欢迎访问 咨询热线:

一文了解电动汽车高压熔断器应用和挑战

...

在线订购

  目前,EV/HEV由相对昂贵的部件(如电池、电力电子部件、接触器等)组成,为保护这些部件免受电涌和故障的影响,动力传动系统的一个重要方面是合理选择Fuse(熔断器)。随着EV/HEV电气化方案的不断发展推进,对熔断器提出了更具挑战性的要求。

  对于传统行业用保护熔断器,厂商一般根据已颁布标准IEC60629、UL248(美国)和VDE0636/0635(德国)进行设计和测试。在EV/HEV中引入高压熔断器时,目前主要有JASO D622(日本)和ISO 8820-7/8(两者适用于450VDC,GB/T31465引用类同)以及OEM的制造标准。

  由于新能源汽车产业化在前,标准化在后,EV/HEV较早应用的高压熔断器基本从传统行业熔断器演化而来。相对而言,汽车级高压熔断器与传统行业应用存在一定差异性,主要如下:

  熔断器是经过校准的载流装置,典型的熔断器由一个或多个熔体经作为灭弧介质的填充物(诸如硅砂之类)包围组成。不同区域应用,熔断器式样及安装方式不尽相同,但熔断器结构构成基本一致,如下所示:

  其中,熔体材质、熔体凹口配置、填充物质及加工质量都影响熔断器分断性能。目前,市场上EV/HEV用熔断器熔体材质以银为主,熔体形状在一定程度上可分为带状和丝状两种,改变截面形状可显著改变熔断器的熔断特性。熔断器外壳主体(材质需具备一定的承压、耐温能力)主要采用陶瓷(具有较好的导热、耐温性能)或环氧玻纤管(抗弯强度高、低成本)系列。一般选用石英砂(具有良好稳定的物理/化学特性)作为填充物(有效减少Fuse中的气体间隙),通过填充物提供有效热传递,过流分断时吸收电弧能量(填充物不同的填充方式影响灭弧、分断能力)。

  在正常情况下,熔断器承载电流。当发生持续的过流时,熔断器比填充物将热量导出更快的速率产生热量,如果过流持续存在,则熔体凹口将达到其熔点并断开。过电流越大,熔体熔化得越快,即熔断器具有反时限电流特性,这也是保护导体和电气设备的理想特性。

  现阶段,EV/HEV熔断器市场生态主要由Eton(爱尔兰)、Littelfuse(美国),Sensata(美国),Mersen(法国)、Pacific Engineering(日本)、Siemens西门子(德国)、安森美半导体(美国)等制造商组成。

  为正确选择适用于EV/HEV开发车型的高压熔断器 ,除了需要了解熔断器本身的性能参数(电压降、温升、分断特性、温变冲击、抗振性等)及直流保护关键特性(如L/R时间常数)之外,还需要结合车型高压电气平台实际应用工程(考虑协作保护等)。

  熔断器额定电压等级决定了抑制电弧放电的能力大小,如果使用低于电路最大电压的熔断器,在一些过流条件下,则可能无法清除过流风险。因此,EV/HEV用熔断器,其额定电压必须大于电路最大电压。其中,值得注意的是:

  a)电路最大电压不是车辆动力电池标称电压或最大工作电压,而是电路在各工况下(包括故障电压)实际可能出现的峰值电压。

  b)制造商给出的保护装置的DC标称工作电压通常对应于具有特定电感的电路,若随着电路中相对电感增加(L/R时间常数增大),则须降低额定值。

  c)交流的正弦特性(自然过零)有助于熔断器熄灭残余电弧,而在EV/HEV电压保持恒定的直流系统中则不是这种情况。

  一些交流熔断器也适用于直流电路应用,但没有“经验法则”可以将熔断器上的交流额定电压安全地转换为额定直流电压,因此测试是确定标定AC电压熔断器的直流电压能力的唯一可靠方法。

  鉴于此,各制造商在基于传统行业熔断器的基础上,需要经过特定应用测试推出适用于EV/HEV的专用DC熔断器新品。

  熔断器额定电流是它可以连续承载的RMS电流,在EV/HEV环境中,需要针对每个特定应用重新评估熔断器的额定电流值,以确保所选择的熔断器不会超出其当前的承载能力而导致过早老化或误动作。

  a)在不考虑过载和循环负载的影响下,通过熔断器的实际RMS稳态负载电流应低于或等于计算出的最大允许额定负载电流——熔断器额定电流的基本选择标准。

  在适用于IEC60629、UL248工业标准的条件下,熔断器应用特性已经过大量测试实践,在不同条件影响的环境中需降额使用已成共识(如温度降额、热连接降额、高空降额等)。对于汽车应用环境,由于各熔断器厂商提供的额定电压等级、电流时间熔断曲线等参数性能是在特定的测试条件下得出,因此在不同环境工况下,也需要进行选型校正。

  b)由于EV/HEV动力及载荷需求的不断变化,熔断器将承受规则或不规则的循环电流,为避免熔断器敏感的熔体过早出现疲劳,需要根据车辆大量模拟典型驾驶条件的配置文件,计算并确保熔断器具有适当的安全裕度。

  在考虑安全裕度情况下,,其中G系数在工业行业中一般推荐为1.6,EV/HEV环境下G系数具体由熔断器制造商提供(举例,ETON推荐值为1.3)。

  c)由于车辆高压回路存在一次性的脉冲过载电流,比如在回路接通/断开瞬间,通常持续时间较短。随着车辆频繁使用,脉冲电流在许多情况下将在器件整个寿命期间内发生数千次,导致熔断器过早疲劳损坏,即使在正常操作条件下熔断器也会在某些时刻中断,因此需要对脉冲电流进行评估。

  最常用于检查熔断器是否可以承载“浪涌”的方法是将的幅度、持续时间与保险丝的时间/电流曲线进行比较,由此可以快速地确定是否会导致熔断器熔断。为了要避免过早的熔断器损坏,和熔断器的实际分断电流之间须有足够的余量。作为准则值,一般推荐比例为,幅值约为熔断器分断电流的50%~60%。

  为响应电动汽车安全条例对高压系统过流断开装置的设计要求,在EV/HEV高压电气架构中,普遍通过Fuse和接触器组合协调保护,实现RESS(车载可充电储能系统)及其他高压系统的过流断开和切断。

  一般而言,EV/HEV通过过载电流检测会切断接触器,而熔断器则应用于短路大电流保护。理想的保护是熔断器作为第一个被触发(熔断器具备任何保护系统的最低初始成本)并且能够在任何其他保护元件开始动作之前正确地清除故障。挑战在于熔断器需要在接触器过热或超过其断开状态之前动作,并且整个EV/HEV高压系统具有多个电路,各支路熔断器之间需要选择性协调。

  a)为避免短路故障时熔断器不分断而其他器件(如接触器、线缆)损毁,则需要核算回路中熔断器与其保护对象之间的I²t。

  b)基于各系统部件在EV/HEV电气并联架构,车辆各电路之间存在一定关联,驱动主回路与其他辅助系统回路之间存在纹波电流(尤其在车辆加速/减速过程)。为避免系统之间的纹波电流造成熔断器非正常分断,需要各部件电路设计时(如母线电路类型、容量大小等)合理设计。

  EV/HEV的日益普及将确保熔断器有一个高增长市场,但车辆电气化的不断发展对熔断器应用增加了复杂性。

  随着EV/HEV电气解决方案的不断推进演化,OEM正在制造具有更大功率、更大续驶里程且可以更快速充电的车型,而对于更高的电压平台(800~1000VDC),熔断器将缺少认证标准。全球还没有完全统一的新能源汽车高压熔断器法规,熔断器缺乏全球化认证体系,不同的OEM、产品供应商有可能采用具有相互冲突的产品规格要求/设计,使车辆整个电气系统设计面临时间和额外的成本挑战。

  另外,随着车辆DC电压平台上升以及OEM客户的特定要求不断强化,熔断器的体积和重量将面临设计挑战。

  除了现有标准体系不足之外,OEM不仅仅需要仅限组件的基础上选择熔断器,还需要将它们用作系统的一部分。此意味着熔断器不仅要求在元件级别(作为个体)符合标准规范,还需要在系统层面(与其他电气设备共同工作时)满足功能特性。

  熔断器需满足EV/HEV系统集成性能,这将会给汽车熔断器制造商带来更多挑战,例如,不同EV/HEV中并没有明确定义各自的启停和加速特性,熔断器匹配的负载电流曲线随机而多变,这就要求熔断器制造商与OEM车型平台开发进行更紧密的配合。

  随着国内新能源产业的迅猛发展,国内熔断器品牌近两年也异军突起,且身份慢慢从国外产品的模仿/追赶者向作为自主品牌的竞争者转变。令人担忧的是一些国产品牌在市场上攻城略地的同时,只注重产品价格而非专业服务价值——产品质量控制过于简单,试验报告过于形式化,故障分析能力简单粗暴。

  随着国内汽车行业股比限制取消,可预见的是,未来新能源行业和零部件产业格局势必改变,国内熔断器品牌现阶段唯有不断提升专业服务能力方能占据一席之地。

  由于EV/HEV所面对的应用工况具有多样性,仅用单一的方法来匹配设计所有车型显得不切实际。熔断器是电动汽车和混合动力汽车中最重要的电气部件之一,作为一次性不可逆保护元件,意味着一旦分断,车辆在正常行驶时将面临失去动力或其他风险,因此正确选择熔断器对车辆非常重要和关键。