纯电动汽车高压直流熔断器计算及选型方法

王景松，孙李璠，路高磊，徐柏兴，葛俊夏，吴大伟

（郑州比克新能源汽车有限公司，河南 郑州 451450）

1 概述

现阶段动力电池能量密度越来越高，单体电芯容量越来越大，各高压部件一旦出现短路现象而无相应的保护措施，轻则部件损坏，重则引起火灾 （尤其动力电池），后果将不堪设想，所以各高压部件回路的保护至关重要，本文将阐述纯电动汽车高压直流熔断器计算及选型方法，并实例说明。电动汽车电气拓扑图如图1所示。

2 熔断器选型

2.1 熔断器分类

1）按动作特性主要分为：普通熔断器 （gG／gL）、快速熔断器部分范围保护 （aR）、快速熔断器全范围保护 （gR）、Time-delay型及特殊熔断器。

图1 电动汽车电气拓扑图

2）按照外形形状主要分为：①英标熔断器。英式熔断器壳体采用陶瓷材质，圆柱管体，具有体积小、浪涌耐受性能強、性价比高、弧电压小、功耗低等特点，一般小于100 A的熔断器推荐采用英式系列熔断器。英标BS88熔断器样式如图2所示。②美标熔断器。美式熔断器系列的产品，两端触刀为一体式，熔体直接一次性焊接，可抗强冲击及振动，具备高阻燃、高绝缘性能，弧电压小，功耗低，此系列为电动汽车的优选，一般大于100 A的熔断器推荐采用美标系列以增加可靠性。美标熔断器样式如图3所示。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。欧标方形熔断器样式如图4所示。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，模数化底座方便安装，结构紧凑，适用于占用空间小的PDU、BDU、小型交流驱动器以及其它小功率应用。法标圆形熔断器样式如图5所示。

图2 英标BS88熔断器

图3 美标熔断器

图4 欧标方形熔断器

2.2 熔断器额定电压的选择

熔断器作为电路中的保护器件，在回路中出现故障时，熔断器工作分为“熔”+“断”两个过程，“熔”的过程与电流有关系，“断”的过程与电压有关系。熔断器的电压可以表述为：此熔断器可以分断此电压所产生的电弧。

电压有交流电及直流电的区别，在纯电动汽车，为直流电压，因回路中电感在熔断器分断瞬间会产生感应电压，同时要考虑回路中的电感对电压灭弧的影响。熔断器可承受的最大电压值一定大于系统中的电压值，同时对于交直流熔断器在分断上有明显区别，交流电呈正弦波形交替传导，每周波有一个过零点，此时电量值最低，很容易熄灭电弧；而直流电的任何波形都不存在过零点，在分断直流短路故障电流时，全靠熔断片的迅速汽化和石英砂的扩散吸附和冷却作用强迫熄灭电弧，因此要比分断交流电弧困难得多。

2.3 熔断器额定电流的选择

对于电动汽车用熔断器的电流选型，第一步是要考虑在正常工作时不能动作，也就是熔断器不能误动作，这一点是熔断器电流的出发点，也是基本点。熔断器熔断主要是个热积累的过程，根本上来说持续电流是选型的依据。

熔断器额定电流

式中：In——熔断器额定电流；I额——负载额定电流；K——负载修正系数；Kt——温度修正系数；Ke——连接器件热传导系数；Kv——风冷修正系数；Kf——频率修正系数；Ka——海拔修正系数；Kb——熔断器壳体修正系数。

通过上述公式，可以计算得到一个初步的熔断器额定电流值，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修正，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。

3 实例分析

以某纯电动物流车为参考对象，分析其工业熔断器选型方案，本实例均选用友容熔断丝。表1为某电动汽车电气参数。

表1 某电动汽车电气参数

1）K：负载修正系数。根据所在回路负载的不同，需增加一个放大系数K，对于阻性负载回路，K取1.5左右；对于容性负载回路，考虑到上电冲击，K取2左右；电动压缩机启动瞬间峰值电流过大，K取7～8左右；对于驱动电机回路，K取1.2～1.5左右；此处K值取值见表2。

表2 K值取值表

2）Kt：温度修正系数。对于电动汽车，一般环境温度最高可达60℃，参照图6温度修正系数表，Kt=0.8。

图6 温度修正系数曲线图

3）Ke：连接器件热传导系数。按照每个回路的电流，按照1.3 A／mm2为100%，参照图7连接器件热传导系数曲线图，得出的Ke数据见表3。

表3 Ke值取值表

4）Kv：风冷修正系数。熔断器采用自燃对流冷却，参照图8风冷修正系数曲线图，没有采取额外散热处理，取Kv=1。

图8 风冷修正系数曲线图

5）Kf：频率修正系数。直流电流频率1000 Hz以下，参照图9频率修正系数曲线图，取Kf=1。

图9 频率修正系数曲线图

6）Ka：海拔修正系数。按照现在电动汽车运行工况，取Ka=1。

7）Kb：熔断器壳体修正系数。对于陶瓷壳体，取Kb=1，对于三聚氰胺壳体，取Kb=0.9。

结合以上修正系数，陶瓷壳体熔断器选型电流如下。

OBC回路：In=19.1×1／（0.8×0.76×1×1×1×1）=31.41 A

熔断器选型为32 A或35 A。

DCDC回路：In=2.9×3／（0.8×1×1×1×1×1）=10.88 A

熔断器选型为15 A或16 A。

电机回路：In=130.2×2／（0.8×0.73×1×1×1×1）=445.89 A

熔断器选型为450 A。

A／C回路：In=3.47×7／（0.8×1×1×1×1×1）=30.36 A

熔断器选型为32 A或35 A。

PTC回路：In=4.34×1.5／（0.8×0.98×1×1×1×1）=8.3 A

熔断器选型为10 A或12 A。

图10为EVHE系列熔断器选型表，图11为EVPE系列熔断器选型，图12为PEF／PMF系列熔断器选型表。

综上所述，以友容陶瓷高压熔断器为蓝本，从图10～图12选型表得知，友容EVHE系列电压等级为500VDC，EVPE系列及PEF16系列电压等级为660VDC，均符合要求，查询电流规格后各回路熔断器选型如表4所示。

图10 EVHE系列熔断器选型表

图11 EVPE系列熔断器选型

图12 PEF／PMF系列熔断器选型表

表4 各回路熔断器选型表

通过查询EVHE系列、EVPE系列及PEF16系列时间-电流特性曲线图，且均有20kA的分断能力，故以上推荐的3种型号均满足要求，可根据布置空间选择最优方案。