48 V電池繼電器和熔斷器的選型及驗證

高 恒,張 璐,張 鵬,梁秋陽,黨 鑫

(1.武漢理工大學 汽車工程學院,湖北 武漢 430070;2.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430070;3.上汽通用汽車股份有限公司 武漢分公司 ,湖北 武漢 430000;4.中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司, 湖北 武漢 430056)

電動汽車、混合動力汽車和增程式汽車相比傳統燃油車都增加了動力電池系統,其中繼電器和熔斷器是保證動力電池系統安全穩定運行的重要零件。國家標準也對動力電池的繼電器和熔斷器提出了應用要求,通過繼電器和熔斷器的配合在實現電路開關的功能上保證線路過流等情況下的安全性,因此繼電器和熔斷器的匹配及選型對于電氣系統和儲能系統開發有著重要意義[1-2]。目前大多數研究只關注繼電器或者熔斷器單個器件的材料分析和選型要求等,將繼電器和熔斷器進行結合匹配的選型及驗證較少。在實際應用中,繼電器與熔斷器作為一個系統共同承擔電路開斷控制和安全保護的功能。因此筆者基于系統的典型工況和失效模式分析,對繼電器與熔斷器的匹配選型及驗證方法進行研究[3-4]。

1 繼電器結構和主要參數

1.1 繼電器結構

新能源汽車使用的繼電器一般為直流繼電器,是一種通過低壓電路來控制高壓電路的開關。圖1為一種典型的直流繼電器結構,主要由線圈、彈簧、動觸橋及動觸點、靜觸橋及靜觸點構成。在電路中起到常開、常閉和安全保護的作用。

圖1 直流繼電器結構示意圖

繼電器的工作狀態切換通過低壓線圈控制,當線圈沒有通電時,動觸橋被彈簧頂起,動觸點和靜觸點分離并保持安全間隙,繼電器狀態為常開,此時高壓回路保持斷開。當需要高壓線路接通時,通過給低壓線圈供電,線圈產生的磁場將動觸橋吸合,此時動觸點與靜觸點接觸,繼電器狀態為閉合,高壓回路接通。在動力電池中,根據系統控制邏輯通過低壓線圈可以控制電池的連接狀態。

1.2 繼電器的主要參數

在新能源汽車中使用的高壓直流繼電器的主要參數包括觸點參數、線圈參數和機械性能參數3部分,線圈參數包括驅動電壓、線圈電阻和動作電壓。動、靜觸點需要考量的性能參數包括觸點額定負載、觸點形式、電流耐受、最大切換電壓、最大分斷電流、電耐久性(電氣壽命)、觸點材料和接觸電阻。觸點主要參數如表1所示。

表1 繼電器觸點參數

線圈參數中驅動電壓是指低壓線圈的額定電壓,為了保證繼電器工作的可靠性,就要保證線圈工作電壓的穩定性。線圈工作不穩定容易加劇觸點彈跳,造成觸點熔焊、虛接等缺陷,通過合理的線圈驅動電路設計可以有效減小線圈對繼電器可靠性的影響[5]。

繼電器機械參數包括沖擊穩定性、沖擊強度、振動穩定性和振動強度等,選型時需要結合實際考慮[6]。

2 熔斷器的功能和主要參數

2.1 熔斷器功能

國家標準和企業標準都對儲能系統和高壓總線有保護要求,在出現過流等工況時要求繼電器主動斷開或者熔斷器熔斷實現電池包斷路保護,尤其是繼電器發生觸點粘連時,必須依靠熔斷器快速有效地切斷電路,避免短路、過流等故障造成更嚴重的后果。熔斷器主要分為快熔式和慢熔式,快熔式一般用在小電流回路,慢熔式熔斷器一般用在長時間脈沖電流或大電流回路[7]。

2.2 熔斷器主要參數

熔斷器選型主要考慮的參數是負載類型、額定電壓、額定電流、沖擊電流、工作溫度、熔斷時間和電流特性等。根據主要參數和熔斷器供應商提供的產品數據可以對熔斷器型號進行選擇。

3 繼電器和熔斷器選型

圖2為動力電池內部回路的電路原理圖,電池模組通過串聯繼電器和熔斷器實現了電路開關控制和過流保護。筆者基于繼電器和熔斷器的特性及參數,根據48 V動力電池的典型工況和負載參數,對48 V動力電池的繼電器和熔斷器制定選型策略。

圖2 動力電池系統電路示意圖

3.1 典型工況分析

繼電器和熔斷器的選型應該基于動力電池工作的典型工況。如車輛啟動時繼電器閉合、啟停時48 V電機工作、急加速時48 V電機補充扭矩、行車充電、能量回收和DC-DC(direct current-direct current)電壓轉換器工作。在這些工況中DC-DC額定功率為1.5 kW,且無脈沖電流。48 V電機的額定功率為3.5 kW,峰值功率為8 kW,保持時間為10 s。

48 V動力電池的基本參數如表2所示,其放電功率及峰值電流滿足48 V系統的工作要求。

表2 48 V動力電池參數

定義48 V電池輸出的額定功率為48 V電機額定功率即3.5 kW。48 V電池輸出的峰值功率為電機峰值功率和DC-DC額定功率之和即9.5 kW,持續時間10 s。經計算系統的額定電流為72.92 A,峰值電流約為198 A。

3.2 繼電器選型

從圖2可知,48 V動力電池沒有集成電源分配模塊PDU(power distribute unit),只需將繼電器和熔斷器串聯在動力電池正極輸出端即可實現開斷控制和安全保護功能。DC-DC和48 V電機有自己的開斷控制硬件和熔斷器。動力電池的直流繼電器一般由BMS(battery manage system)進行控制,繼電器線圈由整車12 V蓄電池供電,供電電壓范圍一般為10～14 V。動力電池一般使用觸點形式為常開的直流繼電器。

根據前文信息,繼電器選型參數應包括額定電壓、工作溫度、工作電壓范圍、吸合電壓、觸點形式等參數?？紤]48 V動力電池及負載的電壓、電流信息,制定繼電器選型策略如下[8]:

(1)繼電器額定電壓≥動力電池額定電壓;

(2)繼電器額定工作電流>動力電池額定輸出電流;

(3)繼電器工作電壓范圍包含動力電池工作電壓范圍;

(4)繼電器觸點的過負載能力超過48 V電池峰值電流要求;

(5)繼電器的吸合電壓<12 V蓄電池供電電壓下限;

(6)繼電器線圈最大允許電壓>12 V蓄電池供電電壓上限;

(7)繼電器工作環境溫度范圍包含動力電池工作溫度范圍;

按照該選型方法選擇了 HFV19-100直流繼電器,其額定電壓為48V DC;額定電流為100 A;工作溫度為-40～85℃;吸合電壓≤6.6 V;觸點類型為常開。

3.3 熔斷器選型

熔斷器選型主要考慮的參數是額定電流。對于熔斷器來說,在系統的正常工作電流下不能熔斷,動力電池使用的慢熔式熔斷器的熔斷是靠電流的熱量累積實現的,因此熔斷器的選型要先計算其額定電流。

根據文獻[7]和文獻[9],基于熔斷器的特性進行額定電流修正,額定電流的修正公式為:

(1)

式中:In為熔斷器的額定電流;Ie為系統負載的額定電流;K為負載修正系數,48 V系統的主要負載是電機,K值選1.2;Kt為溫度修正系數,該動力電池的最高工作溫度60℃,Kt值選0.8;Ke為連接器件傳導系數,在封閉環境內的高壓熔斷器Ke一般選0.8,線束等連接件截面積按照Ke值計算匹配;Kv為風冷修正系數,該電池設計為自然冷卻,Kv值選1;Kf為頻率修正系數,1 000 Hz以下的電流負載的Kf值取1;Ka為海拔修正系數,一般選1;Kb為熔斷器殼體修正系數,本文選型殼體為三聚氰胺殼體,Kb選0.9。

將以上參數代入式(1)計算,修正后的額定電流In為151.92 A。

結合負載計算結果,熔斷器的選型策略為:

(1)熔斷器應滿足系統的溫度、濕度和振動等要求;

(2)熔斷器的額定工作電壓≥系統最大工作電壓;

(3)熔斷器的時間-電流特性應滿足額定電流、沖擊電流和沖擊時間要求;

(4)熔斷器的選型考慮系統電路繼電器的電流特性;

(5)在正常負載(系統額定電流或者峰值電流)時,熔斷器溫升不超過50 K并且全壽命正常通流;

基于前文計算的額定電流和熔斷器的選型策略,初步選擇了Littlefuse Mega 70 V 300 A熔斷器,熔斷器的參數為:額定電壓70 V,工作溫度-40～125℃。其時間-電流特性曲線和不同溫度下的電流降額如圖3和圖4所示,300 A規格熔斷器在-40℃至60℃范圍內可以滿足198 A的峰值電流輸出要求。

圖3 熔斷器時間-電流特性曲線

圖4 熔斷器的溫度-降額曲線

4 試驗驗證繼電器和熔斷器的工況匹配

繼電器和熔斷器在供應商開發時已經制訂了詳細的驗證試驗,但是對于兩者的匹配還需要進一步驗證,要求繼電器和熔斷器既能保證動力電池正常工作,也能按照需求切斷或保護電路。

4.1 試驗條目制定

繼電器和熔斷器的匹配驗證試驗條目制定基于其典型工況和失效模式。

動力電池回路過流的典型工況一般為短路,在動力電池系統中除了熔斷器這種被動保護元器件,還有BMS的過流保護電路。在出現短路大電流時,BMS監測到總線電流超過1 000 A會直接切斷繼電器,響應時間一般早于熔斷器。如果BMS控制失效或者繼電器觸點已經發生了粘連無法切斷電路則需要熔斷器進行保護。

繼電器的典型失效模式為繼電器卡滯、觸點彈跳和過載燒蝕。

(1)繼電器卡滯失效。一般吸合響應時間為25 ms左右,由于線圈供電電壓不足等原因可能導致繼電器產生卡滯。在BMS診斷中,如果檢測到12 V供電電壓低于吸合電壓,BMS上報12 V蓄電池電壓故障,不閉合繼電器。

(2)觸點彈跳。繼電器在閉合或者釋放過程中動觸點容易發生彈跳,由于動觸點發生彈跳時和靜觸點有較大電壓差且間隙小,容易產生拉弧,電弧對繼電器的壽命有很大影響,如果電弧持續時間長則容易燒蝕觸點導致繼電器損傷。

(3)過載燒蝕。如果通過繼電器的電流過大,在觸點處由于存在接觸電阻,如果熔斷器不介入切斷回路會導致繼電器觸點處出現熱量累積,容易造成觸點燒結,繼電器無法斷開。熱量累積過多也會造成動靜觸橋材料發生高溫氧化。

熔斷器的失效模式主要為熔斷器提前熔斷,熔斷器不熔斷或滯后熔斷[9]。

(1)提前熔斷。當熔斷器的額定電流選擇較低時,其電路中的沖擊電流和沖擊時間超過了時間-電流特性要求時容易發生熔斷器熱量累積導致的提前熔斷。同時繼電器配合不當、熔體老化等也可能造成熔斷器提前熔斷。

(2)熔斷器不熔斷或滯后熔斷。當電路發生了超過設計要求的過載、短路等故障時,熔斷器沒有動作或者動作滯后,導致電路沒有受到熔斷器的有效保護,熔斷器選型不當和其他器件配合不當都可能造成熔斷器不熔斷或滯后熔斷。

基于系統的典型工況、繼電器和熔斷器的失效模式分析,制定以下試驗條目:

(1)繼電器線圈低電壓供電試驗。使用可編程電源模擬整車12 V電源供電,將繼電器線圈供電電壓從12 V開始進行閉合分斷試驗。每次閉合1 min后斷開,電壓下降1 V繼續試驗,記錄繼電器閉合狀態,確認繼電器線圈驅動電壓下限。

(2)繼電器和熔斷器串聯大電流分斷試驗。按圖5安裝試驗器件。試驗條件為:電壓50 V,電流選取100 A、200 A、300 A、500 A和1 000 A共6組對比試驗,每組設置3個樣件,按照設定電流30 ms后進行分斷,溫度為室溫25℃,每組分斷5次,每次間隔1 min進行自然冷卻。試驗后檢查繼電器功能是否正常并拆解檢查觸點。

圖5 繼電器和熔斷器串聯大電流分斷試驗

(3)動力電池短路試驗。串聯70%SOC(state of charge)的電池模組、繼電器和熔斷器,外部串聯5 mΩ的電阻進行試驗。試驗設計兩組對比,A組啟用BMS過流保護功能,B組不啟用BMS過流保護功能。試驗后檢查繼電器和熔斷器狀態,確認熔斷器是否有提前熔斷或者滯后熔斷等失效[10]。

4.2 試驗結果分析

(1)繼電器線圈供電電壓試驗結果如表3所示,從表3可知,繼電器的線圈供電電壓應該大于8 V才能穩定工作,整車12 V蓄電池一般供電電壓在10 V以上,完全滿足電池繼電器線圈工作電壓要求。

表3 繼電器線圈供電電壓試驗結果

(2)繼電器和熔斷器串聯大電流分斷試驗結果如表4所示,從表4可知,在正常的負載額定電流和沖擊電流下繼電器多次分斷無問題。當電流過載到1 000 A時,繼電器分斷時產生了電弧,如圖6所示。對繼電器進行拆解拆解后的照片如圖7所示。發現在5次分斷后觸點有輕微燒蝕痕跡,動觸橋由于熱量累積導致氧化變色。本試驗中繼電器和熔斷器過載電流較大,繼電器仍可滿足5次分斷功能,熔斷器無提前熔斷動作,在實際應用中繼電器和熔斷器可以應對正常的沖擊電流而不發生繼電器燒蝕或熔斷器提前熔斷等失效。

表4 繼電器和熔斷器串聯大電流分斷試驗結果

圖6 1 000 A電流試驗數據

圖7 第6組繼電器拆解后照片

(3)動力電池短路試驗結果如表5所示,在電池短路試驗中,A組短路電流為3 650 A,持續19 ms,熔斷器未熔斷,繼電器功能正常。B組短路電流為4 181 A,持續時間28 ms,熔斷器熔斷,繼電器功能正常。通過A組和B組的結果對比可以發現,BMS關閉過流保護功能后,動力電池回路發生短路時繼電器無法主動斷開,大電流持續時間較長,產生的熱量累積后熔斷器熔斷,實現了過流保護,繼電器無功能性損傷。熔斷器的選型在BMS過流保護功能失效情況下可以有效保護電路及其他元器件。

表5 動力電池短路試驗結果

通過以上試驗驗證結果確認該48 V動力電池的繼電器和熔斷器選型及匹配滿足功能及安全要求,該選型方法有效。

5 結論

筆者通過分析直流繼電器、熔斷器的結構和主要參數,結合動力電池、電機和DC-DC的工作參數分析了典型工況下的電路負載,并制訂了繼電器和熔斷器的選型要求。繼電器和熔斷器選型后基于典型失效模式分析制定了選型匹配的試驗條目進行試驗驗證,試驗結果表明,該選型方法在滿足性能要求的同時有效避免了繼電器和熔斷器的典型失效模式,保證了動力電池回路的安全性和穩定性,對動力電池繼電器和熔斷器的選型具有參考意義。