电动汽车高压熔断器选型及失效模式分析

罗儒　邓海文　黄祖朋　刘金配　练朝春

摘 要：熔断器作为电动汽车动力电池回路及高压附件系统回路短路保护的主要措施。文章从熔断器的主要特性及选型设计两方面阐述了电动汽车高压熔断器的选型原则及选型方法，并分析了熔断器的失效模式。

关键词：电动汽车 高压系统 熔断器 选型

Type Selection and Failure Mode Analysis of High Voltage Fuse for EV

Luo Ru Deng Haiwen Huang Zupeng Liu Jinpei Lian Chaochun

Abstract：The fuse is the main measure of short circuit protection of power battery circuit and high voltage accessory system circuit. This paper expounds the selection principle and selection method of the high voltage fuse of electric vehicle from two aspects of the main characteristics of the fuse and the type design， and analyzes the failure mode of the fuse.

Key words：electric vehicle， high voltage system， fuse， selection

1 引言

随着能源危机及环境污染问题的双重压力，发展新能源汽车特别是纯电动汽车是大势所趋[1]。电动汽车在正常使用的情况下，无论是主回路还是各个支路都会受到不规则的浪涌电流的循环冲击，尤其在高压线缆发生短路故障时会短时间内形成强大的浪涌冲击电流，为保证电动汽车高压部件及车内人员安全，将熔断器串联在高压回路中，当电路或电路中的设备过载或发生故障时，熔断器熔体发热而融化，并熄灭电弧，从而切断过电流，保护电气设备免受过载和短路电流的损害。

2 熔断器选型设计

2.1 熔断器的选型原则

（1）高压熔断器应符合其布置位置环境的尺寸、温度、湿度、振动要求;

（2）高压熔断器的额定工作电压应不小于系统最大工作电压;

（3）高压熔断器的类型应符合保护电路负载的电气特性;

（4）高压熔断器的分断能力应大于保护系统的最大短路电流;

（5）高压熔断器的时间-电流特性应符合保护电路的额定电流、冲击电流和冲击时间要求;

（6）高压熔断器应考虑上下级电路的匹配保护;

（7）高压熔断器应考虑负载电路高压继电器的电流特性;

（8）在负载正常的额定电流、峰值电流的条件下，高压熔断器温升应不高于50K，并且全寿命正常通流;

（9）高压熔断器应对负载电器使用的高压电缆实现可靠保护功能。

2.2 电动汽车过电流保护点

电动汽车的过电流保护点及熔断器的安装位置主要应用于动力电池内部主熔断器、MSD熔断器及高压配电系统（PDU）内部各高压部件支路，动力电池为电动汽车提供了动力来源，高压配电系统为协调驱动动力电池、DC/DC、车载充电机、MCU、电动空调、PTC等高压部件的功能转换和能量分配，也是高压系统中负责电气管理和保护的核心。

3 熔断器特性修正

3.1 环境温度降容系数

环境温度曲线代表不同环境对熔断器的载流能力影响，根据熔断器的布置最高环境温度确定其降额系数进行修正。

3.2 热连接修正系数

根据熔断器的连接铜排横截面积/标准截面积，查看熔断器的热连接系数曲线图确定热连接修正系数。如熔断器安装在较为封闭的高压盒内时，Ke应适当调整，安装在高压盒内的一般取值：0.8～0.85。

3.3 风冷修正系数

熔断器的冷却环境影响其额定电流的选择，如强制风冷、自然冷却等，根据熔断器的风冷修正曲线确定风冷修正系数。

3.4 海拔修正系数

较高的海拔环境下空气稀薄，散热条件劣化，则需要对额定电流降容，以2000m為基础，海拔每升高1000m，海拔高度系数Ka=0.98～0.95/1000m。

3.5 封装修正系数

根据熔断器的封装类型，确定其封装修正系数，如防护等级为IP67时一般取值0.8。

3.6 循环负载

电动汽车实际工况比较复杂，有规律或无规律变化的负载电流、温度变化、高强度的循环负载会导致熔体金属机械疲劳快速老化，通过循环负载系数增加熔断器安全裕量，电动汽车循环负载系数一般取值1.3。

4 熔断器选型方法

4.1 熔断器选型计算

高压熔断器对设计输入进行选型设计，高压熔断器的设计需求可由使用零部件根据表1进行填写。

高压熔断器的额定电压应大于系统故障的最高电压，额定电流根据设计输入和熔断器的布置环境，参考高压熔断器规格书中的修正系数曲线，按公式（1）进行计算，按计算结果的匹配相应电流规格的熔断器In。

（1）式中：

=熔断器持续工作电流;=循环负载系数;=熔断器标定额定电流;=环境温度降容系数;=热连接修正系数;=风冷修正系数;=海拔修正系数;=封装修正系数。

4.2 峰值电流校核

电动汽车高压回路各负载的启动电流、冲击电流、峰值电流等会大于额定电流，选择的熔断器应能承受此类冲击电流全寿命正常工作。根据选定规格熔断器的时间-电流曲线校核，当熔断器保护回路的峰值电流与在该峰值时间下的耐受电流比值为0.3～0.4时，熔断器可保护该回路正常可靠运行。

4.3 与继电器匹配校核

在电动汽车实际应用中，高压熔断器需要和高压继电器或其他器件共同匹配以覆盖整个系统保护范围，通过对比熔断器与继电器的电流耐受曲线，用继电器保护相对较低倍的过载电流，熔断器用来保护高倍故障短路电流，避免继电器在发生大电流时发生起火或爆炸。

5 熔断器常见失效模式分析

高压熔断器的作用是在发生过流故障时保护电动汽车高压回路电器设备安全，熔断器的安全性及可靠性就显得尤为重要，因此分析熔断器的失效模式，为高压熔断器选型时积累经验，以下是熔断器几种常见的失效模式。

5.1 熔断器爆炸

熔断器爆炸是最严重的失效模式，爆炸的根本原因是故障产生的能量超出熔断器能够承受的极限，可以根据发生条件分为短路爆炸及过载爆炸。

短路即熔断器通过了极大的过电流，导致爆炸的原因可能为熔断器电压不足、燃弧时间太长等，如选择熔断器额定电压过低、熔管缺陷、熔管老化、产品设计时熔管长度低于下限、灭弧介质性能下降、灭弧介质分量不足;过载即熔断器通过了较大的过电流，熔断器电压不足、燃弧时间太长外，还可能熔断器额定电流过大，从而导致熔体电阻过低，弧前时间和燃弧时间均过长，传递过多的热量导致熔断破裂。

5.2 熔断器提前熔断

当选择的熔断器额定电流过低时，其时间-电流特性不符合保护电路的冲击电流及冲击电流时间要求，或当与其他元器件（如继电器）匹配时配合不当都可能导致熔断器提前熔断，无法保证电路的正常工作，除此之外，熔体老化、熔体焊点失效、电网波动都可能导致熔断器提前动作[4]。

5.3 熔断器不动作或滞后动作

熔断器不动作或滞后动作指保护电路或保护高压部件在受故障影响之前熔断器未动作或延后动作，熔断器选择额定电流过大或熔断器与其他过流保护器件选择性配合不当都可能会造成熔断器不动作或滞后动作，导致电动汽车高压回路无法得到正常保护[5]。

6 结语

在遵循熔断器选型设计原则下，通过计算高压负载回路流通电流，根据熔断器工作环境对额定电流进行修正计算，选择最优的熔断器保护电动汽车高压回路正常工作。

基金项目：广西科技计划資助项目（桂科AC16380043）;柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2020GAAA0401）

参考文献：

[1]陈友鹏，徐春.纯电动汽车应用现状及发展前景分析[J].南方农机，2018，49（09）：9-11.

[2]GB 13539.1-2008低压熔断器 第1部分：基本要求 [S]2008.

[3]QC/T 420-2004汽车用熔断器[S]2004.

[4]许建强，秦海蛟，刘友祝.汽车熔断器的正确选用与规范检测[J].时代汽车，2015（11）：50-51.

[5]张延伟.管状熔断器的典型失效模式和失效原因分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2004（03）：46-49.