算后选择。

2.2.2额定电压

额定电压是指经过验证,一定条件下可安全分断的标称电压值。选型时熔断器的额定电压需要大于高压系统的峰值电压。

2.2.3分断能力

分断能力是熔断器在额定电压及工作条件下,可瞬间承受的最大过载电流,熔断器会熔断但是不能发生爆炸情况。选择的熔断器的分断能力必须大于系统的预期最大短路电流。

2.3熔断器选型匹配计算

熔断器选型的基本原则是对于回路中的负载电流和预期的冲击电流能够全寿命正常通流,对回路系统中预期的过电流可靠保护,同时与上下级间的其他器件配合动作,满足设计预期的分断时间。由于熔断器的选型与所保护回路的负载信息密切相关,需要收集高压设备的相关电气信息,可按照表1进行收集。

 
2.3.1电压的选择

熔断器的额定电压需要大于高压系统的峰值电压。

2.3.2电流的选择

熔断器的额定电流选择参考以下公式:

 
Is———电路系统持续工作电流;K———为持续工作电流降容系数;In———熔断器额定电流。

降容系数:

 
Kt———温度校正系数;Km———连接器件热传导系数;Kb———海拔校正系数;Kn———综合降容系数。

1)Kt温度校正系数:环境温度的变化会导致熔断器提前或延缓动作时间,所以设计选型时必须考虑环境温度因素。从图2所示的某型号熔断器的温度系数曲线图中,可以得到熔断器在不同的环境温度中对应的温度校正系数Kt。

 
2)Km连接器件热传导系数:熔断器采用铜排连接,表2为GB/T13539[2]约定的标准连接铜导线截面积,实际应用导线截面积与标准导线截面积的比值依照表3所示的连接器件的热传导因数校正曲线图中可以得到对应的连接热传导系数Km。

 
 
3)Kb海拔校正系数:海拔达到2000m以上后,空气稀薄,散热条件恶劣,海拔每升高100m,熔断器的温升上升0.1~0.5k。车载熔断器使用在在封闭环境中,箱体内部温度在高海拔时仍然可以达到40℃以上,需要对额定电流降容。以2000m为基础,海拔每升高1000m,额定电流降容2%~5%,海拔校正系数Kb=0.98~0.95/1000m.

4)Kn综合降容系数:除以上校正外,熔断器安装在封闭箱体中,受安装方式,间隔距离等影响,空气流动差,并考虑导线长期工作的老化影响,综合降容系数可选择0.7~0.8倍。

计算出额定电流后,根据回路负载,对额定电流增加适当的放大系数,电机回路放大系数一般为1.2~1.5倍,充电系统放大系数可设置为1,对熔断器的型号可进行初步选择。

2.4熔断器选型校核

初步选择一个熔断器型号后,需要进行两部分的校核验证,分别是对回路的峰值电流进行校核验证和与回路中的继电器进行匹配验证。

2.4.1峰值电流校核

 
根据该熔断器的时间-电流曲线,对应回路的峰值电流和持续时间,校核是否满足系统要求。图3为某系列熔断器的时间-电流曲线,峰值电流必须在曲线下方时才能保证系统安全运行,通常认为系统峰值电流与熔断器在该持续时间下的耐受电流的比值Imax/It在30%~40%时熔断器可保护系统安全可靠运行。

2.4.2与继电器的匹配校核

 
通过对比继电器与熔断器的电流耐受曲线,如图4所示,当发生低倍过载时,继电器动作断开,保护回路不受损害,同时具有可恢复性。当发生高倍过载或短路时,熔断器动作断开,避免回路中继电器不发生粘连或爆炸。

3 设计实例

以某纯电动汽车的高压系统为例,对MCU回路的熔断器进行选型和校核。

3.1匹配计算选型

首先收集MCU的负载参数信息,如表4所示,其中继电器参数为初步选型宏发公司的型号,若不满足匹配要求可再次调整。

 
MCU回路电流受车辆工况影响大,电流波动冲击频繁,必须选用g类全范围保护熔断器,针对峰值电压为605V,初步选用中熔公司g类,700V系列熔断器。对额定电流的计算如下:

 
其中,本方案中,高压箱内部的工作环境温度约为65℃,根据图5中700V系列熔断器的温度曲线,Kt=0.84.

 
高压箱中与熔断器连接铜排选择35mm2,实际额定电流105A,按照向上选取原则,对应表2中的标准截面积为50mm2,两者比值对应表3中Km=0.98。该纯电动汽车设计整车海拔目标为4000m,对应2000m以上海拔校正系数Kb=0.98-0.95/1000m,最终选取Kb=0.9。综合降容系数可选择Kn=0.8。综上In=Is/Kt*Km*Kb*Kn=105/0.84*0.98*0.9*0.8=178A。考虑电机的冲击电流210A,若车辆频繁启动冲击,熔断器的耐受情况,对MCU回路增加1.5倍放大系数,根据中熔公司700VEV系列选型表,基本选定熔断器型号为EV322-5NM300A。

3.2选型校核验证

 
 从表4中可以看到,MCU峰值电流为Imax=210A,持续时间60s。对照EV322-5NM300A时间电流曲线图6,可以找到60s弧前时间时,对应最大耐受电流It=700A,Imax/It=30%,可以安全耐受峰值电流。同时在EV322-5NM300A的规格书中可看到该型号熔断器最大分断能力为50kA,远大于系统7kA短路电流。
 
查找继电器HFE18V-300/750-12-HC5的时间电流曲线如图7,对比图6的熔断器时间电流曲线,可以看到,发生短路时实测电流约3000A,熔断器的熔断时间为0.09s,小于继电器的动作时间0.6s,可有效保护继电器不发生粘连或爆炸。

4 结论

熔断器的选型与负载特性和应用环境密切相关,需要尽可能详细的收集负载参数,评估车辆的运行环境和熔断器安装环境,才能尽可能具体的对选型进行校正和校核。本文采用的选型方法已应用在多个车型中,目前未发现选型造成的失效,高压系统的运行得到了可靠保护。
 
 
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