熔斷器在電動汽車中的應用

高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

熔斷器在電動汽車中的應用

高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

本文主要從應用的角度介紹了目前電動汽車EV常用的過流保護熔斷器類型。

電動汽車;熔斷器;過流保護

隨著我國經濟的快速發展，能源與環保問題也日益突出，我國已經加緊出臺了系列政策支持研制電動汽車的開發與產業化。

熔斷器俗稱 “保險”， ICE 127標準中將它定義為：“熔斷體(FUSE-LINK)”。 它是一種安裝在電路中，保證電路安全運行的電器元件。電動車的熔斷器都是圍繞動力電池的特點以及動力電池的管理系統進行設計選擇，因此首先對電動車中的動力電池進行深入的調查是非常必要的。縱觀電動車的發展過程，出現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，質量輕，循環壽命長，自放電率低，無記憶效應且無污染，同時價格相對便宜。鋰離子電池在正常使用過程中不會出現安全問題，但電池制造中的“瑕疵”會由于濫用，導致電池的熱效應加劇，最終表現為電池的“熱失控”。在電池包中由于電芯的一致性差異，問題表現得更為突出。如何確保電動車的動力電池組的安全，對于電動汽車的長遠發展起著至關重要的作用。動力電池包整合后形成了高壓配電系統的概念，目前常見的動力電池系統的高壓部分電壓為400～750V，遠遠高于人體安全電壓，電力傳輸回路的阻抗較小，正常工作電流會達到300A及以上。

電動汽車使用高壓直流熔斷器做鋰電池系統的過流總保護，是基于國標GB/T18384.1的明確規定，也是因為鋰電池系統發生過載和短路故障時，必須及時截斷而有效制止高壓過流事故的擴大與蔓延。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器，這已是國內外電動汽車業界公認的一種安全標準配置。

縱觀目前市場上電動汽車熔斷器的應用，主要有以下方面：

一、電池管理器智能控制系統(Battery Management System 簡稱BMS)，是對電池組進行安全監控及有效管理、提高蓄電池使用效率的裝置，該系統對電池組充放電進行有效控制，可達到增加續航里程、延長使用壽命、降低運行成本的目的，并保證電池組應用的安全和可靠性。此處使用的熔斷器屬于主動保護，一般為目前常見的小型熔斷器，配合其他電路保護元件針對電路中的電流異常進行保護。貼片式小型熔斷器是比較受歡迎的類型，汽車用的貼片保險絲與平時電子產品中用的貼片保險絲要求的不同，主要來源于電動汽車日常使用中會經受高溫，車行中的劇烈震動，甚至高濕度甚至過水的惡劣環境，因此生產廠商必須對產品進行車規標準測試。該測試需求樣品量大，從一定程度上保證了產品應用的可靠性。

二、高壓配電箱上的熔斷器為被動保護。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電池組的放電電流進行檢側并把電流信號傳輸給電池管理器，實現實時監控。熔斷器是在電池管理器過流保護失效的情祝下起被動保護作用的。為了防止和降低以上失效帶來的風險，還會增加多個熔斷器。當動力電池局部發生短路時，存在于各個分段的熔斷器便能起到很好的保護作用。目前應用在電動汽車上的直流熔斷器從管體的材質來分，常見的直流高壓熔斷器包括有機管體(三聚氰胺網布與陶瓷的疊層)和陶瓷管體。近期的新聞報道中，有機管體熔斷器在500V以上電動大巴的充電過程發生多次管體燃燒的事件，這主要是由于有機管體在電池箱或高壓箱封閉高溫狀態下長期工作，尤其安裝位置不當時，聚合物材質會快速的衰退性熱老化，機械強度與絕緣強度均呈梯度下降。而鋰電池充電時的過充失控導致電池泄漏或電容擊穿產生的短路浪涌，會逆向沖擊熔斷器，使箱體內異常高溫迅速攀升，當環境溫度超過有機材質的熱熔點時，管殼迅速碳化后原先的絕緣層變成了導電層，高壓形成的浪涌沿管壁形成外部電弧通道，有機管體受到猛烈灼烤后熱熔自燃，直至引發整車的起火燃燒。整個過程僅需幾秒，其破壞力卻相當驚人。

陶瓷管體的熔斷器本身耐高溫性能優越絕緣性好，強度高，但是普通的氧化鋁陶瓷相比有機管體熔斷與分斷能力不很理想，但是近幾年通過改性后的陶瓷材料熔斷特性以及直流分斷能力也能明顯改善甚至優于有機聚合物管體的熔斷器，分斷能力甚至大于50ka。相比有機管體的熔斷器，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熔斷器經過嚴格的測試檢驗，能極大滿足應用要求，并已實現部分國內組裝生產(ODM工廠為東莞博鉞電子有限公司)。

三、電動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。鋼殼電芯生產效率高，一致性能相對較好，鋼殼本身的支撐強度好，但是一旦發生安全問題，比如汽車發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。因此整個電池包的外面進行多層保護，以避免此類問題。軟包裝最大的特點是尺寸靈活，但是外部的保護顯得更加重要，從此點來看，兩種電芯各有優劣。此處過流的熔斷保護過程中，使用鋼殼鋰電芯電池包的電動汽車中，會為每一顆電芯配備一根導線式保險絲，以便在某一顆電芯出現過電流異常時，切斷電路，最大程度的保護整車安全。該保險絲對焊接要求較高，焊接過程中的缺陷直接關系到熔斷性能的一致性。在此過程中，此導線式保險絲是屬于主動熔斷模式，通過程序的控制來動作。如果做被動保護用，導線式保險絲的分斷能力較低，一旦動作，會加劇安全問題。

以上是目前電動汽車中圍繞動力電池應用的熔斷器，此外為了保障電池箱的安全，內部高壓回路里增加高壓互鎖回路(HVIL)中設置有手動維修開關(MSD)，以保證電池箱維修過程中不會發生人員觸電事故，而這其中也會安裝一顆熔斷器來進行保護。汽車的線束中也會應用熔斷器進行保護，從保護效果上看，設置在靠近蓄電池正極保護效果最佳又便于維修更換。隨著大電流熔斷器產品的面世，起動機電源線上也會采用熔斷器，因為任何線路都有可能發生短路故障，而且起動機電源線截面最大，短路瞬間，短路電流也最大。