純電動汽車高壓直流熔斷器計算及選型方法

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

現階段動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短路現象而無相應的保護措施，輕則部件損壞，重則引起火災 （尤其動力電池），后果將不堪設想，所以各高壓部件回路的保護至關重要，本文將闡述純電動汽車高壓直流熔斷器計算及選型方法，并實例說明。電動汽車電氣拓撲圖如圖1所示。

2 熔斷器選型

2.1 熔斷器分類

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

圖1 電動汽車電氣拓撲圖

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

圖2 英標BS88熔斷器

圖3 美標熔斷器

圖4 歐標方形熔斷器

2.2 熔斷器額定電壓的選擇

熔斷器作為電路中的保護器件，在回路中出現故障時，熔斷器工作分為“熔”+“斷”兩個過程，“熔”的過程與電流有關系，“斷”的過程與電壓有關系。熔斷器的電壓可以表述為：此熔斷器可以分斷此電壓所產生的電弧。

電壓有交流電及直流電的區別，在純電動汽車，為直流電壓，因回路中電感在熔斷器分斷瞬間會產生感應電壓，同時要考慮回路中的電感對電壓滅弧的影響。熔斷器可承受的最大電壓值一定大于系統中的電壓值，同時對于交直流熔斷器在分斷上有明顯區別，交流電呈正弦波形交替傳導，每周波有一個過零點，此時電量值最低，很容易熄滅電弧；而直流電的任何波形都不存在過零點，在分斷直流短路故障電流時，全靠熔斷片的迅速汽化和石英砂的擴散吸附和冷卻作用強迫熄滅電弧，因此要比分斷交流電弧困難得多。

2.3 熔斷器額定電流的選擇

對于電動汽車用熔斷器的電流選型，第一步是要考慮在正常工作時不能動作，也就是熔斷器不能誤動作，這一點是熔斷器電流的出發點，也是基本點。熔斷器熔斷主要是個熱積累的過程，根本上來說持續電流是選型的依據。

熔斷器額定電流

式中：In——熔斷器額定電流；I額——負載額定電流；K——負載修正系數；Kt——溫度修正系數；Ke——連接器件熱傳導系數；Kv——風冷修正系數；Kf——頻率修正系數；Ka——海拔修正系數；Kb——熔斷器殼體修正系數。

通過上述公式，可以計算得到一個初步的熔斷器額定電流值，初步選型完成后，根據實際運行工況數據對熔斷器額定電流值進行參數修正，例如通過過載電流持續時間、電流大小、沖擊電流持續時間、電流大小等因素進行參數修正。

3 實例分析

以某純電動物流車為參考對象，分析其工業熔斷器選型方案，本實例均選用友容熔斷絲。表1為某電動汽車電氣參數。

表1 某電動汽車電氣參數

1）K：負載修正系數。根據所在回路負載的不同，需增加一個放大系數K，對于阻性負載回路，K取1.5左右；對于容性負載回路，考慮到上電沖擊，K取2左右；電動壓縮機啟動瞬間峰值電流過大，K取7～8左右；對于驅動電機回路，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。對于電動汽車，一般環境溫度最高可達60℃，參照圖6溫度修正系數表，Kt=0.8。

圖6 溫度修正系數曲線圖

3）Ke：連接器件熱傳導系數。按照每個回路的電流，按照1.3 A／mm2為100%，參照圖7連接器件熱傳導系數曲線圖，得出的Ke數據見表3。

表3 Ke值取值表

4）Kv：風冷修正系數。熔斷器采用自燃對流冷卻，參照圖8風冷修正系數曲線圖，沒有采取額外散熱處理，取Kv=1。

圖8 風冷修正系數曲線圖

5）Kf：頻率修正系數。直流電流頻率1000 Hz以下，參照圖9頻率修正系數曲線圖，取Kf=1。

圖9 頻率修正系數曲線圖

6）Ka：海拔修正系數。按照現在電動汽車運行工況，取Ka=1。

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

結合以上修正系數，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本，從圖10～圖12選型表得知，友容EVHE系列電壓等級為500VDC，EVPE系列及PEF16系列電壓等級為660VDC，均符合要求，查詢電流規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系列時間-電流特性曲線圖，且均有20kA的分斷能力，故以上推薦的3種型號均滿足要求，可根據布置空間選擇最優方案。