目前，EV/HEV由相對(duì)昂貴的部件（如電池、電力電子部件、接觸器等）組成，為保護(hù)這些部件免受電涌和故障的影響，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要方面是合理選擇Fuse（熔斷器）。隨著EV/HEV電氣化方案的不斷發(fā)展推進(jìn)，對(duì)熔斷器提出了更具挑戰(zhàn)性的要求。

【一】EV/HEV高壓熔斷器

對(duì)于傳統(tǒng)行業(yè)用保護(hù)熔斷器，廠商一般根據(jù)已頒布標(biāo)準(zhǔn)IEC60629、UL248（美國(guó)）和VDE0636/0635（德國(guó)）進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試。在EV/HEV中引入高壓熔斷器時(shí)，目前主要有JASO D622（日本）和ISO 8820-7/8（兩者適用于450VDC，GB/T31465引用類(lèi)同）以及OEM的制造標(biāo)準(zhǔn)。

由于新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化在前，標(biāo)準(zhǔn)化在后，EV/HEV較早應(yīng)用的高壓熔斷器基本從傳統(tǒng)行業(yè)熔斷器演化而來(lái)。相對(duì)而言，汽車(chē)級(jí)高壓熔斷器與傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用存在一定差異性，主要如下：

◆應(yīng)用環(huán)境：傳統(tǒng)行業(yè)熔斷器主要基于AC工況，EV/HEV為DC電壓；

◆循環(huán)載荷：EV/HEV電流載荷難以定義，取決于車(chē)輛啟停、駕駛行為等；

◆環(huán)境溫度：汽車(chē)級(jí)熔斷器環(huán)境溫度曲線更復(fù)雜（高溫/低溫）；

◆沖擊和振動(dòng)：更高的沖擊與機(jī)械振動(dòng)；

◆空間和重量：汽車(chē)級(jí)熔斷器安裝選項(xiàng)更苛刻。

熔斷器是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的載流裝置，典型的熔斷器由一個(gè)或多個(gè)熔體經(jīng)作為滅弧介質(zhì)的填充物（諸如硅砂之類(lèi)）包圍組成。不同區(qū)域應(yīng)用，熔斷器式樣及安裝方式不盡相同，但熔斷器結(jié)構(gòu)構(gòu)成基本一致，如下所示：

圖1.高壓熔斷器結(jié)構(gòu)組成示意圖

其中，熔體材質(zhì)、熔體凹口配置、填充物質(zhì)及加工質(zhì)量都影響熔斷器分?jǐn)嘈阅?。目前，市?chǎng)上EV/HEV用熔斷器熔體材質(zhì)以銀為主，熔體形狀在一定程度上可分為帶狀和絲狀兩種，改變截面形狀可顯著改變?nèi)蹟嗥鞯娜蹟嗵匦?。熔斷器外殼主體（材質(zhì)需具備一定的承壓、耐溫能力）主要采用陶瓷（具有較好的導(dǎo)熱、耐溫性能）或環(huán)氧玻纖管（抗彎強(qiáng)度高、低成本）系列。一般選用石英砂（具有良好穩(wěn)定的物理/化學(xué)特性）作為填充物（有效減少Fuse中的氣體間隙），通過(guò)填充物提供有效熱傳遞，過(guò)流分?jǐn)鄷r(shí)吸收電弧能量（填充物不同的填充方式影響滅弧、分?jǐn)嗄芰Γ?/p>

在正常情況下，熔斷器承載電流。當(dāng)發(fā)生持續(xù)的過(guò)流時(shí)，熔斷器比填充物將熱量導(dǎo)出更快的速率產(chǎn)生熱量，如果過(guò)流持續(xù)存在，則熔體凹口將達(dá)到其熔點(diǎn)并斷開(kāi)。過(guò)電流越大，熔體熔化得越快，即熔斷器具有反時(shí)限電流特性，這也是保護(hù)導(dǎo)體和電氣設(shè)備的理想特性。

圖2.熔斷器短路過(guò)流分?jǐn)嗍疽鈭D

【二】EV/HEV高壓熔斷器應(yīng)用

現(xiàn)階段，EV/HEV熔斷器市場(chǎng)生態(tài)主要由Eton（愛(ài)爾蘭）、Littelfuse（美國(guó)），Sensata（美國(guó)），Mersen（法國(guó)）、Pacific Engineering（日本）、Siemens西門(mén)子（德國(guó)）、安森美半導(dǎo)體（美國(guó)）等制造商組成。

為正確選擇適用于EV/HEV開(kāi)發(fā)車(chē)型的高壓熔斷器 ，除了需要了解熔斷器本身的性能參數(shù)（電壓降、溫升、分?jǐn)嗵匦?、溫變沖擊、抗振性等）及直流保護(hù)關(guān)鍵特性（如L/R時(shí)間常數(shù)）之外，還需要結(jié)合車(chē)型高壓電氣平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用工程（考慮協(xié)作保護(hù)等）。

熔斷器選型關(guān)鍵參數(shù)如下：

表1.熔斷器參數(shù)基礎(chǔ)需求

【額定電壓】

熔斷器額定電壓等級(jí)決定了抑制電弧放電的能力大小，如果使用低于電路最大電壓的熔斷器，在一些過(guò)流條件下，則可能無(wú)法清除過(guò)流風(fēng)險(xiǎn)。因此，EV/HEV用熔斷器，其額定電壓必須大于電路最大電壓。其中，值得注意的是：

a）電路最大電壓不是車(chē)輛動(dòng)力電池標(biāo)稱(chēng)電壓或最大工作電壓，而是電路在各工況下（包括故障電壓）實(shí)際可能出現(xiàn)的峰值電壓。

b）制造商給出的保護(hù)裝置的DC標(biāo)稱(chēng)工作電壓通常對(duì)應(yīng)于具有特定電感的電路，若隨著電路中相對(duì)電感增加（L/R時(shí)間常數(shù)增大），則須降低額定值。

c）交流的正弦特性（自然過(guò)零）有助于熔斷器熄滅殘余電弧，而在EV/HEV電壓保持恒定的直流系統(tǒng)中則不是這種情況。

一些交流熔斷器也適用于直流電路應(yīng)用，但沒(méi)有“經(jīng)驗(yàn)法則”可以將熔斷器上的交流額定電壓安全地轉(zhuǎn)換為額定直流電壓，因此測(cè)試是確定標(biāo)定AC電壓熔斷器的直流電壓能力的唯一可靠方法。

鑒于此，各制造商在基于傳統(tǒng)行業(yè)熔斷器的基礎(chǔ)上，需要經(jīng)過(guò)特定應(yīng)用測(cè)試推出適用于EV/HEV的專(zhuān)用DC熔斷器新品。

【額定電流】

熔斷器額定電流是它可以連續(xù)承載的RMS電流，在EV/HEV環(huán)境中，需要針對(duì)每個(gè)特定應(yīng)用重新評(píng)估熔斷器的額定電流值，以確保所選擇的熔斷器不會(huì)超出其當(dāng)前的承載能力而導(dǎo)致過(guò)早老化或誤動(dòng)作。

a）在不考慮過(guò)載和循環(huán)負(fù)載的影響下，通過(guò)熔斷器的實(shí)際RMS穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流應(yīng)低于或等于計(jì)算出的最大允許額定負(fù)載電流——熔斷器額定電流的基本選擇標(biāo)準(zhǔn)。

在適用于IEC60629、UL248工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，熔斷器應(yīng)用特性已經(jīng)過(guò)大量測(cè)試實(shí)踐，在不同條件影響的環(huán)境中需降額使用已成共識(shí)（如溫度降額、熱連接降額、高空降額等）。對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境，由于各熔斷器廠商提供的額定電壓等級(jí)、電流時(shí)間熔斷曲線等參數(shù)性能是在特定的測(cè)試條件下得出，因此在不同環(huán)境工況下，也需要進(jìn)行選型校正。

表2.熔斷器測(cè)試條件與車(chē)輛應(yīng)用環(huán)境

b）由于EV/HEV動(dòng)力及載荷需求的不斷變化，熔斷器將承受規(guī)則或不規(guī)則的循環(huán)電流，為避免熔斷器敏感的熔體過(guò)早出現(xiàn)疲勞，需要根據(jù)車(chē)輛大量模擬典型駕駛條件的配置文件，計(jì)算并確保熔斷器具有適當(dāng)?shù)陌踩６取?/p>

在考慮安全裕度情況下，，其中G系數(shù)在工業(yè)行業(yè)中一般推薦為1.6，EV/HEV環(huán)境下G系數(shù)具體由熔斷器制造商提供（舉例，ETON推薦值為1.3）。

c）由于車(chē)輛高壓回路存在一次性的脈沖過(guò)載電流，比如在回路接通/斷開(kāi)瞬間，通常持續(xù)時(shí)間較短。隨著車(chē)輛頻繁使用，脈沖電流在許多情況下將在器件整個(gè)壽命期間內(nèi)發(fā)生數(shù)千次，導(dǎo)致熔斷器過(guò)早疲勞損壞，即使在正常操作條件下熔斷器也會(huì)在某些時(shí)刻中斷，因此需要對(duì)脈沖電流進(jìn)行評(píng)估。

最常用于檢查熔斷器是否可以承載“浪涌”的方法是將的幅度、持續(xù)時(shí)間與保險(xiǎn)絲的時(shí)間/電流曲線進(jìn)行比較，由此可以快速地確定是否會(huì)導(dǎo)致熔斷器熔斷。為了要避免過(guò)早的熔斷器損壞，和熔斷器的實(shí)際分?jǐn)嚯娏髦g須有足夠的余量。作為準(zhǔn)則值，一般推薦比例為，幅值約為熔斷器分?jǐn)嚯娏鞯?0%~60％。

圖3.熔斷器與熔斷曲線對(duì)比舉例示意圖 

【保護(hù)協(xié)作和I2t】

為響應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)安全條例對(duì)高壓系統(tǒng)過(guò)流斷開(kāi)裝置的設(shè)計(jì)要求，在EV/HEV高壓電氣架構(gòu)中，普遍通過(guò)Fuse和接觸器組合協(xié)調(diào)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)RESS（車(chē)載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)）及其他高壓系統(tǒng)的過(guò)流斷開(kāi)和切斷。

一般而言，EV/HEV通過(guò)過(guò)載電流檢測(cè)會(huì)切斷接觸器，而熔斷器則應(yīng)用于短路大電流保護(hù)。理想的保護(hù)是熔斷器作為第一個(gè)被觸發(fā)（熔斷器具備任何保護(hù)系統(tǒng)的最低初始成本）并且能夠在任何其他保護(hù)元件開(kāi)始動(dòng)作之前正確地清除故障。挑戰(zhàn)在于熔斷器需要在接觸器過(guò)熱或超過(guò)其斷開(kāi)狀態(tài)之前動(dòng)作，并且整個(gè)EV/HEV高壓系統(tǒng)具有多個(gè)電路，各支路熔斷器之間需要選擇性協(xié)調(diào)。

a）為避免短路故障時(shí)熔斷器不分?jǐn)喽渌骷ㄈ缃佑|器、線纜）損毀，則需要核算回路中熔斷器與其保護(hù)對(duì)象之間的I2t。

b）基于各系統(tǒng)部件在EV/HEV電氣并聯(lián)架構(gòu)，車(chē)輛各電路之間存在一定關(guān)聯(lián)，驅(qū)動(dòng)主回路與其他輔助系統(tǒng)回路之間存在紋波電流（尤其在車(chē)輛加速/減速過(guò)程）。為避免系統(tǒng)之間的紋波電流造成熔斷器非正常分?jǐn)?，需要各部件電路設(shè)計(jì)時(shí)（如母線電路類(lèi)型、容量大小等）合理設(shè)計(jì)。

圖4.EV高壓電氣架構(gòu)簡(jiǎn)單示意圖

【三】EV/HEV高壓熔斷器挑戰(zhàn)

EV/HEV的日益普及將確保熔斷器有一個(gè)高增長(zhǎng)市場(chǎng)，但車(chē)輛電氣化的不斷發(fā)展對(duì)熔斷器應(yīng)用增加了復(fù)雜性。

a）EV/HEV熔斷器使用標(biāo)準(zhǔn)正引發(fā)問(wèn)題

隨著EV/HEV電氣解決方案的不斷推進(jìn)演化，OEM正在制造具有更大功率、更大續(xù)駛里程且可以更快速充電的車(chē)型，而對(duì)于更高的電壓平臺(tái)（800~1000VDC），熔斷器將缺少認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。全球還沒(méi)有完全統(tǒng)一的新能源汽車(chē)高壓熔斷器法規(guī)，熔斷器缺乏全球化認(rèn)證體系，不同的OEM、產(chǎn)品供應(yīng)商有可能采用具有相互沖突的產(chǎn)品規(guī)格要求/設(shè)計(jì)，使車(chē)輛整個(gè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨時(shí)間和額外的成本挑戰(zhàn)。

另外，隨著車(chē)輛DC電壓平臺(tái)上升以及OEM客戶(hù)的特定要求不斷強(qiáng)化，熔斷器的體積和重量將面臨設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

b）EV/HEV熔斷器系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)

除了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系不足之外，OEM不僅僅需要僅限組件的基礎(chǔ)上選擇熔斷器，還需要將它們用作系統(tǒng)的一部分。此意味著熔斷器不僅要求在元件級(jí)別（作為個(gè)體）符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，還需要在系統(tǒng)層面（與其他電氣設(shè)備共同工作時(shí)）滿(mǎn)足功能特性。

熔斷器需滿(mǎn)足EV/HEV系統(tǒng)集成性能，這將會(huì)給汽車(chē)熔斷器制造商帶來(lái)更多挑戰(zhàn)，例如，不同EV/HEV中并沒(méi)有明確定義各自的啟停和加速特性，熔斷器匹配的負(fù)載電流曲線隨機(jī)而多變，這就要求熔斷器制造商與OEM車(chē)型平臺(tái)開(kāi)發(fā)進(jìn)行更緊密的配合。

c）國(guó)產(chǎn)熔斷器品牌服務(wù)能力缺失

隨著國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)熔斷器品牌近兩年也異軍突起，且身份慢慢從國(guó)外產(chǎn)品的模仿/追趕者向作為自主品牌的競(jìng)爭(zhēng)者轉(zhuǎn)變。令人擔(dān)憂(yōu)的是一些國(guó)產(chǎn)品牌在市場(chǎng)上攻城略地的同時(shí)，只注重產(chǎn)品價(jià)格而非專(zhuān)業(yè)服務(wù)價(jià)值——產(chǎn)品質(zhì)量控制過(guò)于簡(jiǎn)單，試驗(yàn)報(bào)告過(guò)于形式化，故障分析能力簡(jiǎn)單粗暴。

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)股比限制取消，可預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)新能源行業(yè)和零部件產(chǎn)業(yè)格局勢(shì)必改變，國(guó)內(nèi)熔斷器品牌現(xiàn)階段唯有不斷提升專(zhuān)業(yè)服務(wù)能力方能占據(jù)一席之地。

【四】總結(jié)

由于EV/HEV所面對(duì)的應(yīng)用工況具有多樣性，僅用單一的方法來(lái)匹配設(shè)計(jì)所有車(chē)型顯得不切實(shí)際。熔斷器是電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中最重要的電氣部件之一，作為一次性不可逆保護(hù)元件，意味著一旦分?jǐn)?，?chē)輛在正常行駛時(shí)將面臨失去動(dòng)力或其他風(fēng)險(xiǎn)，因此正確選擇熔斷器對(duì)車(chē)輛非常重要和關(guān)鍵。

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