熔斷器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

熔斷器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

本文主要從應(yīng)用的角度介紹了目前電動(dòng)汽車EV常用的過流保護(hù)熔斷器類型。

電動(dòng)汽車;熔斷器;過流保護(hù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源與環(huán)保問題也日益突出，我國已經(jīng)加緊出臺(tái)了系列政策支持研制電動(dòng)汽車的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

熔斷器俗稱 “保險(xiǎn)”， ICE 127標(biāo)準(zhǔn)中將它定義為：“熔斷體(FUSE-LINK)”。 它是一種安裝在電路中，保證電路安全運(yùn)行的電器元件。電動(dòng)車的熔斷器都是圍繞動(dòng)力電池的特點(diǎn)以及動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，因此首先對(duì)電動(dòng)車中的動(dòng)力電池進(jìn)行深入的調(diào)查是非常必要的?？v觀電動(dòng)車的發(fā)展過程，出現(xiàn)過不同類型的汽車和電池，主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。相較另兩種電池，鋰離子電池體積小，質(zhì)量輕，循環(huán)壽命長，自放電率低，無記憶效應(yīng)且無污染，同時(shí)價(jià)格相對(duì)便宜。鋰離子電池在正常使用過程中不會(huì)出現(xiàn)安全問題，但電池制造中的“瑕疵”會(huì)由于濫用，導(dǎo)致電池的熱效應(yīng)加劇，最終表現(xiàn)為電池的“熱失控”。在電池包中由于電芯的一致性差異，問題表現(xiàn)得更為突出。如何確保電動(dòng)車的動(dòng)力電池組的安全，對(duì)于電動(dòng)汽車的長遠(yuǎn)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。動(dòng)力電池包整合后形成了高壓配電系統(tǒng)的概念，目前常見的動(dòng)力電池系統(tǒng)的高壓部分電壓為400～750V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人體安全電壓，電力傳輸回路的阻抗較小，正常工作電流會(huì)達(dá)到300A及以上。

電動(dòng)汽車使用高壓直流熔斷器做鋰電池系統(tǒng)的過流總保護(hù)，是基于國標(biāo)GB/T18384.1的明確規(guī)定，也是因?yàn)殇囯姵叵到y(tǒng)發(fā)生過載和短路故障時(shí)，必須及時(shí)截?cái)喽行е浦垢邏哼^流事故的擴(kuò)大與蔓延。而且車載空間有限，無法安裝龐大而昂貴的直流斷路器，選用體積不大、相對(duì)低廉并可緊湊安裝的直流快速熔斷器作為限制和開斷異常電氣事故的主保護(hù)器，這已是國內(nèi)外電動(dòng)汽車業(yè)界公認(rèn)的一種安全標(biāo)準(zhǔn)配置。

縱觀目前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車熔斷器的應(yīng)用，主要有以下方面：

一、電池管理器智能控制系統(tǒng)(Battery Management System 簡(jiǎn)稱BMS)，是對(duì)電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理、提高蓄電池使用效率的裝置，該系統(tǒng)對(duì)電池組充放電進(jìn)行有效控制，可達(dá)到增加續(xù)航里程、延長使用壽命、降低運(yùn)行成本的目的，并保證電池組應(yīng)用的安全和可靠性。此處使用的熔斷器屬于主動(dòng)保護(hù)，一般為目前常見的小型熔斷器，配合其他電路保護(hù)元件針對(duì)電路中的電流異常進(jìn)行保護(hù)。貼片式小型熔斷器是比較受歡迎的類型，汽車用的貼片保險(xiǎn)絲與平時(shí)電子產(chǎn)品中用的貼片保險(xiǎn)絲要求的不同，主要來源于電動(dòng)汽車日常使用中會(huì)經(jīng)受高溫，車行中的劇烈震動(dòng)，甚至高濕度甚至過水的惡劣環(huán)境，因此生產(chǎn)廠商必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。該測(cè)試需求樣品量大，從一定程度上保證了產(chǎn)品應(yīng)用的可靠性。

二、高壓配電箱上的熔斷器為被動(dòng)保護(hù)。一般情況下， 安裝在高壓配電箱(PDU—power distribution unit)中的電流霍爾傳感器對(duì)電池組的放電電流進(jìn)行檢側(cè)并把電流信號(hào)傳輸給電池管理器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。熔斷器是在電池管理器過流保護(hù)失效的情祝下起被動(dòng)保護(hù)作用的。為了防止和降低以上失效帶來的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)增加多個(gè)熔斷器。當(dāng)動(dòng)力電池局部發(fā)生短路時(shí)，存在于各個(gè)分段的熔斷器便能起到很好的保護(hù)作用。目前應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的直流熔斷器從管體的材質(zhì)來分，常見的直流高壓熔斷器包括有機(jī)管體(三聚氰胺網(wǎng)布與陶瓷的疊層)和陶瓷管體。近期的新聞報(bào)道中，有機(jī)管體熔斷器在500V以上電動(dòng)大巴的充電過程發(fā)生多次管體燃燒的事件，這主要是由于有機(jī)管體在電池箱或高壓箱封閉高溫狀態(tài)下長期工作，尤其安裝位置不當(dāng)時(shí)，聚合物材質(zhì)會(huì)快速的衰退性熱老化，機(jī)械強(qiáng)度與絕緣強(qiáng)度均呈梯度下降。而鋰電池充電時(shí)的過充失控導(dǎo)致電池泄漏或電容擊穿產(chǎn)生的短路浪涌，會(huì)逆向沖擊熔斷器，使箱體內(nèi)異常高溫迅速攀升，當(dāng)環(huán)境溫度超過有機(jī)材質(zhì)的熱熔點(diǎn)時(shí)，管殼迅速碳化后原先的絕緣層變成了導(dǎo)電層，高壓形成的浪涌沿管壁形成外部電弧通道，有機(jī)管體受到猛烈灼烤后熱熔自燃，直至引發(fā)整車的起火燃燒。整個(gè)過程僅需幾秒，其破壞力卻相當(dāng)驚人。

陶瓷管體的熔斷器本身耐高溫性能優(yōu)越絕緣性好，強(qiáng)度高，但是普通的氧化鋁陶瓷相比有機(jī)管體熔斷與分?jǐn)嗄芰Σ缓芾硐?，但是近幾年通過改性后的陶瓷材料熔斷特性以及直流分?jǐn)嗄芰σ材苊黠@改善甚至優(yōu)于有機(jī)聚合物管體的熔斷器，分?jǐn)嗄芰ι踔链笥?0ka。相比有機(jī)管體的熔斷器，陶瓷管體的安全性是顯而易見的。貝特電子科技股份有限公司合資的的德國品牌相關(guān)熔斷器經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試檢驗(yàn)，能極大滿足應(yīng)用要求，并已實(shí)現(xiàn)部分國內(nèi)組裝生產(chǎn)(ODM工廠為東莞博鉞電子有限公司)。

三、電動(dòng)汽車電池包中的鋰電池，一些汽車公司使用鋼殼型的鋰電池，也有些使用軟包裝的鋰電芯。鋼殼電芯生產(chǎn)效率高，一致性能相對(duì)較好，鋼殼本身的支撐強(qiáng)度好，但是一旦發(fā)生安全問題，比如汽車發(fā)生碰撞造成鋼殼變形之后，電芯本身的破壞力更甚于軟包裝電芯。因此整個(gè)電池包的外面進(jìn)行多層保護(hù)，以避免此類問題。軟包裝最大的特點(diǎn)是尺寸靈活，但是外部的保護(hù)顯得更加重要，從此點(diǎn)來看，兩種電芯各有優(yōu)劣。此處過流的熔斷保護(hù)過程中，使用鋼殼鋰電芯電池包的電動(dòng)汽車中，會(huì)為每一顆電芯配備一根導(dǎo)線式保險(xiǎn)絲，以便在某一顆電芯出現(xiàn)過電流異常時(shí)，切斷電路，最大程度的保護(hù)整車安全。該保險(xiǎn)絲對(duì)焊接要求較高，焊接過程中的缺陷直接關(guān)系到熔斷性能的一致性。在此過程中，此導(dǎo)線式保險(xiǎn)絲是屬于主動(dòng)熔斷模式，通過程序的控制來動(dòng)作。如果做被動(dòng)保護(hù)用，導(dǎo)線式保險(xiǎn)絲的分?jǐn)嗄芰^低，一旦動(dòng)作，會(huì)加劇安全問題。

以上是目前電動(dòng)汽車中圍繞動(dòng)力電池應(yīng)用的熔斷器，此外為了保障電池箱的安全，內(nèi)部高壓回路里增加高壓互鎖回路(HVIL)中設(shè)置有手動(dòng)維修開關(guān)(MSD)，以保證電池箱維修過程中不會(huì)發(fā)生人員觸電事故，而這其中也會(huì)安裝一顆熔斷器來進(jìn)行保護(hù)。汽車的線束中也會(huì)應(yīng)用熔斷器進(jìn)行保護(hù)，從保護(hù)效果上看，設(shè)置在靠近蓄電池正極保護(hù)效果最佳又便于維修更換。隨著大電流熔斷器產(chǎn)品的面世，起動(dòng)機(jī)電源線上也會(huì)采用熔斷器，因?yàn)槿魏尉€路都有可能發(fā)生短路故障，而且起動(dòng)機(jī)電源線截面最大，短路瞬間，短路電流也最大。