电动汽车高压直流熔断器选型基础
动力电池技术2018-01-20 17:15
熔断器的工作原理看起来比较简单，在电路中出现瞬时大电流时，熔丝自身发热，把自己熔断就算完成使命。但在一个确定的电路中，选择什么样的熔丝，才能够恰到好处的实现，遇到故障电流，在短时间内熔断；同时又能确保，在长期的正常工作电流作用下，不会出现熔断，甚至不会因为伤痕的累积而出现电阻增大情形，影响到回路的效率。这才是好的熔断器追求的目标。
电动汽车上使用的熔断器，既需要普通配电系统中直流高压熔断器的熔断保护性能，同时，还需要承受道路车辆的冲击和振动，这是对电动汽车高压系统内使用的熔断器的一类独特要求。
1 熔断器类型和特点
按照供配电系统中习惯性的叫法，250V以下称为低压。我们现在所说的高压直流熔断器，实际上是针对电动汽车的电气系统中的习惯叫法。控制电路以外的，都被我们叫做高压系统。电动汽车上的高压直流，目前主流都在1000V以下。
直流熔断器的类型，按照结构划分可以分成插入式、螺旋式、无填料封闭管式、有填料封闭管式和快速熔断器几种。
插入式，指熔断器的熔体以插接的方式固定在熔断器支座上，一旦出现故障熔断，可以只更换熔体而不必拆卸整个熔断器。它主要由瓷盖、瓷座、动触头、静触头和熔丝组成。这是一种比较传统的熔断器。如下图所示。
螺旋式，指熔断器两侧的接线端靠螺纹旋接的方式连接到一起的一类熔断器，它主要由瓷帽、熔断管、瓷套、上接线端、下接线端及座子组成，基本结构如下图所示。
无填料封闭管式，是将一片或者几片熔体并联封闭在一个套管内，熔体上人为设计薄弱环节作为熔断点的一种熔断器。它主要由熔断管（纤维管）、插座和熔片组成。使用过程中，此类熔断器接入回路时需要配套支座作为绝缘固定之用。基本结构如下图所示。
有填料封闭管式熔断器，指在封闭管体内熔体周围，填充经过处理的石英砂，用以加速电弧的熄灭的一类熔断器。它主要由管体、指示器、石英砂填料和熔体组成。管体由滑石陶瓷制成。当熔断器遇到故障电流熔断后，指示器显示其熔断状态。简图如下图所示。
快速熔断器，强调反应迅速，在出现短路情况时，能够实现对回路电气的保护。快速熔断器的基本组成与有填料封闭管式熔断器类似，主要区别在于熔体的材质和具体结构设计。快熔的熔体多数都是银或者银合金，在熔体薄片上设计各种切口，并在特定位置添加其他材质的焊点，目的就是期望故障电流出现时，热量都集中在设计的几个点上，以利于短时间熔断。快熔外形如下图所示。
快熔又包含全范围保护和短路保护两种应用。全范围保护，过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只针对出现短路电流的情形进行保护。实际上，快熔想要兼顾过载延时和短路瞬时，是一件非常高难度的事情。
我们在电动汽车高压回路中，主要应用快熔，而最为关注的参数是它的可靠性、熔断速度和分断能力。近年，熔断器厂家不断针对电动汽车的特殊性，进行短路保护的研究。有一种观点逐渐被大家认可：选用快熔的分断能力，并不是越大越好。
电动汽车是一个独立的电气系统，这点与大电网的性质并不完全相同。供配电系统的观点是，保护电气的分断能力越高，系统就越安全，因为大电网的电压高，形式复杂，相对一个局部用电器来说，可以说是能量无限大。这时候，越是能够可靠切断短路电流，越是能够及早切断短路电流，这个回路就越安全。电动汽车，作为一个独立的电气系统，其最大的短路电流是有限的，可以计算的。在这个级别的短路电流发生时，能够快速有效分断，才是贴合电动汽车应用实际的要求。如果沿用传统的供配电领域对保护电气的认识，一味追求高的分断能力，可能发生的情形反而是，分断时间过长，失去了最佳保护时机。
2 几种熔断器的对比
1）几种熔断器的结构形式不同，工作的精确程度要求不同带来价格的差异，基本上，近似电气参数的熔断器，从前到后，价格逐渐提高。
2）分断能力存在差异。熔断器的基本功能就是遇到故障电流，断开回路。分断能力是一个重要的考察参数。当然，不是所有熔断器放在电路中都是为了保护短路情况，但分断能力是熔断器的能力指征。插入式熔断器分断能力最差，最大几千安；无填料封闭管式的分断能力略有提高，最大可以达到十几千安水平。其余几种，螺旋式、有填料封闭管式、快速熔断器，根据不同的设计目的可以实现不同的分断能力，最高均可以达到几十千安水平。
3）保护对象不同。快速熔断器主要用来保护半导体设备，普通熔断器则是用来保护电线电缆。
3 电动汽车高压直流熔断器选型方法
针对电动汽车这样的直流电路选择熔断器，在确定采用快速熔断器的前提下，主要分三个步骤进行选型。
首先，按照回路额定电压和额定电流选择熔断器规格。熔断器额定电压高于回路中可能出现的最高电压，也就是动力电池满电电压。电流，则主要考虑额定电流以及回路电流类型、温度等基本因素的影响。下面是考虑电流的一个常规公式：
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，K1主要考虑回路电流的波动情形，比如电流纹波，起动峰值电流大小等等，电流曲线越平稳，K1取值越大，一般选0.6-0.75范围。K2是考虑温升对熔断器载流能力的影响，温升的因素既包括环境温度是否高于标准室温，也包括熔断器自身工作温升，是否常常大负载运行。一般情况下，K2选择0.6.-0.8范围。
其次，用正常工作过程中出现的短时峰值电流去校核熔断器在出现峰值电流时是否会有熔断风险，冲击电流的校核，既要考虑峰值电流值，也要考虑延续时间。
最后，进行预期短路电流校核。计算整个电池包最大短路电流，可以按照最高工作电压除以回路内阻的方式作出估计。回路内阻，包括电池内阻，连接导体内阻，接触内阻及回路中各个电气元件的内阻之和。得到最大短路电流后，对比你选择的熔断器标称分断能力。标称分断能力略大于你的短路电流值是比较理想的情况。
当然，前面第一步中直接使用额定电流的方式是比较粗略的做法，更精确的做法是取得运行工况实际电流曲线，选择有代表性的一段，采用积分方法计算电流平均值，再去熔断器的特性曲线图上去查找合适的规格。其后的峰值电流验证，方法与前面类似。
4 关于熔断器承受车辆环境下的振动和冲击的能力
熔断器安装在电池包内或者高压箱内，对其耐冲击和耐振动性能的下限要求，是满足电池包在冲击和振动方面的标准要求。具体测试方法在国标《GB/T 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分 安全性要求与测试方法》的7.1振动和7.2 机械冲击中有详细规定。
参考文献
1张凯方，纯电动汽车高压熔断器选型分析；
2沈文琪，高压电容器内熔丝动作引起的过电压及其对策；
3余跃听，水玻璃对直流熔断器短路分断性能的影响分析；
（图片来自互联网公开资料）
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