純電動(dòng)汽車高壓直流熔斷器計(jì)算及選型方法

王景松，孫李璠，路高磊，徐柏興，葛俊夏，吳大偉

（鄭州比克新能源汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

1 概述

現(xiàn)階段動(dòng)力電池能量密度越來越高，單體電芯容量越來越大，各高壓部件一旦出現(xiàn)短路現(xiàn)象而無相應(yīng)的保護(hù)措施，輕則部件損壞，重則引起火災(zāi) （尤其動(dòng)力電池），后果將不堪設(shè)想，所以各高壓部件回路的保護(hù)至關(guān)重要，本文將闡述純電動(dòng)汽車高壓直流熔斷器計(jì)算及選型方法，并實(shí)例說明。電動(dòng)汽車電氣拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 熔斷器選型

2.1 熔斷器分類

1）按動(dòng)作特性主要分為：普通熔斷器 （gG／gL）、快速熔斷器部分范圍保護(hù) （aR）、快速熔斷器全范圍保護(hù) （gR）、Time-delay型及特殊熔斷器。

圖1 電動(dòng)汽車電氣拓?fù)鋱D

2）按照外形形狀主要分為：①英標(biāo)熔斷器。英式熔斷器殼體采用陶瓷材質(zhì)，圓柱管體，具有體積小、浪涌耐受性能強(qiáng)、性價(jià)比高、弧電壓小、功耗低等特點(diǎn)，一般小于100 A的熔斷器推薦采用英式系列熔斷器。英標(biāo)BS88熔斷器樣式如圖2所示。②美標(biāo)熔斷器。美式熔斷器系列的產(chǎn)品，兩端觸刀為一體式，熔體直接一次性焊接，可抗強(qiáng)沖擊及振動(dòng)，具備高阻燃、高絕緣性能，弧電壓小，功耗低，此系列為電動(dòng)汽車的優(yōu)選，一般大于100 A的熔斷器推薦采用美標(biāo)系列以增加可靠性。美標(biāo)熔斷器樣式如圖3所示。③歐標(biāo)熔斷器。歐標(biāo)方形熔斷器殼體采用陶瓷材質(zhì)，該產(chǎn)品具有運(yùn)行溫度低、功率損耗小、焦耳積分值小等特點(diǎn)，適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、大功率應(yīng)用場(chǎng)合，尤其在手動(dòng)維修開關(guān) （MSD）中大量使用。歐標(biāo)方形熔斷器樣式如圖4所示。④法標(biāo)熔斷器。法標(biāo)熔斷器具有循環(huán)性能強(qiáng)、體積小、構(gòu)造獨(dú)特等特點(diǎn)，模數(shù)化底座方便安裝，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于占用空間小的PDU、BDU、小型交流驅(qū)動(dòng)器以及其它小功率應(yīng)用。法標(biāo)圓形熔斷器樣式如圖5所示。

圖2 英標(biāo)BS88熔斷器

圖3 美標(biāo)熔斷器

圖4 歐標(biāo)方形熔斷器

2.2 熔斷器額定電壓的選擇

熔斷器作為電路中的保護(hù)器件，在回路中出現(xiàn)故障時(shí)，熔斷器工作分為“熔”+“斷”兩個(gè)過程，“熔”的過程與電流有關(guān)系，“斷”的過程與電壓有關(guān)系。熔斷器的電壓可以表述為：此熔斷器可以分?jǐn)啻穗妷核a(chǎn)生的電弧。

電壓有交流電及直流電的區(qū)別，在純電動(dòng)汽車，為直流電壓，因回路中電感在熔斷器分?jǐn)嗨查g會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，同時(shí)要考慮回路中的電感對(duì)電壓滅弧的影響。熔斷器可承受的最大電壓值一定大于系統(tǒng)中的電壓值，同時(shí)對(duì)于交直流熔斷器在分?jǐn)嗌嫌忻黠@區(qū)別，交流電呈正弦波形交替?zhèn)鲗?dǎo)，每周波有一個(gè)過零點(diǎn)，此時(shí)電量值最低，很容易熄滅電弧；而直流電的任何波形都不存在過零點(diǎn)，在分?jǐn)嘀绷鞫搪饭收想娏鲿r(shí)，全靠熔斷片的迅速汽化和石英砂的擴(kuò)散吸附和冷卻作用強(qiáng)迫熄滅電弧，因此要比分?jǐn)嘟涣麟娀±щy得多。

2.3 熔斷器額定電流的選擇

對(duì)于電動(dòng)汽車用熔斷器的電流選型，第一步是要考慮在正常工作時(shí)不能動(dòng)作，也就是熔斷器不能誤動(dòng)作，這一點(diǎn)是熔斷器電流的出發(fā)點(diǎn)，也是基本點(diǎn)。熔斷器熔斷主要是個(gè)熱積累的過程，根本上來說持續(xù)電流是選型的依據(jù)。

熔斷器額定電流

式中：In——熔斷器額定電流；I額——負(fù)載額定電流；K——負(fù)載修正系數(shù)；Kt——溫度修正系數(shù)；Ke——連接器件熱傳導(dǎo)系數(shù)；Kv——風(fēng)冷修正系數(shù)；Kf——頻率修正系數(shù)；Ka——海拔修正系數(shù)；Kb——熔斷器殼體修正系數(shù)。

通過上述公式，可以計(jì)算得到一個(gè)初步的熔斷器額定電流值，初步選型完成后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)對(duì)熔斷器額定電流值進(jìn)行參數(shù)修正，例如通過過載電流持續(xù)時(shí)間、電流大小、沖擊電流持續(xù)時(shí)間、電流大小等因素進(jìn)行參數(shù)修正。

3 實(shí)例分析

以某純電動(dòng)物流車為參考對(duì)象，分析其工業(yè)熔斷器選型方案，本實(shí)例均選用友容熔斷絲。表1為某電動(dòng)汽車電氣參數(shù)。

表1 某電動(dòng)汽車電氣參數(shù)

1）K：負(fù)載修正系數(shù)。根據(jù)所在回路負(fù)載的不同，需增加一個(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；電動(dòng)壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬間峰值電流過大，K取7～8左右；對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路，K取1.2～1.5左右；此處K值取值見表2。

表2 K值取值表

2）Kt：溫度修正系數(shù)。對(duì)于電動(dòng)汽車，一般環(huán)境溫度最高可達(dá)60℃，參照?qǐng)D6溫度修正系數(shù)表，Kt=0.8。

圖6 溫度修正系數(shù)曲線圖

3）Ke：連接器件熱傳導(dǎo)系數(shù)。按照每個(gè)回路的電流，按照1.3 A／mm2為100%，參照?qǐng)D7連接器件熱傳導(dǎo)系數(shù)曲線圖，得出的Ke數(shù)據(jù)見表3。

表3 Ke值取值表

4）Kv：風(fēng)冷修正系數(shù)。熔斷器采用自燃對(duì)流冷卻，參照?qǐng)D8風(fēng)冷修正系數(shù)曲線圖，沒有采取額外散熱處理，取Kv=1。

圖8 風(fēng)冷修正系數(shù)曲線圖

5）Kf：頻率修正系數(shù)。直流電流頻率1000 Hz以下，參照?qǐng)D9頻率修正系數(shù)曲線圖，取Kf=1。

圖9 頻率修正系數(shù)曲線圖

6）Ka：海拔修正系數(shù)。按照現(xiàn)在電動(dòng)汽車運(yùn)行工況，取Ka=1。

7）Kb：熔斷器殼體修正系數(shù)。對(duì)于陶瓷殼體，取Kb=1，對(duì)于三聚氰胺殼體，取Kb=0.9。

結(jié)合以上修正系數(shù)，陶瓷殼體熔斷器選型電流如下。

OBC回路：In=19.1×1／（0.8×0.76×1×1×1×1）=31.41 A

熔斷器選型為32 A或35 A。

DCDC回路：In=2.9×3／（0.8×1×1×1×1×1）=10.88 A

熔斷器選型為15 A或16 A。

電機(jī)回路：In=130.2×2／（0.8×0.73×1×1×1×1）=445.89 A

熔斷器選型為450 A。

A／C回路：In=3.47×7／（0.8×1×1×1×1×1）=30.36 A

熔斷器選型為32 A或35 A。

PTC回路：In=4.34×1.5／（0.8×0.98×1×1×1×1）=8.3 A

熔斷器選型為10 A或12 A。

圖10為EVHE系列熔斷器選型表，圖11為EVPE系列熔斷器選型，圖12為PEF／PMF系列熔斷器選型表。

綜上所述，以友容陶瓷高壓熔斷器為藍(lán)本，從圖10～圖12選型表得知，友容EVHE系列電壓等級(jí)為500VDC，EVPE系列及PEF16系列電壓等級(jí)為660VDC，均符合要求，查詢電流規(guī)格后各回路熔斷器選型如表4所示。

圖10 EVHE系列熔斷器選型表

圖11 EVPE系列熔斷器選型

圖12 PEF／PMF系列熔斷器選型表

表4 各回路熔斷器選型表

通過查詢EVHE系列、EVPE系列及PEF16系列時(shí)間-電流特性曲線圖，且均有20kA的分?jǐn)嗄芰?，故以上推薦的3種型號(hào)均滿足要求，可根據(jù)布置空間選擇最優(yōu)方案。