Đảm bảo EV và an toàn hệ thống công nghiệp với công nghệ cầu chì thế hệ mới
Các hệ thống lưu trữ năng lượng mới nhất yêu cầu các thành phần an toàn hiệu suất cao và các giải pháp bảo vệ mạch tinh vi có thể cung cấp các mức bảo vệ quan trọng để đảm bảo cả an toàn và độ tin cậy.
Xe điện đã được khoảng từ giữa thế kỷ 19 và khá phổ biến cho đến khi xăng giá rẻ từ các mỏ dầu Texas thay đổi năng động. Những chiếc EV đầu tiên có vấn đề nghiêm trọng với mật độ năng lượng và hiệu quả powertrain, nhưng một chiếc xe điện giữ kỷ lục tốc độ đất cho đến khi chuyển của thế kỷ trước. Vấn đề an toàn lớn nhất với những hệ thống pin xe cộ thế hệ đầu tiên chủ yếu xoay quanh vận chuyển và lưu trữ axit trong chất điện giải (Hình 1).
1. Hệ thống pin ban đầu bị mật độ năng lượng thấp và các vật liệu ăn da đã được sử dụng.
Một bộ pin EV hiện đại có mật độ năng lượng và công suất cao hơn đáng kể so với các hệ thống cổ xưa đó, và các vấn đề và quy trình an toàn cần thiết để giải quyết chúng đã chuyển sang các công nghệ cốt lõi tiên tiến hơn. Quản lý các dòng điện cao tham gia vào EVs ngày nay đã trở thành một vấn đề an toàn lớn, như là một sự kiện ngắn mạch quản lý sai có thể trở thành một tình huống thất bại thảm khốc.
An toàn và hiệu suất
Các nhu cầu tương tự về hiệu quả và mật độ năng lượng áp dụng cho các thiết bị điện tử công suất của EV, cũng đòi hỏi mức độ an toàn và chức năng rất cao. Chỉ bằng cách có cả hệ thống pin tiên tiến và thiết bị điện tử quản lý năng lượng, tv ngày nay mới có thể giải quyết nhu cầu về phạm vi, hiệu suất và an toàn. Việc di chuyển sang các vật liệu tiên tiến như chất bán dẫn bandgap rộng trong hệ thống điện là một con dao hai lưỡi, tăng cả hiệu suất cũng như nhu cầu vận hành an toàn.
Pin tốt hơn
Nhu cầu về lưu trữ năng lượng được cải thiện đã phát triển đều đặn trong hầu hết các lĩnh vực thị trường. Từ các thiết bị nhỏ như thiết bị đeo y tế đến các hệ thống lớn như lưới điện, các giải pháp ngày nay đòi hỏi pin mật độ cao.
Các ứng dụng này cần một loạt các phương pháp để hoạt động an toàn và đáng tin cậy, vì mức năng lượng không để lại chỗ cho lỗi. Từ cạo râu cao điểm lưới điện và các phương pháp chuyển tải khác trong lưới điện, đến các thiết bị điện tử sạc nhanh phục vụ EVs gắn liền với nó, đảm bảo sự an toàn của pin liên quan là rất quan trọng (Hình 2).
2. Các ứng dụng năng lượng tiên tiến như sạc xe nhanh cần phải hoạt động an toàn, đáng tin cậy và tiết kiệm.
Hợp nhất cho an toàn
Để đảm bảo các hệ thống quản lý năng lượng mật độ cao này an toàn trong suốt thời gian hoạt động của xe, điều quan trọng là phải tích hợp các thành phần bảo vệ mạnh mẽ, hiệu suất cao vào thiết kế của chúng. Cầu chì hoặc các thiết bị tương tự là các thành phần bảo vệ mạch cần thiết, bảo vệ xe khỏi các điều kiện ngắn mạch bằng cách phá vỡ liên kết điện trong điều kiện rất cụ thể. Nhiều người trong số vô số các loại cầu chì chia sẻ một khía cạnh chính, một mảnh của dây dẫn thiết kế.
Liên kết phù hợp này, thường là kim loại, được đánh giá là phá vỡ kết nối bằng cách nóng chảy (hoặc bốc hơi) một cách có kiểm soát. Điều này thường xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao hơn được tạo ra bởi một mạch ngắn, đảm bảo sự an toàn của hệ thống bằng cách cắt hoàn toàn nó ra khỏi nguồn điện. Một vài nhược điểm tồn tại, tuy nhiên, trong số đó là một mạch dưới tải sẽ không phải lúc nào cũng thể hiện một dòng chảy thường xuyên và trơn tru của dòng điện.
Ví dụ: trong các thiết kế trải nghiệm các xung công suất cao, biến thể dòng điện rộng dẫn đến kết quả có nghĩa là sử dụng cầu chì có giá trị cao hơn để tránh vấp ngã phiền toái. Vấn đề là giải pháp này khiến mạch tiếp xúc nhiều hơn với quá nóng và thất bại nhiệt. Ngoài ra, khía cạnh dùng một lần của cầu chì đã dẫn đến việc sử dụng nhiều hơn các thiết bị an toàn tiên tiến như cầu dao, có thể đặt lại và không có các bộ phận bị cháy.
Contactors kết nối
Contactors là các thiết bị bảo vệ cơ điện, trong khi tương tự như cầu dao, khác nhau ở mức chúng không dừng lại một thời gian ngắn. Thay vào đó, chúng hoạt động như các thiết bị chuyển mạch hiệu suất cao kết nối trực tiếp với tải dòng điện cao. Được vận hành bởi một điều khiển bên ngoài, tiếp xúc điện phục vụ các nhiệm vụ đặt lại mạch đòi hỏi nơi có mức dòng điện cao. Tương tự như trong hoạt động để chuyển tiếp, contactors cũng cung cấp các tính năng để kiểm soát và ngăn chặn các vòng cung tạo ra khi chuyển đổi.
Bộ tiếp xúc điện áp cao đảm bảo an toàn và mạch liên tục trong lưu trữ năng lượng lai và xe điện, bộ sạc pin và hệ thống công nghiệp công suất cao, kết nối và ngắt kết nối điện nhanh chóng và an toàn trong khi quản lý các vấn đề hồ quang và inrush. Một ví dụ là trong EVs, nơi thường mở contactors quản lý kết nối giữa các bộ pin và hệ thống, tự động ngắt kết nối khi xe không được sử dụng.
Bảo vệ thế hệ tiếp theo
Các giải pháp bảo vệ mạch khác tồn tại có thể mở một mạch nhanh hơn cầu chì và có khả năng chống vấp ngã phiền toái hơn. Điều này và các tính năng tiên tiến khác đảm bảo nguy cơ hư hỏng thấp hơn so với cầu chì nhiệt. Một ví dụ về một giải pháp như vậy có thể được tìm thấy trong Cầu chì Dissmann được phát triển bởi GIGAVAC, một thương hiệu Sensata Technologies (Hình 3).
3. Nhắm mục tiêu vào EVs, Cầu chì Sensata Dissmann là một thiết bị cơ điện tác dụng nhanh với thế hệ nhiệt thấp.
Các thiết bị cơ điện kín, tác dụng nhanh có thế hệ nhiệt độ thấp và các chuyến đi ở một dòng điện chính xác. Các tính năng bao gồm giảm sức đề kháng cao, không lão hóa nhiệt và tăng hiệu quả hệ thống. Được cung cấp trong cả biến thể thụ động và thụ động, các thiết bị sử dụng từ trường của dòng chảy hiện tại (lực Lorentz) để kích hoạt thiết bị. Hình 4 cho thấy nó hoạt động như thế nào, với đường màu xanh lam trong biểu đồ hiển thị ngưỡng kích hoạt.
4. Sơ đồ này thể hiện hoạt động của các giải pháp bảo vệ mạch như Cầu chì Dissmann. Đường màu xanh dương cho biết ngưỡng kích hoạt, cho thấy thiết bị có thể mở mạch nhanh hơn cầu chì và gần hơn với điều kiện hoạt động mong muốn.
Biểu đồ này cho thấy thiết bị có thể mở mạch nhanh hơn và gần hơn với điều kiện hoạt động mong muốn hơn cầu chì. Có sẵn trong một phạm vi xếp hạng liên tục từ 200 đến 500 A, đường dẫn của ngưỡng kích hoạt của nó cũng có thể điều chỉnh. Tạo ra ít nhiệt trong hoạt động, nó miễn dịch từ cả hai lão hóa nhiệt và vấp ngã phiền toái gây ra bởi chu kỳ hoạt động nóng và mát mẻ, mà theo thời gian, gây ra giòn của dây dẫn.
Cầu chì Dissmann được tuyên bố là ngòi nổ kín đầu tiên trong ngành công nghiệp mà các chuyến đi ở dòng chảy chính xác. Nó được thiết kế để giảm đáng kể sức đề kháng, thời gian cài đặt, độ phức tạp và chi phí, giúp tăng hiệu quả hệ thống.
Kéo dài tuổi thọ hoạt động của hệ thống bằng cách đảm bảo tính toàn vẹn về thể chất và hoạt động của kết nối, cầu chì có thời gian rõ ràng nhanh chóng và nhất quán bất kể nhiệt độ môi trường xung quanh. Điều này ngày càng quan trọng trong các EVs công suất cao, nơi mà bất kỳ bổ sung nào cho tác động nhiệt của các thiết bị điện tử truyền động có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các hệ thống con nhạy cảm với nhiệt khác.
Hoạt động nhanh cũng cải thiện hiệu suất contactor. Một contactor có thể bay lên trong quá trình hoạt động, tiêu tan năng lượng nên có sẵn để kích hoạt cầu chì, và thay vào đó, tải dòng điện trên contactor. Điều này có thể ngăn cầu chì "nhìn thấy" ngắn và có khả năng dẫn đến thất bại thảm khốc. Nhìn vào một tình huống với một contactor 500-A và 500-A cầu chì, một cấu hình như vậy sẽ mất một hoặc hai giây tại 1.000 A để đi du lịch, trong khi một giải pháp vấp ngã nhanh chóng có thể được thiết lập tại 1.000 A, ví dụ, và chuyến đi trong vòng 3 ms.
Trong trường hợp cầu chì nhiệt, có một khu vực hoạt động mà mức độ hiện tại có thể lấn át contactor, foiling khả năng của mình để làm gián đoạn tải bằng cách ngăn chặn nó đạt đến điểm nhiệt cho một cầu chì để kích hoạt. Rủi ro này được loại bỏ với các sản phẩm cung cấp khả năng chống tiếp xúc rất thấp dưới 0,15 mΩ, điều này cũng dẫn đến mất điện ít hơn và tăng hiệu quả hệ thống.
Cân nhắc
Các thiết bị bảo vệ chính xác và nhanh chóng giải quyết sự an toàn của mạch trong các hệ thống công suất cao, nhưng lợi ích của chúng không bị giới hạn chỉ phục vụ pin tiên tiến. Vô số các ứng dụng, bao gồm robot công nghiệp và hệ thống năng lượng thay thế, có thể được hưởng lợi từ hiệu quả, tính năng nhiệt và tốc độ hoạt động của giải pháp như vậy. Các thiết bị cơ điện có tác dụng nhanh, kín này rất phù hợp cho các ứng dụng có vấn đề về lão hóa nhiệt hoặc vấp ngã phiền toái.
Các giải pháp bảo vệ nguồn điện như bộ tiếp xúc trợ fuse Dissmann và bảo vệ trong điều kiện ngắn mạch. Các hệ thống lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo yêu cầu các thành phần an toàn hiệu suất cao như nhau và các giải pháp bảo vệ mạch tinh vi có thể cung cấp các mức bảo vệ quan trọng cần thiết để đảm bảo cả an toàn và độ tin cậy.