Электрические автомобили были доступны с середины 19-ого столетия и были довольно популярны, пока дешевый бензин от нефтяных месторождений Техаса не изменил динамику рынка. У ранних электромобилей были серьезные проблемы с плотностью энергии и эффективностью трансмиссии, но электромобиль держал рекорд скорости до конца прошлого века. Самая большая проблема безопасности в системах аккумуляторных батарей первого поколения в основном связана с транспортировкой и хранением кислот в электролите (рисунок ниже).
Современный аккумуляторный блок электрокара обладает значительно более высокой удельной мощностью и емкостью, чем показанные выше антикварные системы, а проблемы и процессы безопасности, необходимые для их решения, перешли на более продвинутые технологические уровни. Управление большими токами, связанными с современными электромобилями, стало серьезной проблемой безопасности, так как случайное короткое замыкание может стать катастрофой для автомобиля.
Безопасность и производительность
Те же требования к эффективности и плотности энергии относятся и к силовой электронике электромобиля, что также требует чрезвычайно высокого уровня безопасности и функциональности. Только имея передовые аккумуляторные системы и электронику для управления питанием, современные электромобили могут удовлетворить потребности в дальности поездки, производительности и безопасности. Переход на современные материалы, такие как широкозонные полупроводники в энергосистемах, — это палка в двух концах, повышающая как производительность, так и необходимость безопасной эксплуатации.
Улучшение аккумуляторных батарей
Спрос на улучшенное хранение энергии неуклонно растет почти во всех секторах рынка. Сегодняшние решения требуют как аккумуляторов высокой плотности, так и таких устройств, как носимые медицинские устройства, и систем, способных выполнять функции электросети.
Этим приложениям необходимы различные методы для безопасной и надежной работы, поскольку уровни мощности не оставляют места для ошибок. От пиковых нагрузок на электрическую сеть и других методологий сдвига нагрузки в электросети до быстродействующей электроники, обслуживающей подключенные к ней электромобили, обеспечение безопасности используемых батарей имеет решающее значение (рисунок ниже).
«Безопасное перегорание»
Чтобы системы управления питанием большой мощности были безопасными в течение всего срока эксплуатации транспортного средства, крайне важно интегрировать в их конструкции надежные, высокопроизводительные компоненты защиты. Предохранители или аналогичные устройства являются необходимыми компонентами защиты цепи, защищающими автомобиль от короткого замыкания путем разрыва силовой цепи в очень специфических условиях. Многие из этих бесчисленных типов предохранителей имеют один из главных аспектов — это спроектированный проводник.
Это специальное звено, обычно металлическое, рассчитано на разрыв соединения путем плавления (или испарения) контролируемым образом. Это обычно происходит в условиях более высоких температур, создаваемых коротким замыканием, обеспечивая безопасность системы, полностью отключая ее от источника питания. Однако существует несколько недостатков, среди которых тот, что цепь под нагрузкой не всегда будет демонстрировать равномерный и плавный «поток тока».
Например, в конструкциях, которые испытывают импульсы большой мощности, возникающее в результате большое изменение тока (скачки тока) означает использование предохранителя с более высоким значением тока срабатывания, чтобы избежать ложных срабатываний. Проблема в том, что это решение делает электрическую цепь более подверженной перегреву и термическому отказу. Кроме того, неудобство использования одноразовых предохранителей привело к более широкому использованию передовых защитных устройств, таких как автоматические выключатели, которые могут быть включены в цепь заново простым переводом тумблера и не имеют элементов, которые перегорают.
Управление цепями с помощью контакторов
Контакторы — это электромеханические защитные устройства, которые, как и автоматические выключатели, отличаются тем, что не останавливают короткое замыкание. Скорее они действуют как высокопроизводительные коммутационные устройства, которые подключаются непосредственно к сильноточным нагрузкам. Управляемые «из вне», силовые контакторы служат для выполнения сложных задач по отключению цепи, где присутствуют высокие уровни тока. Подобные по работе реле и контакторы также предлагают функции для контроля и защиты от возникновения электрической дуги, возникающих при коммутации.
Высоковольтные контакторы обеспечивают безопасность и непрерывность цепи в гибридных автомобилях и электромобилях, зарядных устройствах и мощных промышленных системах, быстро и надежно подключая и отключая электропитание, одновременно устраняя проблемы, связанные с электрической дугой и броском тока. Один пример — электромобили, где нормально разомкнутые контакторы управляют электрическим соединением между аккумуляторной батареей и электрической системой автомобиля, автоматически отключаясь, когда автомобиль не используется.
Защита следующего поколения
Существуют другие решения для защиты цепей, которые могут размыкать цепь быстрее, чем предохранитель, и более устойчивы к случайным отключениям. Эта и другие дополнительные функции обеспечивают меньший риск повреждения, чем тепловые предохранители. Пример такого решения можно найти в GigaFuse, разработанном GIGAVAC, брендом Sensata Technologies (рисунок ниже).
Герметичное быстродействующее электромеханическое устройство имеет низкое тепловыделение и отключается при точном токе. Особенности включают в себя значительно сниженное сопротивление, отсутствие термического старения и повышенную эффективность системы. Предусмотренные как в пассивном, так и в пассивно-активном вариантах, устройства используют магнитное поле потока тока (сила Лоренца) для запуска устройства. На рисунке ниже показано, как это работает, синей линией на графике показан порог срабатывания.
Приведенный график показывает, что устройство может размыкать цепь быстрее и ближе к требуемым условиям работы, чем плавкий предохранитель. Доступный в непрерывном диапазоне значений от 200 до 500 А, путь его порога срабатывания также настраивается. Вырабатывая мало тепла во время работы, он защищен как от теплового старения, так и от ложных срабатываний, вызванных горячими и холодными рабочими циклами, которые со временем вызывают хрупкость проводника.
GigaFuse считается первым в отрасли герметичным предохранителем, который срабатывает при точных токах. Он предназначен для значительного уменьшения сопротивления, времени установки, сложности и стоимости, помогая повысить эффективность системы.
Продлевая срок службы системы за счет обеспечения физической и эксплуатационной целостности соединения, предохранитель имеет быстрое и стабильное время отключения независимо от температуры окружающей среды. Это становится все более важным в мощных электромобилях, где любое дополнение к тепловому воздействию на электронику может повлиять на работу других термически чувствительных подсистем.
Быстрая работа также улучшает работу контактора. Контактор может левитировать во время работы, рассеивая энергию, которая должна быть в наличии для срабатывания предохранителя, и вместо этого нагружая контактор. Это может помешать предохранителю «увидеть» короткое замыкание и потенциально привести к катастрофическому отказу. Если посмотреть на ситуацию с контактором на 500 A и предохранителем на 500 A, для такой конфигурации потребуется отключение за одну или две секунды при 1000 A, в то время как для решения с быстрым отключением может быть установлено, например, 1000 A, и отключение в течение 3 мс.
В случае тепловых предохранителей есть область работы, где уровни тока могут перегружать контактор, нарушая его способность прерывать ток нагрузки (спайка контактов), блокируя его от достижения тепловой точки срабатывания предохранителя. Этот риск устраняется с помощью продуктов, которые предлагают очень низкое сопротивление контактов (менее 0,15 мОм), что также приводит к снижению потерь мощности и повышению эффективности системы.
Соображения
Точные и быстродействующие защитные устройства обеспечивают безопасность цепи в мощных системах, но их преимущества не ограничиваются только обслуживанием современных аккумуляторных батарей. Множество различных приложений, включая промышленную робототехнику и системы альтернативной энергии, могут извлечь выгоду из эффективности такого решения, тепловых характеристик и скорости работы. Эти быстродействующие, герметично закрытые электромеханические устройства хорошо подходят для применений, в которых проблематично термическое старение или отключение.
Решения по защите электропитания, такие как GigaFuse, помогают координировать контакторы и обеспечивают защиту в условиях короткого замыкания. Системы аккумулирования энергии следующего поколения требуют одинаково высокопроизводительных компонентов безопасности и сложных решений для защиты цепей, которые могут обеспечить требуемые критические уровни защиты для обеспечения безопасности и надежности.
Оставьте комментарий