熔断器在电动汽车中的应用

高 琳

东莞市贝特电子科技股份有限公司

熔断器在电动汽车中的应用

高 琳

东莞市贝特电子科技股份有限公司

本文主要从应用的角度介绍了目前电动汽车EV常用的过流保护熔断器类型。

电动汽车;熔断器;过流保护

随着我国经济的快速发展，能源与环保问题也日益突出，我国已经加紧出台了系列政策支持研制电动汽车的开发与产业化。

熔断器俗称 “保险”， ICE 127标准中将它定义为：“熔断体(FUSE-LINK)”。 它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。电动车的熔断器都是围绕动力电池的特点以及动力电池的管理系统进行设计选择，因此首先对电动车中的动力电池进行深入的调查是非常必要的。纵观电动车的发展过程，出现过不同类型的汽车和电池，主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。相较另两种电池，锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染，同时价格相对便宜。锂离子电池在正常使用过程中不会出现安全问题，但电池制造中的“瑕疵”会由于滥用，导致电池的热效应加剧，最终表现为电池的“热失控”。在电池包中由于电芯的一致性差异，问题表现得更为突出。如何确保电动车的动力电池组的安全，对于电动汽车的长远发展起着至关重要的作用。动力电池包整合后形成了高压配电系统的概念，目前常见的动力电池系统的高压部分电压为400～750V，远远高于人体安全电压，电力传输回路的阻抗较小，正常工作电流会达到300A及以上。

电动汽车使用高压直流熔断器做锂电池系统的过流总保护，是基于国标GB/T18384.1的明确规定，也是因为锂电池系统发生过载和短路故障时，必须及时截断而有效制止高压过流事故的扩大与蔓延。而且车载空间有限，无法安装庞大而昂贵的直流断路器，选用体积不大、相对低廉并可紧凑安装的直流快速熔断器作为限制和开断异常电气事故的主保护器，这已是国内外电动汽车业界公认的一种安全标准配置。

纵观目前市场上电动汽车熔断器的应用，主要有以下方面：

一、电池管理器智能控制系统(Battery Management System 简称BMS)，是对电池组进行安全监控及有效管理、提高蓄电池使用效率的装置，该系统对电池组充放电进行有效控制，可达到增加续航里程、延长使用寿命、降低运行成本的目的，并保证电池组应用的安全和可靠性。此处使用的熔断器属于主动保护，一般为目前常见的小型熔断器，配合其他电路保护元件针对电路中的电流异常进行保护。贴片式小型熔断器是比较受欢迎的类型，汽车用的贴片保险丝与平时电子产品中用的贴片保险丝要求的不同，主要来源于电动汽车日常使用中会经受高温，车行中的剧烈震动，甚至高湿度甚至过水的恶劣环境，因此生产厂商必须对产品进行车规标准测试。该测试需求样品量大，从一定程度上保证了产品应用的可靠性。

二、高压配电箱上的熔断器为被动保护。一般情况下， 安装在高压配电箱(PDU—power distribution unit)中的电流霍尔传感器对电池组的放电电流进行检侧并把电流信号传输给电池管理器，实现实时监控。熔断器是在电池管理器过流保护失效的情祝下起被动保护作用的。为了防止和降低以上失效带来的风险，还会增加多个熔断器。当动力电池局部发生短路时，存在于各个分段的熔断器便能起到很好的保护作用。目前应用在电动汽车上的直流熔断器从管体的材质来分，常见的直流高压熔断器包括有机管体(三聚氰胺网布与陶瓷的叠层)和陶瓷管体。近期的新闻报道中，有机管体熔断器在500V以上电动大巴的充电过程发生多次管体燃烧的事件，这主要是由于有机管体在电池箱或高压箱封闭高温状态下长期工作，尤其安装位置不当时，聚合物材质会快速的衰退性热老化，机械强度与绝缘强度均呈梯度下降。而锂电池充电时的过充失控导致电池泄漏或电容击穿产生的短路浪涌，会逆向冲击熔断器，使箱体内异常高温迅速攀升，当环境温度超过有机材质的热熔点时，管壳迅速碳化后原先的绝缘层变成了导电层，高压形成的浪涌沿管壁形成外部电弧通道，有机管体受到猛烈灼烤后热熔自燃，直至引发整车的起火燃烧。整个过程仅需几秒，其破坏力却相当惊人。

陶瓷管体的熔断器本身耐高温性能优越绝缘性好，强度高，但是普通的氧化铝陶瓷相比有机管体熔断与分断能力不很理想，但是近几年通过改性后的陶瓷材料熔断特性以及直流分断能力也能明显改善甚至优于有机聚合物管体的熔断器，分断能力甚至大于50ka。相比有机管体的熔断器，陶瓷管体的安全性是显而易见的。贝特电子科技股份有限公司合资的的德国品牌相关熔断器经过严格的测试检验，能极大满足应用要求，并已实现部分国内组装生产(ODM工厂为东莞博钺电子有限公司)。

三、电动汽车电池包中的锂电池，一些汽车公司使用钢壳型的锂电池，也有些使用软包装的锂电芯。钢壳电芯生产效率高，一致性能相对较好，钢壳本身的支撑强度好，但是一旦发生安全问题，比如汽车发生碰撞造成钢壳变形之后，电芯本身的破坏力更甚于软包装电芯。因此整个电池包的外面进行多层保护，以避免此类问题。软包装最大的特点是尺寸灵活，但是外部的保护显得更加重要，从此点来看，两种电芯各有优劣。此处过流的熔断保护过程中，使用钢壳锂电芯电池包的电动汽车中，会为每一颗电芯配备一根导线式保险丝，以便在某一颗电芯出现过电流异常时，切断电路，最大程度的保护整车安全。该保险丝对焊接要求较高，焊接过程中的缺陷直接关系到熔断性能的一致性。在此过程中，此导线式保险丝是属于主动熔断模式，通过程序的控制来动作。如果做被动保护用，导线式保险丝的分断能力较低，一旦动作，会加剧安全问题。

以上是目前电动汽车中围绕动力电池应用的熔断器，此外为了保障电池箱的安全，内部高压回路里增加高压互锁回路(HVIL)中设置有手动维修开关(MSD)，以保证电池箱维修过程中不会发生人员触电事故，而这其中也会安装一颗熔断器来进行保护。汽车的线束中也会应用熔断器进行保护，从保护效果上看，设置在靠近蓄电池正极保护效果最佳又便于维修更换。随着大电流熔断器产品的面世，起动机电源线上也会采用熔断器，因为任何线路都有可能发生短路故障，而且起动机电源线截面最大，短路瞬间，短路电流也最大。