在新能源汽车中的高压保护最后一道防火墙--熔断器(熔断器就是在所有其它保护都失效时,最后的有效保护器件)。
熔断器的应用领域非常广泛,如前几年火爆的光伏市场等,新能源汽车领域如直流充电桩、DC、水暖PTC 充电机、风暖PTC、动力电池、维修开关、高压箱、电动空调等涉及到高电压需要保护的地方,下文主要聊聊在PUD里面的应用。
先来看看高压配电盒,简称PDU(Power Distribution Unit),新能源车高压系统解决方案中的高压电源分配单元。通过母排及线束将高压元器件电连接,为新能源汽车高压系统提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等,保护和监控高压系统的运行。PDU也能够集成BMS主控、充电模块、DC模块、 PTC控制模块等功能,与传统PDU相比多了整车功能模块,功能上更加集成化,结构上更复杂,具有水冷或是风冷等散热结构。PDU配置灵活,可以根据客户要求进行定制开发,能够满足不同客户不同车型需求。BDU(Battery Disconnect Unit )电池包断路单元,专为电池包内部设计,也是高压配电盒的一种。
熔断器熔断原理介绍:
熔断器作用:正常情况下,熔断器在电路中起连接电路作用;非正常(超负载)情况下,熔断器做为电路中的安全保护元件,通过自身熔断安全切断并保护电路。熔断器的作用是保护电气设备,防止电气设备因过载造成损坏。
熔断器的熔断是熔体被过电流释放的热能所熔化而造成的,而能够熔断熔断器的能量就是熔断器的熔化热能值I*I*t(Q=I*I*t*R,R是定值),理论上说,只要熔断器熔化所需要的能量大于瞬间脉冲电流所释放的能量,熔断器就不会被冲断,也就是熔断器可以抵抗这种脉冲的冲击,一般慢熔断型熔断器都具备这种特性。
那么抵抗过一次瞬间脉冲的熔断器有没有发生什么变化呢?那就要看它受脉冲的伤害有多大了。如果该脉冲能量远小于熔断器熔化热能,熔断器受到的冲击很小,那么熔断器就可以接受许许多多次冲击而不被冲断,反之如果脉冲能量接近熔断器熔化热能,熔断器被冲击一次受到的损伤很大,那么它就可能受不起第二次的冲击了,也就是说:熔断器在经受每一次脉冲的冲击后都会受到一定程度的损伤,即它的耐脉冲能力有所减弱或I*I*t有所降低,减弱或降低的程度跟脉冲的能量成正比。
我们要使熔断器能够承受多次瞬间脉冲的冲击,必须要在熔断器的I*I*t和脉冲能量间放足够的余量,不同的电器产品由于使用寿命和开关频率不同,需要承受脉冲的次数也不同,所以熔断器的供应商应该提供相应的参考数据,即对应不同脉冲次数,需要选择熔断器的I*I*t对脉冲能量的不同倍数,这里仅是粗略的估算,准确的选择必须要通过具体数据的计算来得到。
熔断器的三个关键参数:
1. 额定电压;2. 定电流;3. 极限分断: 这是熔断器在故障条件下能可靠的分断最大短路电流,它是熔断器的主要技术指标之一(其实也是很多技术人员忽略的地方)。下图的产品为电压1000VDC, 200A, 分断能力IR为50KA,三者的关系见下文。
熔断器的初选:
1. 了解客户初步需求:如额定电压,额定电流,充放电峰值电流,峰值电流持续时间,抗震性能,工作环境要求,海拔高度,寿命要求等;原则上提供路测工况,不过,国内的主机厂基本不提供。
2. 熔断器工作电压不小于PDU额定电压。
3. 根据额定电流及峰值电流继续缩小范围,选择比额定电流大,且小于峰值电流的继电器,比如PUD工作额定电流200A,峰值电流400A,熔断器额定电流正常应该在300A或者350A之间选择。
4. 因为熔断器是热能导致熔断,热能受热传导、风冷、液冷、频率因数、熔断器安装壳体环境因数影响,很难准确预估使用寿命,熔断器额定电流选择一般按照经验选择: 熔断器额定电流是PDU工作额定电流的2倍到2.5倍,但不超过PDU峰值电流。
5. 跟进熔断器的熔断时间曲线表,校正PDU峰值电流持续时间是否小于熔断器熔断时间,如果小于,则初选型正确。
6. 原则上建议上线测试;高压系统是个非常复杂的系统,其他材料的耐压等级、电性的设计、铜排的过流设计、装配工艺等等因素都需要综合考虑,不再累述。
熔断器品牌:
国外品牌:巴斯曼(BUSSMANN)、力特、法雷(FERRAZ)、太平洋精工、友熔(台湾)等;国内品牌:中熔和苏熔(听说这两家都在一个产业园)、中贝、西联等等。
由于巴斯曼(BUSSMANN)熔断器配套在特斯拉上(在特斯拉多次失火而未发生电池爆炸,且人员能够有时间逃生),比较早进入中国并收购西安的熔断器厂,在中国市场表现抢眼。且西安成为一个熔断器之乡,故西安的厂商值得关注,犹如玉器成于“苏作”。
国内市场对熔断器的几个误区:
通过与不少技术人员交流,最为典型的就是发现不少技术人员把熔断器当成断路保护期来使用;简单粗暴告诉大家一句话,那就是熔断器就是在电流断路时候起拉闸断电的作用,其他时间就是过电流,这是其一;其二、国内的技术与设计人员出于成本的考虑,并没有把熔断器当做易损耗来设计,这对在熔断器的电流选择上是一个巨大的挑战;其三、追求高电压而忽视极限分断能力。
市场前瞻:
高电压、快充肯定是电动车的未来趋势,这对整个高压系统保护的最后一道防线--熔断器提出更高的要求。如,更高电压平台上更小的体积,同时要达到更强熔断能力且反应时间要更短,更要命的是价格能再便宜点不?隔壁老刘家的价格只是你的8成,做还是不做?还是由各位决定吧!
以上仅是针对在PDU中熔断器的部分见解与认知。熔断器在直流充电桩、DC、水暖PTC 充电机、风暖PTC、动力电池、维修开关、电动空调等场景应用不尽相同,电流持续时间,抗震性能,工作环境要求,海拔高度,寿命要求等,需要设计选型根据不同的工况来综合考虑,本文不作为您设计与选型最终参考。
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