龍成冰,吳 森,付 翔
(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢430070)
電動汽車主要包括混合動力電動汽車、純電動汽車和燃料電池電動汽車[1],現(xiàn)今的電動汽車還包括插電式混合動力汽車和增程式混合動力汽車[2]。插電式混合動力汽車、增程式混合動力汽車和純電動汽車的主要供能裝置均為動力電池,主要驅(qū)動裝置均為電機(jī),因而其附件均由動力電池直接驅(qū)動[3]。在電動汽車的實際運(yùn)行中,高壓部分采用同一電源,各高壓回路中的電壓、電流和功率相互影響。將電動汽車中的高壓電部分進(jìn)行集成,提出了高壓配電系統(tǒng)的概念。為了減少每個高壓回路出現(xiàn)高壓故障時相互的牽連作用,每個高壓回路和主回路均設(shè)置單獨(dú)的電流熔斷器。而電動汽車用電流熔斷器缺少標(biāo)準(zhǔn)和選型計算方法,導(dǎo)致車輛出現(xiàn)高壓故障時不正常熔斷。針對實車運(yùn)行中高壓配電系統(tǒng)出現(xiàn)的電流熔斷器熔斷現(xiàn)象,參考機(jī)車用高壓熔斷器標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計了相關(guān)的電動汽車用電流熔斷器熔斷試驗,提出了電動汽車用電流熔斷器的選型計算方法和注意事項,為電動汽車用電流熔斷器標(biāo)準(zhǔn)化提供了參考意見。
電動汽車用高壓配電系統(tǒng)主要用于對電動汽車各高壓回路中高壓驅(qū)動部件的高壓電進(jìn)行通斷控制,保護(hù)各高壓回路在出現(xiàn)短路和過流故障時及時切斷該回路,以免損壞整個高壓回路中的其他電器元件,特別是動力電池,同時也提高了整車安全性和可控性[4]。因此,高壓配電系統(tǒng)中接觸器、電流熔斷器和預(yù)充電阻是其最主要的3 個高壓電器元件。圖1 為電動汽車中最為復(fù)雜的一種高壓配電系統(tǒng)示意圖。
圖1 中,對于純電動汽車可以省略增程式部分;交流充電和直流充電可以根據(jù)電動汽車的要求進(jìn)行選配;對于非插電式電動汽車,不存在充電部分;部分附件設(shè)備根據(jù)電動公交車進(jìn)行選配,對于其他車型可以自由選配附件設(shè)備。
根據(jù)最新的國家標(biāo)準(zhǔn),交流充電額定電流有16 A 和32 A 兩種[5],屬于慢充,所需時間較長;直流充電電流有125 A 和250 A 兩種[6],屬于快充,所需時間較短。采用交流充電時,車輛需自帶車載充電機(jī)。目前運(yùn)行的電動公交車或電動通勤車,為了減少充電損壞對動力電池壽命損傷,一般選用小于100 A 的直流充電方式。
根據(jù)上述分析和純電動公交車的實際運(yùn)行要求,設(shè)計了如圖2 所示的高壓配電系統(tǒng)原理圖。圖2 中虛線表示直流高壓共負(fù)極,接觸器、預(yù)充電阻和電流熔斷器三者是其主要的電器元件,每個高壓回路均配有一個電流熔斷器。氣泵、油泵、DC/DC 和空調(diào)這四者由同一個接觸器KM3控制,即4 個附件回路并聯(lián)。
圖2 純電動公交車高壓配電系統(tǒng)原理圖
依據(jù)圖2 所設(shè)計的高壓配電系統(tǒng)原理圖選配元件,并開發(fā)相應(yīng)的高壓配電系統(tǒng),安裝在10 臺純電動公交車上進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行,期間出現(xiàn)的故障如表1 所示。在故障出現(xiàn)的過程中伴隨著兩種現(xiàn)象,一是高壓配電系統(tǒng)中熔斷的電流熔斷器附近出現(xiàn)了明顯的熏黑現(xiàn)象,高壓配電系統(tǒng)的上蓋有明火熏過的現(xiàn)象;二是部分高壓配電系統(tǒng)中充電連接器壓線末端的壓接銅條處有明顯的拉弧現(xiàn)象。
從表1 中的故障可看出,當(dāng)大電流導(dǎo)致一個附件回路中的部件損壞時,并聯(lián)的4 個回路中至少有兩個回路中的電流熔斷器熔斷,有時還伴隨著主回路的電流熔斷器熔斷。在故障6 中,由于氣泵回路的正負(fù)極反接,導(dǎo)致4 個附件回路和主回路的電流熔斷器均熔斷。在該高壓配電系統(tǒng)中所選的電流熔斷器為工業(yè)交流熔斷器,額定電壓為1 000 V AC,采用式(1)計算等效直流電壓:
式中:V1為所需選用直流熔斷器的額定電壓;V2為所需選用交流熔斷器的額定電壓。
通過式(1)計算所得到的等效直流額定電壓大于700 V DC,以下將設(shè)計試驗來模擬工業(yè)交流熔斷器和直流熔斷器的熔斷對比試驗,并測試其并聯(lián)4 個附件回路在出現(xiàn)過電流故障和短路故障時是否相互影響。
表1 高壓配電系統(tǒng)實車故障統(tǒng)計表
圖3 為圖2 的高壓原理簡化圖。故障6 中的高壓原理簡化圖如圖4 所示。
圖3 純電動公交車高壓原理簡化圖
圖4 單個附件回路高壓反接時高壓原理簡化圖
分析圖3 可知,除主回路F1外,其他回路在簡化圖中均是相互并聯(lián),且主回路電流熔斷器的額定值遠(yuǎn)大于附件中電流熔斷器的額定值。但實際故障中,在附件回路出現(xiàn)短路故障時,主回路電流熔斷器F1也可能出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象,因此,上述電流熔斷器電流計算選配方法存在不合理之處。分析圖4可知,當(dāng)一個附件回路出現(xiàn)正負(fù)極反接時,其部件中的電容將處于反極性充電狀態(tài),若熔斷器熔斷不及時,將導(dǎo)致該電容為其他并聯(lián)附件回路充當(dāng)電源,出現(xiàn)反相大電流,是故障6 中4 個附件回路和主回路熔斷器均熔斷的原因。為了防止并聯(lián)回路中電容引起的反向電流,電流熔斷器應(yīng)具有防倒流功能。在故障1 中,充電回路接觸器燒黏,充電回路電流熔斷器完好,說明電流熔斷器不能起到防過電流沖擊、保護(hù)接觸器的作用。在故障2 中,附件回路預(yù)充電阻燒毀,是由于熔斷器熔斷過程中,長時間處于拉弧狀態(tài),而預(yù)充接觸器又處于閉合狀態(tài),導(dǎo)致預(yù)充電阻過載運(yùn)行時間過長。
根據(jù)所設(shè)計的純電動公交車用高壓配電系統(tǒng),采用功率電阻代替車載附件,設(shè)計了如圖5 所示的試驗原理圖。試驗時,4 個并聯(lián)附件回路和主回路各裝有一個電流霍爾傳感器,用于測試電流熔斷器熔斷過程中各回路和主回路的電流,并通過電腦記錄,采樣時間步長為1 ms。試驗采用車用動力電池,額定電壓為600 V DC。
圖5 電流熔斷器熔斷試驗原理圖
按照試驗原理圖,所選電流熔斷器和功率電阻大小如表2 和表3 所示。
表2 交流熔斷器熔斷試驗所選電流熔斷器參數(shù)
表3 交流熔斷器熔斷試驗所配功率電阻阻值
交流熔斷器熔斷時各回路的電流變化曲線如圖6 所示。試驗中,F(xiàn)4熔斷時熔斷電流為169 A,約為額定電流的4 倍。從圖6 中可以看出,熔斷器F4通入169 A 電流經(jīng)過25 ms 后,熔斷器開始熔斷并產(chǎn)生電弧,此時電流開始下降,總電流也開始下降,同時其他3 路附件上流過的電流沒有明顯變化。電弧持續(xù)時,電流緩慢下降,持續(xù)時間為190 ms,電流由36.8 A 突降為0,表明此時熔斷器完全熔斷。另外,總電流一直等于其他4 個支路所產(chǎn)生的電流之和,表明在電流熔斷器熔斷時不會對其他支路電流產(chǎn)生影響,同時也不會使充電回路產(chǎn)生額外電流。由于電流熔斷器熔斷持續(xù)時間較長,不能及時滅弧,出現(xiàn)了噴弧現(xiàn)象,產(chǎn)生明顯火花。
按照試驗原理圖,所選電流熔斷器和功率電阻大小如表4 和表5 所示。
圖6 交流熔斷器熔斷時各回路的電流變化曲線
表4 直流熔斷器熔斷試驗所選電流熔斷器參數(shù)
表5 直流熔斷器熔斷試驗所配功率電阻阻值
直流熔斷器熔斷時各回路的電流變化曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出,F(xiàn)4熔斷時熔斷電流約為額定電流的8.5 倍。通入170 A 電流經(jīng)過2 ms后,熔斷器開始熔斷并產(chǎn)生電弧,此時電流開始下降,總電流也開始下降,同時其他3 路附件上流過的電流沒有明顯變化。電弧持續(xù)時,電流緩慢下降,持續(xù)時間為12 ms,電流由10.2 A 突降為0,表明此時熔斷器完全熔斷。熔斷時,熔斷器外觀沒有任何變化,也觀察不到任何現(xiàn)象。熔斷后的測量器溫度大約為27 ℃。另外,總電流一直等于其他4 個支路所產(chǎn)生的電流之和,表明在電流熔斷器熔斷時不會對其他支路電流產(chǎn)生影響,同時也不會使充電回路產(chǎn)生額外的電流。
圖7 直流熔斷器熔斷時各回路的電流變化曲線
采用阻性負(fù)載模擬電動汽車各并聯(lián)附件回路,其中單個并聯(lián)回路出現(xiàn)過電流熔斷時,對高壓配電系統(tǒng)中的其他回路不會產(chǎn)生影響。在選用電動汽車用電流熔斷器時,不可采用式(1)中的等效電壓。電流熔斷器的額定電壓和耐電壓值對電流熔斷器滅弧設(shè)計影響很大[7]。電動汽車根據(jù)自身的運(yùn)行環(huán)境和特點,對其直流高壓電流熔斷器提出了單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。
比較試驗中使用的交、直流電流熔斷器,同等電流的交流熔斷器安裝尺寸小于直流熔斷器,且交流熔斷器內(nèi)部采用石英砂,結(jié)構(gòu)松散;而直流熔斷器采用壓緊式填埋方式,外部鏈接部分不留縫隙,說明熔斷時的滅弧設(shè)計是電流熔斷器的一大難點。對電動汽車而言,追求結(jié)構(gòu)緊湊、小型化和低成本也給設(shè)計電動汽車電流熔斷器帶來了困難。
對于電流熔斷器,先核算分?jǐn)嗄芰?,即最大分?jǐn)嚯娏?,如?2)所示:
式中:Umax為動力電池最大電壓;R為該回路短路時等效電阻。
電動汽車各高壓回路在選擇電流熔斷器時,首先根據(jù)最大輸出功率、動力電池額定電壓和效率計算該回路最大電流,如式(3)所示:
式中:P為回路最大輸出功率;U為動力電池額定電壓;η 為回路總傳遞效率。
綜合修正系數(shù)為:
式中:Kt為環(huán)境溫度修正系數(shù);Ke為熱連接修正系數(shù);Kv為風(fēng)冷修正系數(shù);Kf為頻率修正系數(shù);Kb為負(fù)荷常數(shù)。
根據(jù)所在回路負(fù)載的不同,需要添加一個放大系數(shù)K,對于阻性負(fù)載回路,K取1.5 左右;對于容性負(fù)載回路考慮到上電沖擊,K取2 左右;對于驅(qū)動電機(jī)回路,K取1.2 ~1.5[8]。
電流熔斷器所需最小額定電流為:
焦耳積分值為:
其中:I為短路熔斷電流;t為短路容許熔斷時間。
在選擇電流熔斷器時,需要參考電流熔斷器的熔斷時間與熔斷電流關(guān)系圖,以便合理地保證電流熔斷器在容許時間內(nèi)熔斷。
(1)電流熔斷器在正常熔斷時不可出現(xiàn)下列任何一種現(xiàn)象:產(chǎn)品引燃(除紙質(zhì)標(biāo)簽或作熔斷指示裝置用的類似品外);致使周圍其他裝置發(fā)生損壞;產(chǎn)品發(fā)生機(jī)械性碎裂損壞;產(chǎn)品端帽的蓋板或觸刀燒壞或熔化;端帽的蓋板或觸刀顯著位移變形。
(2)電流熔斷器必須為快速電流熔斷器。
(3)熔斷器必須為相應(yīng)直流電壓下的直流電流熔斷器,不可用交流電流熔斷器替代。
(4)需對熔斷器進(jìn)行振動耐久性試驗、振動沖擊試驗、鹽霧試驗和溫度沖擊試驗等車輛的一般測試試驗[9]。
(5)熔斷器固定方式一般采用螺栓式。
(6)熔斷器應(yīng)具備防電流倒流功能。
對電動汽車用電流熔斷器而言,目前可以參考的標(biāo)準(zhǔn)有QC/T 420 -2004(汽車用熔斷器-32V DC 以下)[10]和GT/B 21413.5 -2008(機(jī)車車輛電氣設(shè)備高壓熔斷器規(guī)則)[11]。對于電動汽車特殊的電壓等級和運(yùn)行環(huán)境要求,有必要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
針對純電動公交車設(shè)計的高壓配電系統(tǒng)在實車運(yùn)行中的故障現(xiàn)象分析和對故障中電流熔斷器進(jìn)行試驗研究,表明電動汽車中電流熔斷器只有在回路出現(xiàn)短路和長時間的過電流情況下才能起到熔斷保護(hù)作用,在短時間的電流沖擊(容性負(fù)載回路上電沖擊)下無法起到保護(hù)作用,高壓回路中各回路在單個電流熔斷器熔斷時不會對其他高壓回路產(chǎn)生影響。通過對高壓故障理論分析,提出電流熔斷器需要帶有防電流倒流的功能,以及對電動汽車用電流熔斷器提出了選型計算方法和注意事項。
[1]GB/T 19596 -2004,電動汽車術(shù)語[S].
[2]宋珂,章桐. 增程式純電驅(qū)動汽車動力系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù),2011(7):14 -19.
[3]建新,鄭榮良,卓斌,等.電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程,2007(4):308-312.
[4]曹正策,龍成冰,楊蕓蕓.電動汽車用高壓配電系統(tǒng)[P].中國:CN102923070A,2013 -02 -13.
[5]GB/T 20234.2 -2011,電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第三部分:交流充電接口[S].
[6]GB/T 20234.3 -2011,電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第三部分:直流充電接口[S].
[7]毛柳明. 高壓限流熔斷器開斷過電壓研究[D]. 武漢:華中科技大學(xué)圖書館,2006.
[8]秦增煌.電工學(xué)-電工技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004:268 -273.
[9]QC/T 413 -2002,汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件[S].
[10]QC/T 420 -2004,汽車用熔斷器[S].
[11]GB/T 21413.5 -2008,鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛電氣設(shè)備 第5 部分:電工器件 高壓熔斷器規(guī)則[S].