电动汽车的安全性分析--熔断保护

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图 1、HEV 混合动力汽车电池驱动系统原理（红方块为直流熔断器位置） 为此，2001 年国家质检局和标准委在 GB/T 18384.2-2001《电动汽车安全要求》的第 2 部分：功能 安全和故障防护的第 5.5 条 “过电流切断装置”一节中明确规定：“当电流过大时，应使用一个电路保护器、 切断装置或熔断器断开车载电源（例如动力蓄电池）的至少一个电极。该装置可以是 4.5 规定的主开关， 或是 GB/T 18384.1 第 7 章规定的动力蓄电池的过电流断开器。每次电源切断后，在故障明确的情况下， 应允许仅通过正常的电源接通程序来重新给驱动系统供电”。 2005 年，又在 GB/T19751-2005《混合动力电动汽车安全要求》的第 4.1.1.5 条中更加明确地规定： “动力蓄电池和动力电路系统应通过断路器和熔断器进行保护，该装置应能在车辆制造厂规定的过流、与 动力蓄电池连接的电路出现短路的情况下，自动断开与动力蓄电池的连接电路。该装置的响应时间应由车 辆制造厂根据动力蓄电池参数、动力蓄电池和电路发生过流或短路的防护方式来确定”。由此可见，用直流 超快速熔断器保护电动汽车动力电池，不仅是熔断器自身具有诸多优势条件，也是国际通行公认的有效措 施，更是国家标准明确规定不可或缺的必要手段。 电动汽车早在 20 世纪初期就已经出现在美国，由于当时的铅酸电池储能量不高，尤其是当时的燃油价 格很低，使用电能反不如燃油经济实惠，因而电动汽车仅仅昙花一现就销声匿迹了。人类工业经济在经历 了 100 多年的曲折发展后，电动汽车在近几年又被普遍关注地提到了议事日程，一方面是因为石油资源匮 乏和价格高昂以及环境保护的巨大压力，更是因为现今的工业科技水平已经有了超前的进步，大容量长寿 命的锂电池与 F 级超级储能电容器，能够为现代电动汽车提供强大的驱动功率和远距离的续驰能力。这两 个关键要素决定了电动汽车能再一次重登历史舞台，向传统燃油型汽车挑战并获得并驾齐驱的历史机遇。 A. 电动汽车的类型：电动汽车按照驱动原理分为两大类型：纯电动型（EV），是未来的发展方向，或是混合 动力型（HEV），又分为串联、并联外插电混动式（PHEV）三种结构。无论是纯电动型还是混合动力型电
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对一些比较敏感脆弱的半导体器件如晶体管、整流二极管、晶闸管等传统产品，通过电流偏大，时 间稍长就会发生烧毁，故要求熔断器应在几秒或几十毫秒时间内熔断，这种熔断器用纯银制作熔片，国 际标准定性为“半导体设备保护熔断器”，特性代号 gR/aR，执行 IEC60269 第 4 部分技术规定，也称“标 准快速熔断器”。 近 10 年内，不断涌现出半导体类新产品，目前应用于功率变换器的电子开关器件主要有 GTO、BJT、 MOSFET、IGBT 和 MCT 等，由于 IGBT 集 BJT 和 MOSFET 特点于一体，所具有的高阻抗压控栅极， 可明显降低栅极驱动功率，从而可使栅极驱动电路集成化；并且 IGBT 具有的极短的开关时间，可使系 统具有快速响应能力并减小了开关损耗，降低了噪声，因此 IGBT 是很好的开关器件。这些新型模块结 构紧凑体积小巧，功率强大价格昂贵，对大过载电流非常敏感而极易烧毁，短路电流瞬时通过就会导致 爆炸毁损，标准快速熔断器对此已经无能为力，必须采用开断速度更快的（几个毫秒内）超快速熔断器 进行保护，才能对新型电子开关器件实施安全有效的开断和防炸裂保护。
图 A 混合动力汽车圆管型 BTZ 熔断器
图 B 电动轿车方管型 FTZ 熔断器
当电气系统出现过载故障电流时，通过熔断器的电流迅速增大，通过熔断片的电流密度增大而导致熔 断片中部温度骤然升高，当温度达到纯银的自身熔点 960° c 时，熔断片开始由固态熔化为液态，全部熔化 后渗入周围的石英砂缝隙，从而切断电路中的故障电流，整个过程约需几十秒的时间，因为熔断器对过载 电流反应较为迟钝，一般多用断路器或热继电器做过载保护。 当回路出现巨大的短路电流时，通过熔断片的电流在极短时间内急速增大，导致熔断片的细颈在极短 的瞬间从固态直接烧熔而汽化，产生强烈的栅状电弧离子气体，限制短路电流的顺畅通过，并在周围石英 砂的紧密包围和强迫冷却下，迅速熄灭并断开高温高压电弧桥，截断短路电流的通道，达到安全高速开断 的效应，整个过程仅需要几个毫秒的时间。 由于熔断器的动作原理简单，制造成本低，限制开断故障电流的安全可靠性强，是过电流特别是短路 保护最有效的电器元件，历经长期的沿用变革，不仅未被开关电器替代和淘汰，相反在现代工业和民用电 气系统，愈来愈得到更为广泛的应用。
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1.3 燃弧能量和强制熄灭时间 当直流电路发生短路故障电流时（如图 6 所示），电流呈指数态势上升（如图 7 所示），电流瞬时值为：
R t i I A1 e L
(1)
式中： I A U ， L 时间常数
R R
熔断器燃弧时间和燃弧 I² t 取决于其内部在此时间段熄灭电弧的能量消耗和强制熄弧能力，在 燃弧时间内产生的电弧能量也就是在熔断器内部所消耗的开断能量。电弧能量 Wa 为：
a. 直流电路发生短路故障示意图 （U-电源 R-阻抗 L-感抗 F-熔断器）
b. 直流故障电流呈指数趋势上升曲线 （L/R—时间常数；IA—直流故障电流）
c. L/R 值较小时燃弧电流与燃弧时间的曲线
d. L/R 值较大时燃弧电流与燃弧时间的曲线
直流电路系统发生短路故障电流的过程，始终存在着一个交流电路系统所没有的 “时间常数”问题，由 以上 a.b,c,d 图可以看出，直流电路系统的时间常数 L/R 值，对短路电流的大小和发生过程的时间长短具 有重要的影响作用，同时还决定了短路电流燃弧过程产生的焦耳积分能量值的大小。不同车型和不同功 率的汽车电路中必然有不同的 L/R 值存在，但配装的直流熔断器都必须安全可靠地开断在各种 L/R 下发 生的短路故障电流。 1.2 熔断特性差异--直流熔断器与交流熔断器都属于限流熔断器的范畴，外形结构十分相似，但开断电流过 程有很大差别，主要差异有下列三种情况： （1） 交流电呈正弦波形交替传导，每周波有一个过零点，此时电量值最低很容易熄灭电弧；而直流电 的任何波形都不存在过零点，在开断直流短路故障电流时，全靠熔断片的迅速汽化和石英砂的扩 散吸附和冷却作用强迫熄灭电弧，因此要比开断交流电弧困难得多。 （2） 直流回路存在着 L/R 时间常数，尤其在大的时间常数下，高压高温电弧的 I² T 值很大，安全开断 的难度更大。 （3） 对低的直流过载电流，持续发生的电弧在石英砂中的扩散作用大为降低，将产生另一种电流开断 的困难，而交流电路一般不会存在这种情况。
Wa WL WS WR
式中：Wa 电弧能量（ 即
(2)
u a 是熔断器内部的电弧电压）
(3)
Wat pu a dt
tt
WL 在弧前周期终点处存在于电感中的能量
即
WL
1 LI c2 2
(4)
WS 在电弧熄灭过程中由电源供应的能量
即
WS
外插电式充电装置原理图 地面充电装置是将电网的交流电通过滤波整流后充入车载动力电池，由于充电站要能同时为多台车辆充电， 其输出功率将达到 50-300KW 或更大，交流电输入装置内部的滤波器到 AC 逆变器再到 DC 整流器输出的 各主要环节以及输电线缆本身，均需要大小不等的各种超快速熔断器作安全保护。
C. 插电式充电装置：电动汽车目前公认最佳充电方式是外插电模式，因为燃油车加油只需几分钟时间，而效 率最高的快速充电设备，至少也要 15-30 分钟才能充到 80%的电量，如达到 100%的满充则需要 5-10 个小 时。电动汽车利用自身发电机充电，势必加大燃油消耗减少驱动功率；停车充电时间过长又不切合实际。 如果利用夜间在充电站的停车场或居住社区的充电桩采用外插电充电，完成长时间的满容量充电，无疑是 最经济方便的有效措施。
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动汽车，它们的驱动方式和车型结构虽然不同，但其内部必有一个车载动力蓄电池和一个逆变器（也称 “变 流器”），来完成 AC/DC 转换和充放电变换。直流超快速熔断器就串联安装在车内的动力电池和逆变器系 统中，当动力电池处于充电状态时（自充电或外插充电），熔断器对动力电池实施输入电流的过电流短路保 护，防止故障电流对蓄电池造成伤害。当蓄电池处于放电工作状态时，熔断器反向对逆变器以及电动机系 统实施过电流防护，防止电动机系统因自身故障出现的短路电流反向回串到动力蓄电池。 B. 动力蓄电池系统：采用锂电池有许多独特的技术优势，已经成为国内外电动汽车配置的一个发展趋势，但 锂电池的主要缺点是不耐过充电、过放电及大的过电流，因此当过大电流通过时易产生短路现象，还可能 造成电池的毁损。故锂电池一般都要设置内外部电路保护装置，以防万一被错误使用或充电器状态不良而 导致短路大电流通过时，保护装置能自动有效地切断电路，以确保电池系统安全。电动汽车自充电功能虽 然很必要和很实用，但增加了车辆自重和功率耗损，尤其是当纯电动汽车一旦电池耗尽就会寸步难行。
电动汽车是集现代高科技、高电子、高材料技术与制造技术一体化的高端工业产品，依赖动力电池驱 动并依靠充电器补充能源，熔断器在系统中担负串接通电和安全保护的双重功能（见图 1），关系着车辆与 人身的整体安危，因此，对电动汽车实施保护的熔断器，必须是直流型的能够超快速开断的毫秒级精准产 品，否则当短路电流出现的瞬间不能迅速安全断开电路通道，让短路故障电流直接冲击蓄电池或击毁逆变 器的 IGBT 集成模块组，其灾难性的后果不堪设想。
1. BTZ 混合动力车用圆管型熔断器
2. BTZ 熔断器安装在东风混动公交大巴
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用直流超快速熔断器保护电动汽车动力电池和充电设备，必须完成 4 个关键问题的研究和验证： 1. 熔断器保护动力电池的安全可靠性研究； 2. 熔断器保护变流器 IGBT 的可靠性研究； 3. 熔断器电气开断性能指标的一致性研究 4. 熔断器结构材料强度与耐高温可靠性研究； 这四个关键问题，决定了速熔断器能否对电动汽车实施有效的短路开断以及熔断器安全指标和开断电弧 过程的可靠性。 1.1 对动力蓄电池和逆变器 IGBT 实行熔断器保护的安全可靠性研究，需要对熔断器开断直流短路电流时 的电弧现象有基本的了解。 熔断器有交流型和直流型之分，两者不可混用，如果将同一电压的交流熔断 器当直流熔断器装在直流回路使用，会产生严重的后果，因为两者的设计原理不同，开断特性不同，承 受电弧能量不同，电弧熄灭过程也不同。