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EV/HEV系统保护熔断器选型

2024-03-31 15:13:39 曙熔

新能源汽车EVElectric Vehicle)混合动力汽车HEV(Hybrid and Electric Vehicles的迅猛发展,给以熔断器(Fuses)为主的车辆电气系统保护带来了新的机遇和挑战;迄今为止,尚无有全球统一的熔断器新标准被广泛接受,新能源车辆用熔断器主要参考的标准有UL248-1/20;AECQ-200;JASO D622;SAE J2781;ISO8820-1/8等,如何选用合适的熔断器对新能源车辆的电气系统进行有效的保护,需要根据电气系统的设计保护特性考虑,以达到安全性、可靠性、高效的目标。


按照新能源车辆10年的寿命周期评估,在此期间,充电桩、车辆被反复启动、频繁使用,设计时必须考虑使用可靠的保护元器件,给予消费者最大程度的安全保护;采用更安全更可靠的寿命设计,意味着在最恶劣的条件下,产品生命周期内更少的维护投入,更高的投资回报;对高效的电源转换是充电(AC/DC/无线充电)的核心诉求,最大程度的减少充电电能损失及充电时间,是消费者越来越重视的因素。


新能源车辆的熔断器选型因素包括:


1.电压(Vrated):整个电气系统的最高电压已经达到了1000VDC;这意味着大功率和高效充电成为发展的方向(P=UI:要想提升功率,电流的增加要加大线缆的直径,无论设计、成本、重量都变大了,提升电压相比就简单很多);所选熔断器的额定电压大于或等于要保护的电路电压即可。


2.电流(Irated):影响熔断器额定电流的因素有被保护电路的最大通流、环境温度、是否密封、导线(或铜排)的截面积、冷却方式、循环负载、海拔因素、与其他保护器件(如接触器、继电器、断路器等)的配合;与工业类熔断器额定电流测试(环境温度:-5℃~30℃;连接导线或铜排的电流密度为1.3A/mm2;在开放的实验室;恒流源供电;无振动等)环境不同,新能源车辆的状况更加复杂,越详细的选型因素越有助于选择合适的熔断器,避免熔断器提前结束寿命。


3.分断力(IR):设计工程师可根据电路的实际需要选择,在电路短路的时间常数内(一般以L/R=5ms评估),熔断器能够分断最大短路电流及最小短路电流即可。


4.尺寸、重量、安装方式:轻量化一直是汽车追求的目标,尽量采用尺寸小、自重轻的熔断器,安装方式根据设计需要而定。


新能源车辆熔断器的额定电压、分断力、尺寸、重量易于评估,额定电流将展开:


1)被保护电路的正常满载电流(定义为Ia: EV/HEV熔断器在电力转换电路中的位置不同,通过熔断器的负载电流不同,该值大多数情况下设计工程师可提供;无法获得正常满载电流的应用,需要计算稳态电流来确定;


2)环境温度(定义为KtEV/HEV的熔断器工作环境温度会达到60~85,过高的环境温度会影响到熔断器的通流,需要使用温度降额系数对熔断器的通流进行修正;


温度修正曲线如下:

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风速修正系数曲线如下:

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3)是否密封(定义为KsEV/HEV的熔断器通常都会安装在狭小密闭环境内,这会导致熔断器在工作时的热量不易散失,温度升高。Vicfuse建议采用Ks=0.8进行降额修正;


4)导线(或铜排)的截面积(定义为KbEV/HEV追求轻量化的设计,可能采用与熔断器的连接导线(或铜排)的截面积会超过1.0~1.6A/mm2(参考IEC60269-4),修正系数如下:

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5)冷却方式(定义为Kv:设计者可能会考虑采用风扇对装在狭小密封空间内的EV/HEV熔断器进行辅助散热,冷却修正系数如下:

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6)循环负载(定义为Kg:不同的驾驶习惯和功率需求导致EV/HEV熔断器承受的负载呈非线性变化,这种瞬间的负载会导致熔断器的“狭径”部位受损或产生金属疲劳,进而导致熔断器寿命的提前终结。根据超过20年的跟踪观测,将熔断器的额定电流提高1.3~1.6(传统车用熔断器的过载测试点:1.35In~1.6In,10s~3600s),可实现熔断器承受循环负载与设计寿命的匹配。故选取Kg=1.3


7)海拔因素(定义为KhEV/HEV熔断器在高海拔地区使用,由于空气密度降低导致散热慢,可按照2000米以上,每升高1000米降低5%的标准进行降额;


综上所述,


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根据计算结果,按照IEC标准,大取大原则,选取靠上限的标准额定电流熔断器(假设计算结果为607A,则选取630A的熔断器)。


Ifuse的理论验证:在EV/HEV熔断器的实际工作中,短时的过载是否会对熔断器造成损伤,导致寿命提前结束?需要将最大的过载电流Io与持续时间It,与选中的熔断器的I-T曲线进行比较,Io不超过Ifuse50%为宜。


与其他保护器件(如接触器、继电器、断路器等)的协调一致性配合:EV/HEV主要是熔断器的最小分断(2In~8In-最大分断电流之间进行保护,在故障电流小于熔断器额定值2倍以下的区间,则是接触器、继电器、断路器等的保护范围。熔断器的熔断过程分为固---离子状态的转化,无法做到全范围内和接触器、继电器、断路器等的保护协调一致性。


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