新能源汽车用直流接触器技术分析
摘要：近几年新能源领域的快速发展使低压直流系统广泛应用，特别是光伏系统、电动汽车、轨道交通等行业，其中，电动汽车用户对于电池容量与充电功率的需求在快速提升，这使得车载高压BMS系统所需承载的电压和电流不断提升，线路故障电流保护难度随之加大，对关键保护器件直流接触器、熔断器的性能要求提高。
关键词：直流接触器；保护功能；配电设计
前言：
近几年，随着新能源汽车的不断发展，整车厂商对于车载高压配电系统的研发不断突破创新，一方面为了解决现有系统设计不可靠造成使用过程中多发的过载、短路等负载工况，另一方面是为了提升新能源车的行驶里程，解决续航焦虑。多数车企前几代采用的是400V的高电压充电技术，随着系统架构的成熟度提升以及不同车载零部件的快速发展，800V的车载系统随之诞生，并逐步替代400V系统，未来将全面覆盖成为主流，其优缺点见表1。
表1
车载部件电压 优点 缺点
全系列400V 整车架构改造幅度小，改造成本低 能量损耗大
过渡阶段400V+800V 短期内对整车架构平台化要求低 整车架构平台设计逐步一体化 全系列800V 能量损耗小，长期整车成本逐渐下降 整车架构改造幅度大，短期改造成本偏高
一、车载高压系统配电设计及保护需求
对于车载高压配电系统，最主要的功能是要对使用过程中突发的过载电流或短路电流进行快速切换保护，同时不会对系统造成破坏影响。传统的保护方案一般用直流接触器+熔断器来实现，正常工况下，系统存在两个主接触器和一个预充接触器，主接触器常规选用250A~300A的产品，预充接触器选择50A的产品，工作时首先闭合预充接触器和主负接触器，使回路通电，预充回路预充电阻存在的目的是为了保护电机免受瞬时大电流的冲击破坏，当母线电容充电至一定程度后，主正接触器闭合预充接触器断开，回路正常通电且在安全控制保护范围内。若系统发生故障，当出现较小的过载电流时（目前整车厂提供数据为2000A以下），由于熔断器为反时限特性，会出现动作时间偏长或者不动作的情况，因此这时主要靠直流接触器进行切断，因此直流接触器还需要具有一定的过载分断能力，且过后仍能正常通断，当出现短路电流时（目前整车厂提供数据为最大15kA左右），由于直流接触器的产品固有特性使其无法可靠分断，因此需要熔断器快速响应切断回路进行保护，且动作时间为5ms以内，同时在此段时间内，直流接触器不能出现熔焊的情况。
新能源汽车熔断器工作原理
嘿，朋友！你知道新能源汽车里有个特别重要的小玩意儿叫熔断器吗？今天我就来给你好好唠唠这事儿。
我有个朋友叫小李，他呀，对新能源汽车那叫一个痴迷。有一次我们聊天，他就特别兴奋地跟我说新能源汽车的各种高科技玩意儿。我就好奇地问他：“那你知道新能源汽车里的熔断器是咋工作的吗？”他当时就愣住了，然后挠挠头说：“还真不太清楚呢。”其实啊，这熔断器就像汽车电路系统里的保镖，可重要啦！
咱先来说说这熔断器的基本构造吧。它看起来就是一个小小的元件，但是里面的学问可大了。它一般有个外壳，这个外壳就像是保护城堡的城墙，把里面重要的部分保护起来。在这个外壳里面呢，有一根或者几根熔断体。这熔断体啊，就好比是保险丝。当电流正常的时候，它就安安稳稳地待在那儿，让电流顺畅地通过。
那什么时候它会开始工作呢？这就涉及到它的核心工作原理啦。你想啊，在新能源汽车的电路里，电流就像一群小蚂蚁在电线这个小路上跑。正常情况下呢，这些小蚂蚁都规规矩矩的，按照一定的速度和数量在跑。但是，如果突然发生了一些意外情况，比如说电路里某个地方短路了，这就好比小路上突然出现了一个大坑，那些小蚂蚁就乱了套了，电流就会变得特别大。这时候，如果没有东西来管管，那可就危险了。 这时候熔断器就登场啦！当电流变得超大，超过了熔断体能够承受的限度的时候，熔断体就会像一个勇敢的战士一样，为了保护整个电路系统，它自己就牺牲了。怎么牺牲的呢？它会熔断，就像一根绳子被烧断了一样。这样一来，电流的通路就被切断了，就好像把乱套的小蚂蚁的路给堵住了，不让它们再乱跑，从而保护了汽车的其他电路元件。要是没有熔断器，那电路里的其他元件就像一群手无寸铁的老百姓，面对电流的泛滥，只能被破坏。
我还有个朋友小张，他是个汽车修理工。有一次他给我讲了一个故事。他说有一辆新能源汽车，车主开着开着突然发现有些功能不正常了。小张就开始检查，最后发现是熔断器熔断了。他就跟我说：“你看，这熔断器虽然小，但是一旦它出了问题，整个车的电路就像断了线的风筝，好多功能都没法正常工作了。”我当时就特别好奇地问他：“那这熔断器为啥会熔断呢？”他就耐心地给我解释说：“很可能是电路里某个地方漏电了，或者是有某个元件突然坏了，导致电流突然增大，熔断器就只能熔断来保护整个电路了。”
电池簇熔断器
电池簇熔断器是一种用于保护电池组安全的装置。它主要通过检测电池组的电流和温度来监控电池的状态，一旦电流或温度超过了设定的安全范围，熔断器就会自动切断电池组与外部电路的连接，以避免电池过热或电流过大导致安全事故的发生。
电池簇熔断器是电动汽车、储能系统等大容量电池组的重要部件之一。在电动汽车中，电池组通常由多个电池簇组成，而每个电池簇又由多个电池单体组成。电池簇熔断器的作用是确保电池组的安全运行，防止因电池单体故障引起的火灾、爆炸等事故。
电池簇熔断器的工作原理是基于熔断器内部的热断路器。当电池组的电流或温度超过设定值时，熔断器内部的热断路器会迅速断开电路，切断电池组与外部电路的连接。这样一来，即使电池组内部发生故障，也能够及时切断电流，防止事故的扩大。
电池簇熔断器的设计需要考虑多种因素。首先，要根据电池组的额定电流和温度范围来确定熔断器的额定电流和断路温度。其次，要考虑熔断器的响应速度和可靠性，确保在电池组出现故障时能够及时切断电流。此外，还需要考虑熔断器的体积和重量，以及其对电池组的安装和维护的影响。
电池簇熔断器的使用对于电池组的安全至关重要。它能够有效地防止电池组的过热和过充，保护电池组的寿命和性能。同时，它也为电动汽车和储能系统等应用提供了更高的安全性能，为人们的生活和工作带来了更多的便利和安全保障。
电池簇熔断器是一种重要的电池保护装置，它能够有效地保护电池组的安全运行。通过对电池组的电流和温度进行监测和控制，熔断器能够及时切断电池组与外部电路的连接，防止电池过热或电流过大导致的事故发生。电池簇熔断器的设计需要考虑多种因素，以确保其性能和可靠性。它的应用为电动汽车和储能系统等领域提供了更高的安全性能，为人们的生活和工作带来了更多的便利和安全保障。
超快速熔断器对IGBT的有效保护
1、概述
超快速熔断器在大电流情况下能保护门极关断（GTO）晶闸管的结面。目前在各领域保护着大量
GTO逆变器。由于绝缘门极双极晶体管（IGBT）的I2
t非常低，一般的快速熔断器根本无法保护其结
面。和其他半导体设备一样，短路大电流故障会导致GTO及其元件内部的能量急剧增大，导致 IGBT
发生爆炸。然而，大量电力试验证明IGBT的爆炸I2
t是可以确定的，超快速熔断器有能力防止IGBT
爆炸。
此外大量试验测试了熔断器对电路电感量的影响，以及高频情况下熔断器的载流能力。可以说熔断
器技术和电路设计对于电路总电感影响重大。(Ldi/dt)通过适当的特性曲线和数据进行熔断器选型以保
护逆变器是非常必要的。
图 1: 常规的强制换向逆变器
2、 超快速熔断器的用途
由于电感比L大的多，所以当熔断器熔断时，电流i
d和i
c比小到可以忽略不计。
3、 熔断器的安装位置
有三种可能
1、逆变器桥臂上放置熔断器（图3）：
2、逆变器直流回路上放置熔断器（图4）：熔断器电流额定值是桥臂上熔断器额定值的1.732倍
3、直流馈线上熔断器的位置（图5）: 在电容（或其它种类的直流电源）和整流器之间。也可以
结合图5和图3或结合图5和图4的方式安装
熔断器在逆变器回路的用途是防止半导体元件爆炸，甚至在发生短路时有效保护半导体元件的结面。
对于图2显示的电路，熔断器的主要作用是在两个串联桥臂同时导电引起短路时阻止电容放电。当一
个半导体元件被错误被触发或损毁，两个桥臂之间会产生短路。
由于L电感量很低，di / dt就会很高，因此熔断器会迅速动作。
短路电流为电容放电的i
c和来自电源侧的i
d的总和。
图3 图4
图5
4. 熔断器选型的主要参数
当IGBT或GTO元件损坏，电容支路会发生短路，熔断器会如图6显示对电路进行保护。
图 6: 电容放电
E 直流电源的电压值
u 电容的瞬时电压
i
c 电容输出的瞬时故障电流
