48V 電池包搭鐵線過流原因探究

呂廣偉， 張明亞， 林貞亮， 肖兆旭， 陳黎明

（吉利汽車研究院（寧波） 有限公司， 浙江 寧波 315315）

1 問題背景

某在研車型完成耐久實驗后例行檢查時發(fā)現(xiàn)： 布置在后備廂處的48V電池包搭鐵線束上搭鐵端子異常發(fā)熱， 導(dǎo)致備胎墊塊泡沫融化。

2 原因分析及真因鎖定

該車型48V系統(tǒng)方案原理示意如圖1所示。 48V電池包正極出線， 通過300A熔斷絲對接BSG 電機(jī)正極后連接DC-DC轉(zhuǎn)換器正極， 電 池 包 負(fù) 極、 BSG電機(jī)負(fù)極及DC-DC的負(fù)極通過車身搭鐵連接。正常工作時， 48V電池包提供電能給BSG 電機(jī)，BSG 電機(jī)收到啟動信號后拖動發(fā)動機(jī)以實現(xiàn)車輛啟動； 發(fā)動機(jī)啟動后帶動BSG電機(jī)產(chǎn)生48V直流電， 給48V電池包反向充電， 同時產(chǎn)生的48V直流電經(jīng)過DC-DC， 轉(zhuǎn)變成12V直流電給整車用電器提供電能。

該車型48V電池包負(fù)極線束搭鐵異常發(fā)熱點位于接車身搭鐵處， 異常發(fā)熱位置見圖1所示紅圈處。

圖1 48V系統(tǒng)方案原理示意圖

從原理上分析， 48V負(fù)極線束搭鐵線燒蝕故障的可能原因有如下幾點： 導(dǎo)線線徑選型、 熔斷絲規(guī)格選型、 端子選型 （端子載流能力）、 端子壓接品質(zhì) （端子剖面）、 凸焊螺母和螺栓匹配選型。 針對上述可能故障原因具體分析如下。

2.1 導(dǎo)線線徑選型

48V電池包電流值參數(shù)： 額定電流為8A； 峰值電流為350A， 持 續(xù) 時 間10s； 當(dāng) 電 流 達(dá) 到450A， 持續(xù)時間超過6s， 48V電池包內(nèi)部繼電器切斷電源（極端工況）。

48V 電池包內(nèi)部熔斷絲為300A的MEGA 熔 斷 絲， 其熔斷特性及相對It如圖2～圖3所示。

圖2 300A的MEGA熔斷絲熔斷特性

圖3 300A的MEGA熔斷絲的相對I2t

按照電流為450A， 持續(xù)時間為6s進(jìn)行計算， 相對It為59%， 300A的MEGA熔斷絲能夠連續(xù)承受10～100次這樣的沖擊， 熔斷絲容量滿足系統(tǒng)需求。

2.2 熔斷絲選型

基于48V電池包內(nèi)部為300A的MEGA熔斷絲， 為了確保線束上熔斷絲的合理性， 線束采用300A MEGA熔斷絲對導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)。 根據(jù)熔斷絲容量與導(dǎo)線線徑匹配計算， 該回路選擇35mmFLRY-B 導(dǎo)線即可滿足性能需求。 35mmFLRY-B導(dǎo)線的發(fā)煙與300A的MEGA熔斷絲的熔斷曲線 （環(huán)境溫度80℃） 見圖4。

圖4 35mm2 FLRY-B導(dǎo)線的發(fā)煙與300A的MEGA熔斷絲的熔斷曲線

經(jīng)過分析導(dǎo)線的發(fā)煙與熔斷絲的熔斷曲線， 線束線徑選型與熔斷絲容量匹配符合設(shè)計要求。 同時， 故障車只發(fā)生在48V電池包負(fù)極線束與車身搭鐵點位置， 而與負(fù)極線束性能參數(shù)一致的48V電池包正極線束反而未發(fā)現(xiàn)燒蝕問題， 從而佐證線束線徑選型的合理性。

2.3 端子選型（端子載流能力）

端子形狀尺寸如圖5所示。

圖5 端子形狀尺寸

根據(jù)經(jīng)驗值， 導(dǎo)線的載流量計算方式為導(dǎo)線截面積與每平方載流量的乘積。

I=S×I＇

鑒于相同截面積的端子 （銅排） 材質(zhì)為實心勻質(zhì)銅材， 且外面無線皮包裹， 端子的散熱性能優(yōu)于導(dǎo)線， 端子的載流能力相較同等截面積的導(dǎo)線的載流能力更強(qiáng)， 業(yè)內(nèi)通常視為其載流能力是導(dǎo)線的1.75倍， 因此，端子載流量計算為：

I=1.75×S×I＇=1.75×12×2×7=294 （A）

式中： 12——端子最窄寬度為12mm； 2——端子厚度為2mm。 導(dǎo)線的載流量經(jīng)驗值為7A/mm。 經(jīng)計算該端子可以長期承受294A電流， 因此故障可排除端子選型不良。

2.4 端子壓接品質(zhì)（端子剖面）

通過壓接參數(shù)/拉拔力測試， 端子壓接符合端子壓接標(biāo)準(zhǔn)， 測試報告見圖6。 結(jié)論： 故障可排除端子壓接不良因素。

圖6 測試報告

2.5 凸焊螺母和螺栓匹配選型

通常情況搭鐵點選用專用破漆搭鐵螺栓或具有切削功能的自攻螺栓。 本項目車身鈑金采用帶螺紋螺母， 搭鐵螺栓采用具有切削功能的自攻螺栓。 推測在極端情況下， 凸焊螺母的內(nèi)螺紋會遭到自攻螺栓破壞， 導(dǎo)致兩者存在螺紋不能100%嚙合。 對比公司其他項目， 發(fā)現(xiàn)本項目凸焊螺母高度尺寸最小， 凸焊螺母只有4個角焊接在車身鈑金支架上， 且4個焊點與車身鈑金的有效接觸面積不到10mm。 對比見圖7及表1。

圖7 公司不同車型螺母焊接方式

表1 公司不同車型螺母和螺栓匹配選型對比表

經(jīng)對比分析， 該車型螺母焊接有效接觸面積較小， 可能導(dǎo)致該處能持續(xù)承載電流降低； 凸焊螺母的內(nèi)螺紋與自攻螺栓的螺紋存在不能100%嚙合的情況。 因此， 凸焊螺母的選型、 螺栓與螺母匹配選型存在較大的風(fēng)險隱患。

基于上述分析， 實驗室進(jìn)行螺栓螺母100%嚙合及非100%嚙合的兩組模擬實驗進(jìn)行驗證， 測溫點如圖8所示，兩組實驗的溫升曲線如圖9～圖10所示。

通過實驗對比， 在螺栓螺母非100%嚙合的工況下， 發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線端子壓接和導(dǎo)線本體溫度差異小于5℃， 而凸焊螺母焊接處溫度上升21.5℃， 螺栓溫度上升69.4℃， 同時覆蓋在螺栓上泡沫出現(xiàn)熱變形現(xiàn)象， 臺架驗證現(xiàn)象與故障車現(xiàn)象一致， 從而鎖定故障原因， 即凸焊螺母和螺栓匹配選型不良。

圖8 測溫點

圖9 螺栓螺母100%嚙合模擬實驗的溫升曲線

3 解決措施

1） 將當(dāng)前4角凸焊螺母更改為全面焊接螺母 （不含內(nèi)螺紋）， 同時采用具有切削功能的自攻螺栓進(jìn)行固定， 保證螺柱與螺母之間完全貼合。

2） 對備胎泡沫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 增大備胎墊塊開口， 同時增加備胎墊塊硬度， 保證線束與備胎間隙10mm以上， 確保有效的散熱空間。

圖10 螺栓螺母非100%嚙合模擬實驗的溫升曲線

4 小結(jié)

綜上， 通過實車分析及實測驗證， 本次耐久車48V電池包搭鐵線過流發(fā)熱， 根本原因在于大電流線束搭鐵點凸焊螺母選型錯誤、 搭鐵螺栓和螺母匹配錯誤。 本文通過對該問題解析過程的總結(jié)， 為今后的設(shè)計、 選型提供了參考依據(jù)， 可有效地規(guī)避搭鐵線過流風(fēng)險。