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接觸器粘連和電池的短路保護

2018/08/24
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補充前面的文章吧,由于低壓服務開關的取代,使得接觸器粘連,系統(tǒng)直接導通變成了也給比較極端的情況。因此接觸器的失效在粘連部分的失效就是我們重點來控制的。


1)設計的考慮 - 電氣壽命


從電氣壽命上,接觸器的廠家一般會告訴你,電氣壽命有些絕對的界限,否則會發(fā)生熔焊。所以我們需要根據(jù)整個電氣系統(tǒng)的要求來匹配短時間加速的電流需求和長期電流需求。這里主要匹配


短時加速需求

較長時間持續(xù)高速需求


常規(guī)的工作電流 RMS


短路條件下分斷能力


? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?表 1 接觸器的電流需求

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常規(guī)來看,我們是按照這個經驗數(shù)值在一定溫度下來核算整個的情況。

圖 1 最高使用環(huán)境溫度下的電流耐受情況


而在整個設計里面,需要考慮瞬態(tài)大電流和設計不合理造成的問題,比如兩種典型的失效模式:


觸點動熔焊指閉合或分斷過程中,預擊穿和回跳電弧短時間內釋放巨大的熱量,使接觸面局部快速加熱、軟化、熔化、氣化,然后迅速冷卻、凝固導致觸點材料連接一體,并在分斷過程中阻礙觸點脫離接觸的現(xiàn)象


觸點靜熔焊是指在固定接觸連接或接觸力足夠大的閉合狀態(tài)觸頭中,由于接觸電阻發(fā)熱使得導電斑點及其附近金屬熔化發(fā)生焊接


在這種情況下,由于整個動力母線上存在的容性負載,設計不合理的保護策略會直接導致靜熔焊。核心的我們在于設計一套預充策略來減少這些靜態(tài)電流對觸點的沖擊情況。


圖 2 兩種熔焊不同的機理


在考慮動熔焊處理的時候,是需要考慮整個系統(tǒng)對分斷的時候的監(jiān)測,來記錄整個 BDU 系統(tǒng)在工作過程中保護的次數(shù),來記錄開關能力情況比對實際的開關能力、次數(shù),建立一個接觸器 SOH 的檔案來。

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圖 3 這個工作還是需要外部的配合,完整的信息歸檔

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嚴格意義上接觸器的熔斷失效,最終演變成一旦發(fā)生不能切斷,最嚴重的情況下可能會延燒到周圍。關于內部氣體穿透壽命 本繼電器在內部使用氣體封入型的密封觸點(容器觸點),但是內部氣體隨著容器觸點內部溫度(環(huán)境溫度+通電引起的溫度上升)的變 化而具有內部氣體穿透壽命。使用環(huán)境溫度請勿超過-40℃~80℃。


當失效發(fā)生的時候,接觸器一側的檢查就非常重要,特別是在動作的時候進行判別,然后在發(fā)現(xiàn)之后報故障。如果同時粘連,可能涉及到整個靜熔焊的過程,這個時候就需要熔絲的層級進行保護了。

電池系統(tǒng)短路設計 2- 熔絲設計考慮


接很早之前寫的文章《電池系統(tǒng)短路保護層級考慮》,在前面提及短路保護法規(guī)和實驗要求與設計概念以后,我們需要進行設計值和實驗的確認。


1)熔絲的分層細化

分級熔斷防護主要是把整個電池包的短路分為四層


電池單體熔絲:在多電池并聯(lián)的時候,防止電池內短路時,并聯(lián)電池電流倒灌所有并聯(lián)電池外短路。如前文所述,電池單體熔絲可以做到電池里面、電池 Tab 上面和電池極柱與母線連上


電池模組熔絲:這一層主要是防止模組級別的短路,現(xiàn)在挺多公司予以省略了。


電池系統(tǒng)熔絲:一般也稱為 Half Pack 熔絲,防止電池系統(tǒng)外部短路的目的


整車用電負載熔絲:由于外部的用電負荷比較多,在分解用電部件之后,主熔絲需要放在刀刃上,所以需要給配電部分配置單獨的熔絲予以考慮

2)熔絲設計考慮 - 熔絲考慮


保護設備的時間 - 電流曲線需要考慮兩部分,


正常運行區(qū)域(綠色陰影部分):在該電路設計區(qū)域內,熔絲允許放電電流通過。正常運行區(qū)域必須位于保護器件的時間電流曲線左側。


電流異常區(qū)域(紅色陰影部分),此時熔絲需要動作,斷開電池與外部系統(tǒng)的連接,應位于保護設備時間 - 電流曲線的右側。


短路時間持續(xù)時間應大約為幾十毫秒,確保電池盡快與故障隔離。


熔絲設備打開的時間越長,電池在短路階段釋放的能量能量就越多,可能導致設備損壞,甚至引發(fā)相關導電部件發(fā)熱。


短路電流隨電池狀態(tài)的不同而不同,在不同 SOC 和 EOL 狀態(tài)下,在設計中需要考慮這個。


圖 短路設計考慮


在實際的考慮中,需要把參數(shù)進行轉化。最主要的工作就是在。


備注:原來電池包熔絲和 MSD 一體化,現(xiàn)在如果 MSD 取消,熔絲需要進行另外布置。


圖 多層級保護描述


在這幾個不同的熔斷對時間的曲線里面,我們是通過設計不同的熔絲的規(guī)格,然后進行分析、測定。在特斯拉的案子里面,直接用這個部件來操作。


隨著這個部件的應用,在電池系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時候,本來就是斷開的了。

小結:很多東西都在改變,我們總是有更好的措施去改善安全性

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筆者 朱玉龍,一名汽車行業(yè)的工程師,2008年入行,做的是讓人看不透的新能源汽車行業(yè)。我學的是測試和電路,從汽車電子硬件開始起步,現(xiàn)在在做子系統(tǒng)和產品方面的工作。汽車產業(yè)雖然已經被人視為夕陽產業(yè),不過我相信未來衣食住行中的行,汽車仍是實現(xiàn)個人自由的不二工具,愿在汽車電子電氣的工程方面耕耘和努力,更愿與同行和感興趣的朋友分享見解。