電動汽車高壓熔斷器選型及失效模式分析

羅儒　鄧海文　黃祖朋　劉金配　練朝春

摘 要：熔斷器作為電動汽車動力電池回路及高壓附件系統(tǒng)回路短路保護的主要措施。文章從熔斷器的主要特性及選型設(shè)計兩方面闡述了電動汽車高壓熔斷器的選型原則及選型方法，并分析了熔斷器的失效模式。

關(guān)鍵詞：電動汽車 高壓系統(tǒng) 熔斷器 選型

Type Selection and Failure Mode Analysis of High Voltage Fuse for EV

Luo Ru Deng Haiwen Huang Zupeng Liu Jinpei Lian Chaochun

Abstract：The fuse is the main measure of short circuit protection of power battery circuit and high voltage accessory system circuit. This paper expounds the selection principle and selection method of the high voltage fuse of electric vehicle from two aspects of the main characteristics of the fuse and the type design， and analyzes the failure mode of the fuse.

Key words：electric vehicle， high voltage system， fuse， selection

1 引言

隨著能源危機及環(huán)境污染問題的雙重壓力，發(fā)展新能源汽車特別是純電動汽車是大勢所趨[1]。電動汽車在正常使用的情況下，無論是主回路還是各個支路都會受到不規(guī)則的浪涌電流的循環(huán)沖擊，尤其在高壓線纜發(fā)生短路故障時會短時間內(nèi)形成強大的浪涌沖擊電流，為保證電動汽車高壓部件及車內(nèi)人員安全，將熔斷器串聯(lián)在高壓回路中，當(dāng)電路或電路中的設(shè)備過載或發(fā)生故障時，熔斷器熔體發(fā)熱而融化，并熄滅電弧，從而切斷過電流，保護電氣設(shè)備免受過載和短路電流的損害。

2 熔斷器選型設(shè)計

2.1 熔斷器的選型原則

（1）高壓熔斷器應(yīng)符合其布置位置環(huán)境的尺寸、溫度、濕度、振動要求;

（2）高壓熔斷器的額定工作電壓應(yīng)不小于系統(tǒng)最大工作電壓;

（3）高壓熔斷器的類型應(yīng)符合保護電路負(fù)載的電氣特性;

（4）高壓熔斷器的分?jǐn)嗄芰?yīng)大于保護系統(tǒng)的最大短路電流;

（5）高壓熔斷器的時間-電流特性應(yīng)符合保護電路的額定電流、沖擊電流和沖擊時間要求;

（6）高壓熔斷器應(yīng)考慮上下級電路的匹配保護;

（7）高壓熔斷器應(yīng)考慮負(fù)載電路高壓繼電器的電流特性;

（8）在負(fù)載正常的額定電流、峰值電流的條件下，高壓熔斷器溫升應(yīng)不高于50K，并且全壽命正常通流;

（9）高壓熔斷器應(yīng)對負(fù)載電器使用的高壓電纜實現(xiàn)可靠保護功能。

2.2 電動汽車過電流保護點

電動汽車的過電流保護點及熔斷器的安裝位置主要應(yīng)用于動力電池內(nèi)部主熔斷器、MSD熔斷器及高壓配電系統(tǒng)（PDU）內(nèi)部各高壓部件支路，動力電池為電動汽車提供了動力來源，高壓配電系統(tǒng)為協(xié)調(diào)驅(qū)動動力電池、DC/DC、車載充電機、MCU、電動空調(diào)、PTC等高壓部件的功能轉(zhuǎn)換和能量分配，也是高壓系統(tǒng)中負(fù)責(zé)電氣管理和保護的核心。

3 熔斷器特性修正

3.1 環(huán)境溫度降容系數(shù)

環(huán)境溫度曲線代表不同環(huán)境對熔斷器的載流能力影響，根據(jù)熔斷器的布置最高環(huán)境溫度確定其降額系數(shù)進行修正。

3.2 熱連接修正系數(shù)

根據(jù)熔斷器的連接銅排橫截面積/標(biāo)準(zhǔn)截面積，查看熔斷器的熱連接系數(shù)曲線圖確定熱連接修正系數(shù)。如熔斷器安裝在較為封閉的高壓盒內(nèi)時，Ke應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，安裝在高壓盒內(nèi)的一般取值：0.8～0.85。

3.3 風(fēng)冷修正系數(shù)

熔斷器的冷卻環(huán)境影響其額定電流的選擇，如強制風(fēng)冷、自然冷卻等，根據(jù)熔斷器的風(fēng)冷修正曲線確定風(fēng)冷修正系數(shù)。

3.4 海拔修正系數(shù)

較高的海拔環(huán)境下空氣稀薄，散熱條件劣化，則需要對額定電流降容，以2000m為基礎(chǔ)，海拔每升高1000m，海拔高度系數(shù)Ka=0.98～0.95/1000m。

3.5 封裝修正系數(shù)

根據(jù)熔斷器的封裝類型，確定其封裝修正系數(shù)，如防護等級為IP67時一般取值0.8。

3.6 循環(huán)負(fù)載

電動汽車實際工況比較復(fù)雜，有規(guī)律或無規(guī)律變化的負(fù)載電流、溫度變化、高強度的循環(huán)負(fù)載會導(dǎo)致熔體金屬機械疲勞快速老化，通過循環(huán)負(fù)載系數(shù)增加熔斷器安全裕量，電動汽車循環(huán)負(fù)載系數(shù)一般取值1.3。

4 熔斷器選型方法

4.1 熔斷器選型計算

高壓熔斷器對設(shè)計輸入進行選型設(shè)計，高壓熔斷器的設(shè)計需求可由使用零部件根據(jù)表1進行填寫。

高壓熔斷器的額定電壓應(yīng)大于系統(tǒng)故障的最高電壓，額定電流根據(jù)設(shè)計輸入和熔斷器的布置環(huán)境，參考高壓熔斷器規(guī)格書中的修正系數(shù)曲線，按公式（1）進行計算，按計算結(jié)果的匹配相應(yīng)電流規(guī)格的熔斷器In。

（1）式中：

=熔斷器持續(xù)工作電流;=循環(huán)負(fù)載系數(shù);=熔斷器標(biāo)定額定電流;=環(huán)境溫度降容系數(shù);=熱連接修正系數(shù);=風(fēng)冷修正系數(shù);=海拔修正系數(shù);=封裝修正系數(shù)。

4.2 峰值電流校核

電動汽車高壓回路各負(fù)載的啟動電流、沖擊電流、峰值電流等會大于額定電流，選擇的熔斷器應(yīng)能承受此類沖擊電流全壽命正常工作。根據(jù)選定規(guī)格熔斷器的時間-電流曲線校核，當(dāng)熔斷器保護回路的峰值電流與在該峰值時間下的耐受電流比值為0.3～0.4時，熔斷器可保護該回路正?？煽窟\行。

4.3 與繼電器匹配校核

在電動汽車實際應(yīng)用中，高壓熔斷器需要和高壓繼電器或其他器件共同匹配以覆蓋整個系統(tǒng)保護范圍，通過對比熔斷器與繼電器的電流耐受曲線，用繼電器保護相對較低倍的過載電流，熔斷器用來保護高倍故障短路電流，避免繼電器在發(fā)生大電流時發(fā)生起火或爆炸。

5 熔斷器常見失效模式分析

高壓熔斷器的作用是在發(fā)生過流故障時保護電動汽車高壓回路電器設(shè)備安全，熔斷器的安全性及可靠性就顯得尤為重要，因此分析熔斷器的失效模式，為高壓熔斷器選型時積累經(jīng)驗，以下是熔斷器幾種常見的失效模式。

5.1 熔斷器爆炸

熔斷器爆炸是最嚴(yán)重的失效模式，爆炸的根本原因是故障產(chǎn)生的能量超出熔斷器能夠承受的極限，可以根據(jù)發(fā)生條件分為短路爆炸及過載爆炸。

短路即熔斷器通過了極大的過電流，導(dǎo)致爆炸的原因可能為熔斷器電壓不足、燃弧時間太長等，如選擇熔斷器額定電壓過低、熔管缺陷、熔管老化、產(chǎn)品設(shè)計時熔管長度低于下限、滅弧介質(zhì)性能下降、滅弧介質(zhì)分量不足;過載即熔斷器通過了較大的過電流，熔斷器電壓不足、燃弧時間太長外，還可能熔斷器額定電流過大，從而導(dǎo)致熔體電阻過低，弧前時間和燃弧時間均過長，傳遞過多的熱量導(dǎo)致熔斷破裂。

5.2 熔斷器提前熔斷

當(dāng)選擇的熔斷器額定電流過低時，其時間-電流特性不符合保護電路的沖擊電流及沖擊電流時間要求，或當(dāng)與其他元器件（如繼電器）匹配時配合不當(dāng)都可能導(dǎo)致熔斷器提前熔斷，無法保證電路的正常工作，除此之外，熔體老化、熔體焊點失效、電網(wǎng)波動都可能導(dǎo)致熔斷器提前動作[4]。

5.3 熔斷器不動作或滯后動作

熔斷器不動作或滯后動作指保護電路或保護高壓部件在受故障影響之前熔斷器未動作或延后動作，熔斷器選擇額定電流過大或熔斷器與其他過流保護器件選擇性配合不當(dāng)都可能會造成熔斷器不動作或滯后動作，導(dǎo)致電動汽車高壓回路無法得到正常保護[5]。

6 結(jié)語

在遵循熔斷器選型設(shè)計原則下，通過計算高壓負(fù)載回路流通電流，根據(jù)熔斷器工作環(huán)境對額定電流進行修正計算，選擇最優(yōu)的熔斷器保護電動汽車高壓回路正常工作。

基金項目：廣西科技計劃資助項目（桂科AC16380043）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目（2020GAAA0401）

參考文獻：

[1]陳友鵬，徐春.純電動汽車應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析[J].南方農(nóng)機，2018，49（09）：9-11.

[2]GB 13539.1-2008低壓熔斷器 第1部分：基本要求 [S]2008.

[3]QC/T 420-2004汽車用熔斷器[S]2004.

[4]許建強，秦海蛟，劉友祝.汽車熔斷器的正確選用與規(guī)范檢測[J].時代汽車，2015（11）：50-51.

[5]張延偉.管狀熔斷器的典型失效模式和失效原因分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2004（03）：46-49.