在800V整車系統中,由于電壓提高導致整個系統的絕緣要求提升和短路保護的措施提升,我覺得這里涉及到熱熔絲往PyroFuse有幾個核心的原因:
●在快充工況下,高功率充電的持續電流,比之前設計的規格更大,所以容易使得熱熔絲提早老化。
●把熱熔絲的規格提上去,容易和高壓接觸器更難匹配,到800V以后接觸器相對更脆弱。
●在特斯拉Model S Plaid設計中,整個后驅動雙電機的設計,大大提高了驅動電流的峰值,這也使得動態電流匹配出現了困難。
也就是說,熔絲和接觸器要匹配的穩態電流和快充電流沖突,而短路保護的瞬態電流開始和高功率的驅動電流直接懟上了。中國消費者對電動汽車的使用,在全球范圍內來看是溫柔的,這個設計一旦往歐洲和美國去用,潛在的問題就是保護的要求和消費者實際使用的極端工況容易重合。所以我的理解,想要滿足這些設計匹配,在250A快充往400-500A去考慮;驅動逆變器功率設計從150kW往250kW甚至更高300-350kW設計,Pyrofuse是一個必需品。
▲圖1.Taycan的800V設計電路
Part 1
特斯拉的電路設計
特斯拉一開始是用熱熔絲的,從目前來看單純Pyrofuse也經歷了三代的技術方案迭代:
●早期Model S上的1代Pyrofuse
●當前Model 3和Model Y應用最為廣泛的第2代產品
●最新應用在S/X plaid車型上的第3代方案
▲圖2.特斯拉的迭代
這個保護的設計,是特斯拉技術迭代的一個縮影,其實是從保護電流匹配從模糊走向精確的主要技術方向。在這之后,我們看到大眾的MEB平臺也做了相應的設計。
▲圖3.特斯拉的電氣結構保護的設計
特斯拉設計Pyrofuse,在Model 3/Y或者Model S Plaid都是配置在電池中間,并且開始把它作為獨立的維修單元使用。在整個高壓電氣回路發生外短路或發生碰撞的時候,Pyrofuse能及時斷開電氣連接,能夠確保整個能源回路打開。通過打維修窗口可以直接更換Pyrofuse。
Pyrofuse是從Autoliv在12V系統上最先導入的,它包含幾個基本的組建。
●引發器:這是執行結構,在收到驅動信號以后,通過爆破的推力斷開連接電路。
●外部檢測電流和判斷電路,通常需要通過電流傳感器,這里有兩種方式,一種是BMS來處理,一種是Pyrofuse本身自帶電流檢測。
●滅弧裝置:由于切斷高壓電流會產生巨大的電弧,因此需要考慮如何處理電弧,通常可以使用小的滅弧熔斷器,吸引電弧轉移并吸收掉電弧的能量。
▲圖4.Pyrofuse的基本結構
從成本結構來看,這個Pyrofuse的BOM是比較簡單的,結構件主要包括Busbar和電弧吸收。注意為了切換連接,和普通的Busbar不一行,Busbar必須要考慮“弱化”設計,通過設計合理的結構強度,在觸發的時候斷開Busbar斷開之處。而電弧吸收室,相信搞電力設備的同志會很熟悉,這就是典型的層疊設計,引導和吸收電弧(內部包含白色的復合材料墊,主要目的是阻燃)。
▲圖5.Pyrofuse的整體結構
觸發的時候通過上蓋處的引線傳遞信號。
Part 2
電路設計成本
●特斯拉的迭代
◎特斯拉采用了BMS主控的方式,利用主回路的電流傳感器,讓BMS的高功能系統來仲裁是否需要切段,特別是后續采用博世的驅動芯片來完善這個功能安全設計。
◎從并聯的小熔斷器將電弧引來,到后續采用層疊電弧滅弧室來設計(將電弧分成多個小電弧,使總電壓升高,從而抑制電流并中斷電路)。
◎在觸發方式上,采用兩個引發器,配置在觸發存儲罐中,一個目標是斷開Busbar,釋放出固體顆粒和熱能,通過兩次觸發來釋放氣流來吹電弧(實現偏移電弧)。
因此我們回到伊頓的分斷器,如果這個分斷器如果真的可以實現上述接觸器+Pyrofuse的功能,整個電氣設計還是得到了很大的改變。這個等于把Pyrofuse做的工作,一次次讓切斷回路多做幾次,缺點是這個滅弧設計得很強大才行。
小結:在三電系統設計方面,其實整體來看,電動汽車和整個我們熟知的電氣網絡是融合的。
審核編輯 :李倩
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原文標題:技術討論|800V超快充下的Pyrofuse熔斷設計
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