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电动汽车用高压熔断器选用方法研究

2020-10-31 21:28:53·  来源：电动学堂  
　
文章来源：长城汽车股份有限公司技术中心本文针对电动汽车高压熔断器的特性参数，阐述熔断器的选型及计算方法（基于BUSSMANN公司生产的美标熔断器系列），最后通
文章来源：长城汽车股份有限公司技术中心
本文针对电动汽车高压熔断器的特性参数，阐述熔断器的选型及计算方法（基于BUSSMANN公司生产的美标熔断器系列），最后通过实例说明。
 
1熔断器的定义
ISO-8820和QC／T420-2004等标准中将它定义为：接于电路中，当电流超过规定值和规定的时间时，使电路断开的熔断式保护器件。熔断器是一个热能响应器件，熔断器中的熔片或熔丝是用电阻率较高的易熔合金制成，或用截面积较小的良导体制成。为了保护线束及其它设备，它被有意设计和制造成线路中最弱的一部分，线路在正常工作情况下，熔断器中的熔片或熔丝不会熔断；当系统中一旦发生短路或者严重过载时，熔片或熔丝会立即熔断，从而保护电路和电器设备。
 
2熔断器的选用原则
为了使熔断器起到其应有的作用，确保整车用电器安全工作，选择合适的类型及规格就变得尤为重要。熔断器的选型涉及以下因素：施加在熔断器上的电流特性、电压特性、熔断器的环境温度、安装尺寸限制、应用线路等。当外加电压和安装尺寸一定的情况下，熔断器的选择主要从电流特性、环境温度及应用线路3个因素考虑。
从应用线路上考虑，整车线路根据电流强弱可以分为高压大电流保护区和中低压小电流保护区。一般情况下，一辆电动汽车使用4～5个高压熔断器，主要包括电机控制器、空调线路、DC／DC、电池组加热器等高压大电流设备。一辆电动汽车使用中低压熔断器数量较多，主要是汽车线路中的中央控制盒，包括灯光线路、音响线路、刮水器线路等电器设备。其中中低压小电流保护区，熔断器可以按照传统燃油车的规范条件去选择，在此不再阐述。本文主要讨论高压大电流熔断器选择方法。电动汽车电气拓扑图如图1所示。
 
3高压熔断器的类型
3.1英标熔断器
英式熔断器主要用于英联邦国家生产的设备。英标熔断器壳体采用陶瓷材质，产品具有体积小、性价比高等特点，特别受到240V以下的UPS厂商青睐。英标BS88系列熔断器式样如图2所示。
 
3.2美标熔断器
美式熔断器应用最为广泛，涵盖了大部分电力电子产品应用。美标熔断器壳体采用三聚氰胺网格布加陶瓷层叠工艺制成，抗冲击能力强，并且具有焦耳积分值（I2t）小、功率损耗小、直流性能优越等特点，广泛应用在变电站、电力机车等场合。美标熔断器式样如图3所示。
3.3欧标熔断器
欧标方形熔断器壳体采用陶瓷材质，该产品具有运行温度低、功率损耗小、焦耳积分值（I2t）小等特点，适用于要求结构紧凑、性能优越、大功率应用场合，尤其在手动维修开关（MSD）中大量使用。欧标熔断器式样如图4所示。
 
3.4法标熔断器
法标熔断器具有循环性能强、体积小、构造独特等特点，适用于占用空间小的小型UPS、小型交流驱动器以及其它小功率应用。法标熔断器式样如图5所示。
4熔断器选用及计算方法
对于高电流保护区，所选熔断器应具备以下性能：①容量大，通常在几十到几百A；②能够承受瞬间高电流、高脉冲；③安全可靠性高；④运行环境温度相对较高；⑤机械特性好。
4.1熔断器类型选择
根据熔断器工作环境、尺寸限制、电流特性、电压特性、连接方式等选择合适的类型。通常电动汽车高压熔断器会选用美标FWH、FWP等系列。
4.2熔断器参数确定
通常熔断器的额定电流值是基于环境温度23±5℃时的值，为了满足电动汽车实际工况要求，需要对额定电流值进行修正。可允许的最大连续负载电流可以用以下公式进行计算
Ib=In·Kt·Ke·Kv·Kf·Kb（1）
式中：Ib———可允许的最大连续负载电流；In———熔断器的额定电流；Kt———温度校正因数；Ke———连接器件热传导因数［6］；Kv———风冷校正因数；Kf———频率校正因数；Kb———熔断器壳体校正因数。
通过上述公式，可以得到一个初步的熔断器额定电流。但是通常情况下In是一个非标准值，在选型的时候，选择大于In的那个标准值即可。
4.3熔断器参数修正
通过公式（1）计算得出的熔断器额定值是一个初步选型数据，初步选型完成后，根据实际运行工况数据对熔断器额定电流值进行参数校正，例如通过过载电流持续时间、电流大小，冲击电流持续时间、电流大小等因素进行参数修正。
5应用实例
以国家863项目长城C20REV电动汽车为例，介绍其高压熔断器选择方法。长城C20REV电动汽车参数汇总见表1。下面对公式（1）中各参数进行选择。
1）根据连续负载电流及环境温度，初步选择一款熔断器，暂选美标FWH系列，型号为FWH250A（电流250A，电压500V），In=250A。
2）由表1可知，熔断器采用自然对流冷却，最高环境温度为60℃，查阅图6温度因数校正曲线图，可得温度校正因数Kt=0.8。
3）由表1可知，熔断器采用铜排连接，铜排的电流密度为2.5A／mm2，查阅图7连接器件热传导因数校正曲线图，可得热连接校正因数Ke=0.85。
 
4）由表1可知，熔断器采用自然对流冷却，由于没有对熔断器采用额外散热处理，查阅图8风冷因数校正曲线图，可得风冷校正因数Kv=1。
 
5）根据表1，整个熔断器工作频率在1000Hz以下，查阅图9频率因数校正曲线图，可得频率校正因数Kf=1。
 
6）熔断器初步选择采用的是美标，其Kb=1。将以上参数代入式（1）：Ib=250×0.8×0.85×1×1×1=170A。即：熔断器可允许的最大连续负载电流为170A。
7）当系统电压为420V时，通过表2、图10可得I2t值（总焦耳积分值）为32200×0.75=24150A2S。
 
8）当系统电压为420V时，查阅图11FWH系列弧电压校正曲线图，可得最大弧电压为880V。
 
9）系统过载电流计算如下。
过载1：Imax（30s）＜60%·It，即250A＜60%×500=300A。
过载2：Imax（10s）＜60%·It，即300A＜60%×600=360A。
脉冲1：Imax（100ms）＜70%·It，即350A＜70%×1000=700A。
根据图12电流时间特性曲线，可知过载1、过载2、脉冲1等电流均小于FWH-250A对应时间点的电流，满足电流-时间特性要求。
 
经过以上参数校正，证明暂选的FWH-250A熔断器符合应用参数要求。通过C20REV电动汽车大量实际路试，所选择的熔断器工作正常、稳定、可靠，完全满足实际运行要求，从而证明本选用方法具有实际使用价值。 
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