【经验】解析新能源汽车熔断器的选型应用注意事项
纯电动汽车的动力电池电源电压多在200~400V，除动力电池总熔断器外，还存在汽车空调系统，暖风系统，DC／DC系统（将动力电池电压转换为14V，提供整车低压电源，作用类同发电机）等其他附件高压回路，各回路均需串接直流高压熔断器做回路保护。现阶段，陆续有EV专用汽车级熔断器推出，但选择面还是比较狭窄。国产直流熔断器的分断能力及保护特性均能够满足IEC（国际电工标准化机构）或其他通用标准，与相同用途的进口产品差别不大。但在相关ROHS（电子电器设备中限制使用某些有害成分的指令）认证、极端条件测试、系列产品的自动化生产方面，仍略有差距。直流高压熔断器价格稍高，需在能够有效保护各系统回路的同时，禁止熔断器非正常熔断现象发生。本文竞沃将对直流高压熔断器的选型原则及验证方法做系统介绍。
常规高压系统方案介绍
在不考虑动力电池内部结构、充电系统、动力电池热管理系统的前提下，一般纯电动汽车高压附件系统设计回路见图1。从图1可知，动力电源主回路需要总熔断器1只，其余分系统需单独设置熔断器。总体来看，至少选用4～5只直流系列，额定电压在400V以上的熔断器，才能满足车辆的基本功能需求。
直流高压熔断器选型基本原则
直流高压熔断器选型原则主要是熔断器额定电压与额定电流的确认，熔断器额定电压需大于动力电池最高电压，额定电流（熔断丝容量）的选择参考式（1）
（1）式中：In———熔断器额定电流；Ir———保护回路的负载电流；K1———负载形式矫正系数；K2———温度矫正系数。
其中负载形式矫正系数K1主要根据负载特性，考虑功率变化、电流纹波、启动与关闭瞬间冲击电流等因素，一般条件下，平稳运行负载选择0.75，如果负载在工作过程中，电流有较大波动，建议K1选择0.6。通常根据温度变化率可直接计算温度矫正系数K2，或者根据熔断器使用的环境温度及熔断器温升曲线，合理选择K2，纯电动汽车无明显高温产生区域，一般K2选择0.6。在确认K2时，也要充分考虑熔断器的自身功耗，即熔断器在通过不同电流时，不同的温升效果。
寿命计算及验证
熔断器寿命计算参考熔断器负载电流波形及Ⅰ²t曲线，Ⅰ²t曲线的一般形式见图2（以某品牌40A直流高压熔断器为例）。
根据图2，从理论上来看，当通过电流为熔断器额定电流50%时，熔断器能够保证持续工作而不非正常熔断。实际负载波形通常不是平稳的线性负载，针对不同的负载曲线，需根据式（2）进行计算。
（2）如果电流是周期性变化，则选择任意几个周期计算Ⅰ²t，计算所得Ⅰ²t曲线需在最下面一条曲线的下方区域。
一般来讲，电流波动主要存在负载初步启动或者功率上升区域，可从负载启动，快速提高负载功率直至稳定，抓取从开始到负载稳定过程中电流波形，估算Ⅰ²t，同样要求Ⅰ²t曲线在图2下方的区域。
图3为根据某一特定负载计算Ⅰ²t，绘制曲线所得，可做参考。图3中，红色曲线为实际电流Ⅰ²t，红色曲线始终在绿色曲线下方。
熔断器实际寿命验证仍需在试验室台架上进行，或随实车耐久同步进行，Ⅰ²t的理论计算仅作选型参考。
冲击电流对熔断器影响
熔断器型号初步确定后，需根据负载回路的冲击电流，结合熔断器时间-电流特性曲线，校核初选熔断器能否承受回路内的尖峰电流。
图4为初选某品牌35A熔断器的时间-电流特性，在图4的基础上，比对尖峰电流的持续时间及峰值。图5为用示波器配合电流互感器测得负载的冲击电流波形，1V对应电流值25A。黑色波形为示波器电流探头测得波形，已超探头量程，不具有参考意义，从蓝色波形可以计算出该冲击电流的峰值电流为590A，整个尖峰持续周期为0.4ms。将该尖峰描绘在初选熔断器的时间-电流特性图中，见图4。通过比对，即可确认该负载中存在的冲击电流，实际上已超过初选熔断器对峰值电流的承受能力，若长时间使用，则容易导致熔断器的非正常熔断。反之，若冲击电流值不超出熔断器时间-电流特性曲线，则可认为初选熔断器适用该负载的冲击电流。
分段能力与短路电流
熔断器分断能力需大于保护回路中预期短路电流，预期短路电流通过动力电池电压与负载回路的导线电阻、电源内阻、连接端子或者转接点个数，可简单计算。线阻及电源内阻可通过计算或测量获得，连接端子一般取3~5mΩ。通常情况下，计算得到的预期短路电流与实际短路电流值仍有差别，当计算得到的预期短路电流接近熔断器的分断能力时，需通过测试验证。测试验证前，需评估整个负载回路容易发生短路现象的位置，然后在该位置设置短路点，连接好相应设备，测量短路过程中熔断器两端电压波形，整个负载回路的实际短路电流等参数。
图6为试验短路前选用熔断器照片，短路回路为A／C回路，试验用熔断器型号为PEC30A/450VDC。
该型号熔断器的短路过程分为3段。即：①初始阶段，熔断器两端电压为0，负载回路无电流流过；②熔断阶段，负载回路短路，熔断器开始拉灭弧过程；③熔断完成，熔断完成后，熔断器两端电压为电源电压。
从拉弧及灭弧过程来开，整个熔断过程不超过2ms，熔断器的分断速度比较理想。分断试验完成后，拆除测量设备，检查熔断器的外观，主要包含是否有裂缝、载体是否有烧蚀等现象。
若外观良好，则需进一步剖解熔断器内部，检查熔体的熔断情况，检查灭弧材料粘结变化情况。
图7为该型号熔断器熔断试验后情况，从拆解图中看出，经过短路分断过程以后，熔断器玻璃管外观良好，石英砂依旧松散，熔体有效熔断，载体未受短路电流影响，表明该负载的短路电流在熔断器分断能力之内，符合设计需求。直流高压熔断器的型号确定，一定要建立在对负载及负载回路流通电流充分测试的基础上，通过理论计算与实际验证相结合的方式，选择与保护回路最为适合的熔断器。
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