電動(dòng)汽車用電流熔斷器的選型與試驗(yàn)研究

龍成冰，吳 森，付 翔

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

電動(dòng)汽車主要包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車［1］，現(xiàn)今的電動(dòng)汽車還包括插電式混合動(dòng)力汽車和增程式混合動(dòng)力汽車［2］。插電式混合動(dòng)力汽車、增程式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的主要供能裝置均為動(dòng)力電池，主要驅(qū)動(dòng)裝置均為電機(jī)，因而其附件均由動(dòng)力電池直接驅(qū)動(dòng)［3］。在電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行中，高壓部分采用同一電源，各高壓回路中的電壓、電流和功率相互影響。將電動(dòng)汽車中的高壓電部分進(jìn)行集成，提出了高壓配電系統(tǒng)的概念。為了減少每個(gè)高壓回路出現(xiàn)高壓故障時(shí)相互的牽連作用，每個(gè)高壓回路和主回路均設(shè)置單獨(dú)的電流熔斷器。而電動(dòng)汽車用電流熔斷器缺少標(biāo)準(zhǔn)和選型計(jì)算方法，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)高壓故障時(shí)不正常熔斷。針對(duì)實(shí)車運(yùn)行中高壓配電系統(tǒng)出現(xiàn)的電流熔斷器熔斷現(xiàn)象，參考機(jī)車用高壓熔斷器標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的電動(dòng)汽車用電流熔斷器熔斷試驗(yàn)，提出了電動(dòng)汽車用電流熔斷器的選型計(jì)算方法和注意事項(xiàng)，為電動(dòng)汽車用電流熔斷器標(biāo)準(zhǔn)化提供了參考意見(jiàn)。

1 電動(dòng)汽車用高壓配電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車用高壓配電系統(tǒng)主要用于對(duì)電動(dòng)汽車各高壓回路中高壓驅(qū)動(dòng)部件的高壓電進(jìn)行通斷控制，保護(hù)各高壓回路在出現(xiàn)短路和過(guò)流故障時(shí)及時(shí)切斷該回路，以免損壞整個(gè)高壓回路中的其他電器元件，特別是動(dòng)力電池，同時(shí)也提高了整車安全性和可控性［4］。因此，高壓配電系統(tǒng)中接觸器、電流熔斷器和預(yù)充電阻是其最主要的3 個(gè)高壓電器元件。圖1 為電動(dòng)汽車中最為復(fù)雜的一種高壓配電系統(tǒng)示意圖。

圖1 中，對(duì)于純電動(dòng)汽車可以省略增程式部分;交流充電和直流充電可以根據(jù)電動(dòng)汽車的要求進(jìn)行選配;對(duì)于非插電式電動(dòng)汽車，不存在充電部分;部分附件設(shè)備根據(jù)電動(dòng)公交車進(jìn)行選配，對(duì)于其他車型可以自由選配附件設(shè)備。

根據(jù)最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，交流充電額定電流有16 A 和32 A 兩種［5］，屬于慢充，所需時(shí)間較長(zhǎng);直流充電電流有125 A 和250 A 兩種［6］，屬于快充，所需時(shí)間較短。采用交流充電時(shí)，車輛需自帶車載充電機(jī)。目前運(yùn)行的電動(dòng)公交車或電動(dòng)通勤車，為了減少充電損壞對(duì)動(dòng)力電池壽命損傷，一般選用小于100 A 的直流充電方式。

根據(jù)上述分析和純電動(dòng)公交車的實(shí)際運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)了如圖2 所示的高壓配電系統(tǒng)原理圖。圖2 中虛線表示直流高壓共負(fù)極，接觸器、預(yù)充電阻和電流熔斷器三者是其主要的電器元件，每個(gè)高壓回路均配有一個(gè)電流熔斷器。氣泵、油泵、DC/DC 和空調(diào)這四者由同一個(gè)接觸器KM3控制，即4 個(gè)附件回路并聯(lián)。

圖2 純電動(dòng)公交車高壓配電系統(tǒng)原理圖

2 故障分析

2.1 高壓配電系統(tǒng)實(shí)車運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)

依據(jù)圖2 所設(shè)計(jì)的高壓配電系統(tǒng)原理圖選配元件，并開發(fā)相應(yīng)的高壓配電系統(tǒng)，安裝在10 臺(tái)純電動(dòng)公交車上進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，期間出現(xiàn)的故障如表1 所示。在故障出現(xiàn)的過(guò)程中伴隨著兩種現(xiàn)象，一是高壓配電系統(tǒng)中熔斷的電流熔斷器附近出現(xiàn)了明顯的熏黑現(xiàn)象，高壓配電系統(tǒng)的上蓋有明火熏過(guò)的現(xiàn)象;二是部分高壓配電系統(tǒng)中充電連接器壓線末端的壓接銅條處有明顯的拉弧現(xiàn)象。

2.2 高壓配電系統(tǒng)故障分析

從表1 中的故障可看出，當(dāng)大電流導(dǎo)致一個(gè)附件回路中的部件損壞時(shí)，并聯(lián)的4 個(gè)回路中至少有兩個(gè)回路中的電流熔斷器熔斷，有時(shí)還伴隨著主回路的電流熔斷器熔斷。在故障6 中，由于氣泵回路的正負(fù)極反接，導(dǎo)致4 個(gè)附件回路和主回路的電流熔斷器均熔斷。在該高壓配電系統(tǒng)中所選的電流熔斷器為工業(yè)交流熔斷器，額定電壓為1 000 V AC，采用式(1)計(jì)算等效直流電壓：

式中：V1為所需選用直流熔斷器的額定電壓;V2為所需選用交流熔斷器的額定電壓。

通過(guò)式(1)計(jì)算所得到的等效直流額定電壓大于700 V DC，以下將設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)模擬工業(yè)交流熔斷器和直流熔斷器的熔斷對(duì)比試驗(yàn)，并測(cè)試其并聯(lián)4 個(gè)附件回路在出現(xiàn)過(guò)電流故障和短路故障時(shí)是否相互影響。

表1 高壓配電系統(tǒng)實(shí)車故障統(tǒng)計(jì)表

圖3 為圖2 的高壓原理簡(jiǎn)化圖。故障6 中的高壓原理簡(jiǎn)化圖如圖4 所示。

圖3 純電動(dòng)公交車高壓原理簡(jiǎn)化圖

圖4 單個(gè)附件回路高壓反接時(shí)高壓原理簡(jiǎn)化圖

分析圖3 可知，除主回路F1外，其他回路在簡(jiǎn)化圖中均是相互并聯(lián)，且主回路電流熔斷器的額定值遠(yuǎn)大于附件中電流熔斷器的額定值。但實(shí)際故障中，在附件回路出現(xiàn)短路故障時(shí)，主回路電流熔斷器F1也可能出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象，因此，上述電流熔斷器電流計(jì)算選配方法存在不合理之處。分析圖4可知，當(dāng)一個(gè)附件回路出現(xiàn)正負(fù)極反接時(shí)，其部件中的電容將處于反極性充電狀態(tài)，若熔斷器熔斷不及時(shí)，將導(dǎo)致該電容為其他并聯(lián)附件回路充當(dāng)電源，出現(xiàn)反相大電流，是故障6 中4 個(gè)附件回路和主回路熔斷器均熔斷的原因。為了防止并聯(lián)回路中電容引起的反向電流，電流熔斷器應(yīng)具有防倒流功能。在故障1 中，充電回路接觸器燒黏，充電回路電流熔斷器完好，說(shuō)明電流熔斷器不能起到防過(guò)電流沖擊、保護(hù)接觸器的作用。在故障2 中，附件回路預(yù)充電阻燒毀，是由于熔斷器熔斷過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間處于拉弧狀態(tài)，而預(yù)充接觸器又處于閉合狀態(tài)，導(dǎo)致預(yù)充電阻過(guò)載運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

3 電流熔斷器試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 電流熔斷器熔斷試驗(yàn)原理

根據(jù)所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)公交車用高壓配電系統(tǒng)，采用功率電阻代替車載附件，設(shè)計(jì)了如圖5 所示的試驗(yàn)原理圖。試驗(yàn)時(shí)，4 個(gè)并聯(lián)附件回路和主回路各裝有一個(gè)電流霍爾傳感器，用于測(cè)試電流熔斷器熔斷過(guò)程中各回路和主回路的電流，并通過(guò)電腦記錄，采樣時(shí)間步長(zhǎng)為1 ms。試驗(yàn)采用車用動(dòng)力電池，額定電壓為600 V DC。

圖5 電流熔斷器熔斷試驗(yàn)原理圖

3.2 交流電流熔斷器熔斷試驗(yàn)

按照試驗(yàn)原理圖，所選電流熔斷器和功率電阻大小如表2 和表3 所示。

表2 交流熔斷器熔斷試驗(yàn)所選電流熔斷器參數(shù)

表3 交流熔斷器熔斷試驗(yàn)所配功率電阻阻值

交流熔斷器熔斷時(shí)各回路的電流變化曲線如圖6 所示。試驗(yàn)中，F(xiàn)4熔斷時(shí)熔斷電流為169 A，約為額定電流的4 倍。從圖6 中可以看出，熔斷器F4通入169 A 電流經(jīng)過(guò)25 ms 后，熔斷器開始熔斷并產(chǎn)生電弧，此時(shí)電流開始下降，總電流也開始下降，同時(shí)其他3 路附件上流過(guò)的電流沒(méi)有明顯變化。電弧持續(xù)時(shí)，電流緩慢下降，持續(xù)時(shí)間為190 ms，電流由36.8 A 突降為0，表明此時(shí)熔斷器完全熔斷。另外，總電流一直等于其他4 個(gè)支路所產(chǎn)生的電流之和，表明在電流熔斷器熔斷時(shí)不會(huì)對(duì)其他支路電流產(chǎn)生影響，同時(shí)也不會(huì)使充電回路產(chǎn)生額外電流。由于電流熔斷器熔斷持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，不能及時(shí)滅弧，出現(xiàn)了噴弧現(xiàn)象，產(chǎn)生明顯火花。

3.3 直流電流熔斷器熔斷試驗(yàn)

按照試驗(yàn)原理圖，所選電流熔斷器和功率電阻大小如表4 和表5 所示。

圖6 交流熔斷器熔斷時(shí)各回路的電流變化曲線

表4 直流熔斷器熔斷試驗(yàn)所選電流熔斷器參數(shù)

表5 直流熔斷器熔斷試驗(yàn)所配功率電阻阻值

直流熔斷器熔斷時(shí)各回路的電流變化曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出，F(xiàn)4熔斷時(shí)熔斷電流約為額定電流的8.5 倍。通入170 A 電流經(jīng)過(guò)2 ms后，熔斷器開始熔斷并產(chǎn)生電弧，此時(shí)電流開始下降，總電流也開始下降，同時(shí)其他3 路附件上流過(guò)的電流沒(méi)有明顯變化。電弧持續(xù)時(shí)，電流緩慢下降，持續(xù)時(shí)間為12 ms，電流由10.2 A 突降為0，表明此時(shí)熔斷器完全熔斷。熔斷時(shí)，熔斷器外觀沒(méi)有任何變化，也觀察不到任何現(xiàn)象。熔斷后的測(cè)量器溫度大約為27 ℃。另外，總電流一直等于其他4 個(gè)支路所產(chǎn)生的電流之和，表明在電流熔斷器熔斷時(shí)不會(huì)對(duì)其他支路電流產(chǎn)生影響，同時(shí)也不會(huì)使充電回路產(chǎn)生額外的電流。

圖7 直流熔斷器熔斷時(shí)各回路的電流變化曲線

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

采用阻性負(fù)載模擬電動(dòng)汽車各并聯(lián)附件回路，其中單個(gè)并聯(lián)回路出現(xiàn)過(guò)電流熔斷時(shí)，對(duì)高壓配電系統(tǒng)中的其他回路不會(huì)產(chǎn)生影響。在選用電動(dòng)汽車用電流熔斷器時(shí)，不可采用式(1)中的等效電壓。電流熔斷器的額定電壓和耐電壓值對(duì)電流熔斷器滅弧設(shè)計(jì)影響很大［7］。電動(dòng)汽車根據(jù)自身的運(yùn)行環(huán)境和特點(diǎn)，對(duì)其直流高壓電流熔斷器提出了單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。

比較試驗(yàn)中使用的交、直流電流熔斷器，同等電流的交流熔斷器安裝尺寸小于直流熔斷器，且交流熔斷器內(nèi)部采用石英砂，結(jié)構(gòu)松散;而直流熔斷器采用壓緊式填埋方式，外部鏈接部分不留縫隙，說(shuō)明熔斷時(shí)的滅弧設(shè)計(jì)是電流熔斷器的一大難點(diǎn)。對(duì)電動(dòng)汽車而言，追求結(jié)構(gòu)緊湊、小型化和低成本也給設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車電流熔斷器帶來(lái)了困難。

4 電動(dòng)汽車用電流熔斷器選型

4.1 電流熔斷器選型計(jì)算

對(duì)于電流熔斷器，先核算分?jǐn)嗄芰?，即最大分?jǐn)嚯娏鳎缡?2)所示：

式中：Umax為動(dòng)力電池最大電壓;R為該回路短路時(shí)等效電阻。

電動(dòng)汽車各高壓回路在選擇電流熔斷器時(shí)，首先根據(jù)最大輸出功率、動(dòng)力電池額定電壓和效率計(jì)算該回路最大電流，如式(3)所示：

式中：P為回路最大輸出功率;U為動(dòng)力電池額定電壓;η 為回路總傳遞效率。

綜合修正系數(shù)為：

式中：Kt為環(huán)境溫度修正系數(shù);Ke為熱連接修正系數(shù);Kv為風(fēng)冷修正系數(shù);Kf為頻率修正系數(shù);Kb為負(fù)荷常數(shù)。

根據(jù)所在回路負(fù)載的不同，需要添加一個(gè)放大系數(shù)K，對(duì)于阻性負(fù)載回路，K取1.5 左右;對(duì)于容性負(fù)載回路考慮到上電沖擊，K取2 左右;對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路，K取1.2 ～1.5［8］。

電流熔斷器所需最小額定電流為：

焦耳積分值為：

其中：I為短路熔斷電流;t為短路容許熔斷時(shí)間。

在選擇電流熔斷器時(shí)，需要參考電流熔斷器的熔斷時(shí)間與熔斷電流關(guān)系圖，以便合理地保證電流熔斷器在容許時(shí)間內(nèi)熔斷。

4.2 電流熔斷器選型注意事項(xiàng)

(1)電流熔斷器在正常熔斷時(shí)不可出現(xiàn)下列任何一種現(xiàn)象：產(chǎn)品引燃(除紙質(zhì)標(biāo)簽或作熔斷指示裝置用的類似品外);致使周圍其他裝置發(fā)生損壞;產(chǎn)品發(fā)生機(jī)械性碎裂損壞;產(chǎn)品端帽的蓋板或觸刀燒壞或熔化;端帽的蓋板或觸刀顯著位移變形。

(2)電流熔斷器必須為快速電流熔斷器。

(3)熔斷器必須為相應(yīng)直流電壓下的直流電流熔斷器，不可用交流電流熔斷器替代。

(4)需對(duì)熔斷器進(jìn)行振動(dòng)耐久性試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)等車輛的一般測(cè)試試驗(yàn)［9］。

(5)熔斷器固定方式一般采用螺栓式。

(6)熔斷器應(yīng)具備防電流倒流功能。

5 結(jié)論

對(duì)電動(dòng)汽車用電流熔斷器而言，目前可以參考的標(biāo)準(zhǔn)有QC/T 420 -2004(汽車用熔斷器-32V DC 以下)［10］和GT/B 21413.5 -2008(機(jī)車車輛電氣設(shè)備高壓熔斷器規(guī)則)［11］。對(duì)于電動(dòng)汽車特殊的電壓等級(jí)和運(yùn)行環(huán)境要求，有必要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)純電動(dòng)公交車設(shè)計(jì)的高壓配電系統(tǒng)在實(shí)車運(yùn)行中的故障現(xiàn)象分析和對(duì)故障中電流熔斷器進(jìn)行試驗(yàn)研究，表明電動(dòng)汽車中電流熔斷器只有在回路出現(xiàn)短路和長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電流情況下才能起到熔斷保護(hù)作用，在短時(shí)間的電流沖擊(容性負(fù)載回路上電沖擊)下無(wú)法起到保護(hù)作用，高壓回路中各回路在單個(gè)電流熔斷器熔斷時(shí)不會(huì)對(duì)其他高壓回路產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)高壓故障理論分析，提出電流熔斷器需要帶有防電流倒流的功能，以及對(duì)電動(dòng)汽車用電流熔斷器提出了選型計(jì)算方法和注意事項(xiàng)。

［1］GB/T 19596 -2004，電動(dòng)汽車術(shù)語(yǔ)［S］.

［2］宋珂，章桐. 增程式純電驅(qū)動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究［J］.汽車技術(shù)，2011(7)：14 -19.

［3］建新，鄭榮良，卓斌，等.電動(dòng)汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究［J］.汽車工程，2007(4)：308-312.

［4］曹正策，龍成冰，楊蕓蕓.電動(dòng)汽車用高壓配電系統(tǒng)［P］.中國(guó)：CN102923070A，2013 -02 -13.

［5］GB/T 20234.2 -2011，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第三部分：交流充電接口［S］.

［6］GB/T 20234.3 -2011，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第三部分：直流充電接口［S］.

［7］毛柳明. 高壓限流熔斷器開斷過(guò)電壓研究［D］. 武漢：華中科技大學(xué)圖書館，2006.

［8］秦增煌.電工學(xué)-電工技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2004：268 -273.

［9］QC/T 413 -2002，汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件［S］.

［10］QC/T 420 -2004，汽車用熔斷器［S］.

［11］GB/T 21413.5 -2008，鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛電氣設(shè)備 第5 部分：電工器件 高壓熔斷器規(guī)則［S］.