电动汽车高压直流熔断器选型研究
电动汽车的电压等级多在200V以上,有的车型达到1000V以上,如果在高压电路系统中发生过载或短路,将在短时间内快速释放大量能量,如果系统没有可靠保护,将对电路系统或器件造成热损伤,绝缘破坏,甚至发生起火、爆炸和人身伤亡事故。因此要求在电动汽车的高压电路系统中,必须为每个回路单独设置熔断器,以保证在过电流发生时快速切断电路,熄灭电弧,保护系统和整车的安全。本文将介绍高压熔断器在电动汽车中的应用分布和选型计算方法,并通过设计实例进行说明。
1 高压直流熔断器在电动汽车中的保护功能分布
1)电池包中的回路保护,包含MSD总负熔断器等;
2)电源分配单元(PDU)中对整车各系统的保护,主要包含:
A.主回路的保护:电机控制器(MCU);
B.辅助回路的保护:空调压缩机(A/C),暖风系统(PTC),DCDC等;C.充电回路的保护:快充系统和慢充系统。
2 高压直流熔断器选型
熔断器选型的基本要求是在电气设备正常运行时,熔断器不应熔断,正常通流;在出现短路时,应立即熔断;在发生整车的冲击电流时(如电机起动过程),熔断器不应熔断;在电气设备持续过载时,应延时熔断。即安全的导通,安全的熔断。对熔断器的选型主要包括类型的选择和特性参数的选择。
2.1熔断器分类
按照不同的标准,熔断器有不同的分类。车用高压直流熔断器主要分为g类和a类熔断器。g类提供全范围保护,可分断熔体融化至熔断器额定分断能力之间的任何电流,适合作为过载和短路的保护;a类提供部分范围保护,能分断最小分断电流至额定分断电流之间的过电流,适合作为短路保护,对于低倍的长时间过电流,若低于最小分断电流,不能可靠分断。
2.2熔断器特性参数
2.2.1额定电流
额定电流是指在标准规定的测试条件下,按照确定的测试方式进行验证,视同可以长期通过而熔断器不会损伤的电流值。熔断器的额定电流按照负载情况匹配计算后选择。
2.2.2额定电压
额定电压是指经过验证,一定条件下可安全分断的标称电压值。选型时熔断器的额定电压需要大于高压系统的峰值电压。
2.2.3分断能力
分断能力是熔断器在额定电压及工作条件下,可瞬间承受的最大过载电流,熔断器会熔断但是不能发生爆炸情况。选择的熔断器的分断能力必须大于系统的预期最大短路电流。
2.3熔断器选型匹配计算
熔断器选型的基本原则是对于回路中的负载电流和预期的冲击电流能够全寿命正常通流,对回路系统中预期的过电流可靠保护,同时与上下级间的其他器件配合动作,满足设计预期的分断时间。由于熔断器的选型与所保护回路的负载信息密切相关,需要收集高压设备的相关电气信息,可按照表1进行收集。
熔断器的额定电压需要大于高压系统的峰值电压。
2.3.2电流的选择
熔断器的额定电流选择参考以下公式:
降容系数:
1)Kt温度校正系数:环境温度的变化会导致熔断器提前或延缓动作时间,所以设计选型时必须考虑环境温度因素。从图2所示的某型号熔断器的温度系数曲线图中,可以得到熔断器在不同的环境温度中对应的温度校正系数Kt。
4)Kn综合降容系数:除以上校正外,熔断器安装在封闭箱体中,受安装方式,间隔距离等影响,空气流动差,并考虑导线长期工作的老化影响,综合降容系数可选择0.7~0.8倍。
计算出额定电流后,根据回路负载,对额定电流增加适当的放大系数,电机回路放大系数一般为1.2~1.5倍,充电系统放大系数可设置为1,对熔断器的型号可进行初步选择。
2.4熔断器选型校核
初步选择一个熔断器型号后,需要进行两部分的校核验证,分别是对回路的峰值电流进行校核验证和与回路中的继电器进行匹配验证。
2.4.1峰值电流校核
2.4.2与继电器的匹配校核
3 设计实例
以某纯电动汽车的高压系统为例,对MCU回路的熔断器进行选型和校核。
3.1匹配计算选型
首先收集MCU的负载参数信息,如表4所示,其中继电器参数为初步选型宏发公司的型号,若不满足匹配要求可再次调整。
3.2选型校核验证
4 结论
熔断器的选型与负载特性和应用环境密切相关,需要尽可能详细的收集负载参数,评估车辆的运行环境和熔断器安装环境,才能尽可能具体的对选型进行校正和校核。本文采用的选型方法已应用在多个车型中,目前未发现选型造成的失效,高压系统的运行得到了可靠保护。
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