熔断器基础知识及选型

知识点：熔断器

熔断器的作用

动力电池存在过流、短路的可能。过流会使电池温度过高，缩短电池寿命；温度上升到一定程度时，电池还会产生放热副反应，造成热扩散。短路电流一般是正常负载电流的10倍以上，形成的热效应强度非常高，对回路内的元器件，甚至人员都造成很大伤害。所以动力电池需要熔断器进行保护。

熔断器典型外观

熔断器就是保险，具有如下优点：

 1. 高分断能力；

 2. 功耗较低；

 3. 动作快，限流能力强；

 4. 可靠性高，环境因素影响较小；

 5. 无飞弧，更安全；

 6. 生命周期内，成本低，电路升级方便。

熔断器的原理

熔断器主要结构： 连接片、熔管、填充介质(石英砂）、熔体。

熔断器结构示意

熔断器的保护作用主要是靠熔体。熔体大都是条状带有狭径，通过“M”点效应得到不同的时间-电流曲线。当电流过大时，狭径处熔断。

熔断时石英砂会起到灭弧的作用，吸收能量，变成“熔岩”，然后使线路同负载绝缘，消除了电击的危险。

熔体示意

熔断器的选型

熔断器是为了保护电池，所以选型必须要根据电池输入参数计算和评估。如下是随便截取的一个电池输入参数，以此为例说明熔断器选型。可能每个公司考虑都不一样，仅供参考。

另外，熔断器也需要保护继电器，选型之后稍微对比下，继电器过流能力比熔断器强就行。这一般没什么问题。

电池输入参数

熔断器电压：

电池额定电压408.8V，峰值电压486.1V，故熔断器额定电压在500V及以上等级。

熔断器电流：

熔断器额定电流In>Ie/（Kt*Ke*Ka*Kv*Kf*Ks）。

Ie是电池额定电流，此处是181A。

Kt是温度系数，可通过公式Kt=√((a-θa)/(a-θ0 ))计算。式中，a为制造参数，130；θa为最高工作温度，虽然此处上限是55℃，但环境温度更高，取60℃；为标准测试温度，取30℃。故Kt=0.84。

Kt也可以直接查熔断器的Kt曲线图估算，一般都在0.8左右。

Kt曲线图

Ke是母排修正系数 。Ke一般根据经验直接定为0.7，也可以估算。

根据输入，载流为181/36=5A/mm?。但36平的线其实有点小，发热会大点，因此有些人会选45平的母排，所以载流会到4A/mm?，然后根据Ke曲线图估算。如下图，1.3A/mm?是100%，那4~5A/mm?除以1.3大概就是30%，Ke值对应的差不多就是0.7。

Ke曲线图

Ka是海拔修正系数。海拔小于2000m，Ka=1；海拔大于2000m，Ka=1–(h-2000)/100*0.5/100。此处Ka取1即可。

Kv是风冷修正系数。Kv也可以称为强制散热系数，此处无风冷，取1。如果电池有风冷，鼓风机对着熔断器吹，Kv可以根据如下曲线图取大点。不过一般风冷电池，Kv也是1。

Kv曲线图

Kf是频率修正系数。电池是直流，Kf取1。如果是过交流电，可以参照如下Kf曲线图，根据频率选取其他值。

Kf曲线图

Ks是开关修正系数。客户每天基本都会多次用车，电池也会多次上下电。根据下表，Ks可以取0.8或者0.85。此处我们取0.8。

Ks取值表

综上，计算熔断器额定电流In＞384A。

熔断器过载：

根据输入，峰值电流为 605A@30s。这种峰值电流在车辆急加速时会出现，所以每天会多次出现。根据下表，可以选择超过2s的过载系数0.6，则可以算出熔断器过载电流≥605/0.6=1008A@30s。

熔断器过载系数取值表

熔断器分断：

根据输入，最大短路电流为4.2kA，这可以直接用电池电压除以内阻估算。如果是对熔断器提要求，应该输入最大短路电流和最小短路电流，以及分别对应的时间。但这个输入比较难。

其实开始算出熔断器额定电压和额定电流后，已经可以初步选型了。可以根据选定的熔断器型号，对照它在最大最小短路电流的特性分析曲线，估算分段能力。一般熔断器能在2ms左右分断就可以了。

熔断器寿命：

根据输入，设计寿命为10年20万公里。但现在对电池电气件实际使用寿命研究并不多，没办法准确衡量，只能大概估算。

熔断器使用时，小电流对寿命影响不大，主要是大电流使用。根据输入的峰值电流605A@30s，如果一天4次急加速，则10年为14600次。可以咨询熔断器厂家，估算是否满足这种情况的寿命要求。

一般满足这种严苛的要求比较难，除非更换更大电流的熔断器，但熔断器需要和继电器匹配，太大无法满足保护回路的目的。

熔断器和继电器的匹配

熔断器和继电器匹配就是同等电流下，熔断器要比继电器先熔断。当然，也要先比母排、线束、接插件先熔断，只不过线束和连接件过载能力都比较强。

如下图，有A、B、C三款熔断器都满足整车参数需求，但C有一段曲线在继电器上方，所以不满足要求。A、B都可以，但综合熔断器过载情况，尽量选一个电流较大的，故最好选择B。

熔断器与继电器匹配曲线

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