Zaistite bezpečnosť EV a bezpečnosť priemyselného systému pomocou poistkovej technológie novej generácie
Najnovšie systémy na skladovanie energie vyžadujú vysoko výkonné bezpečnostné komponenty a sofistikované riešenia ochrany obvodov, ktoré môžu poskytnúť kritickú úroveň ochrany na zaistenie bezpečnosti aj spoľahlivosti.
Elektrické vozidlá existujú od polovice 19. storočia a boli veľmi populárne, kým lacný benzín z texaských ropných polí nezmenil dynamiku. Tieto prvé EV mali vážne problémy s hustotou energie a účinnosťou pohonnej jednotky, napriek tomu si elektrické vozidlo udržalo pozemný rýchlostný rekord až do prelomu minulého storočia. Najväčší problém s bezpečnosťou u týchto batériových systémov prvej generácie sa väčšinou točil okolo prepravy a skladovania kyselín v elektrolyte (obr. 1).
1. Systémy skorej batérie trpeli nízkou hustotou energie a použitými žieravinami.
Moderný akumulátor EV má výrazne vyššiu hustotu a kapacitu ako starožitné systémy a bezpečnostné problémy a procesy potrebné na ich riešenie prešli na pokročilejšie základné technológie. Správa vysokých prúdov súčasných elektrických vozidiel sa stala hlavným problémom bezpečnosti, pretože nesprávne zvládnutá skratová udalosť sa môže stať katastrofickou situáciou zlyhania.
Bezpečnosť a výkon
Rovnaké požiadavky na účinnosť a hustotu energie platia aj pre výkonovú elektroniku EV, ktorá si vyžaduje aj mimoriadne vysokú úroveň bezpečnosti a funkčnosti. Iba tým, že majú pokročilé systémy batérií a elektroniku riadenia napájania, môžu dnešné elektromobily vyhovieť potrebám rozsahu, výkonu a bezpečnosti. Migrácia na pokročilé materiály, ako sú polovodiče so širokým pásmom v energetických systémoch, je dvojsečnou zbraňou, ktorá zvyšuje výkon aj potrebu bezpečnej prevádzky.
Lepšie batérie
Dopyt po zdokonalenom skladovaní energie neustále rastie takmer vo všetkých odvetviach trhu. Dnešné riešenia vyžadujú batérie s vysokou hustotou - od malých zariadení ako zdravotnícke potreby až po systémy veľké ako elektrická sieť.
Tieto aplikácie potrebujú na bezpečnú a spoľahlivú prevádzku celý rad metód, pretože úrovne výkonu nenechávajú priestor na chyby. Od bezpečnosti pri špičkových holeniach a iných metodikách premiestňovania záťaže v elektrickej sieti po elektroniku rýchleho nabíjania slúžiacu k EV pripojenú k nej je zaistenie bezpečnosti použitých batérií kritické (obr. 2).
2. Pokročilé energetické aplikácie, ako napríklad rýchle nabíjanie vozidla, musia fungovať bezpečne, spoľahlivo a ekonomicky.
Tavenie pre bezpečnosť
Aby sa zabezpečilo, že tieto systémy riadenia spotreby energie s vysokou hustotou sú bezpečné počas celej životnosti vozidla, je nevyhnutné do ich návrhov integrovať robustné a vysoko výkonné ochranné komponenty. Poistky alebo podobné zariadenia sú povinné súčasti ochrany obvodu, ktoré chránia auto pred skratom prerušením napájacieho vedenia za veľmi špecifických podmienok. Mnoho z týchto nespočetných druhov poistiek má spoločný primárny aspekt, časť skonštruovaného vodiča.
Tento na mieru vyrobený článok, zvyčajne kovový, má prerušiť spojenie tavením (alebo odparením) kontrolovaným spôsobom. Zvyčajne sa to deje za vyšších teplotných podmienok vytvorených skratom, čím sa zaistí bezpečnosť systému úplným odpojením od zdroja energie. Existuje však niekoľko nevýhod, medzi nimi je to, že obvod pod zaťažením nebude vždy vykazovať pravidelný a plynulý tok prúdu.
Napríklad v konštrukciách, ktoré zažívajú impulzy vysokého výkonu, znamená veľká výsledná variácia prúdu použitie poistky s vyššou hodnotou, aby sa zabránilo nepríjemnému vypnutiu. Problém je v tom, že toto riešenie necháva okruh viac vystavený prehriatiu a tepelnej poruche. Jednorazový aspekt poistiek navyše viedol k väčšiemu využívaniu pokročilých bezpečnostných zariadení, ako sú ističe, ktoré sú resetovateľné a neobsahujú časti, ktoré by zhoreli.
Pripojenie stýkačov
Stýkače sú elektromechanické ochranné zariadenia, ktoré sa podobne ako ističe líšia tým, že nezastavia skrat. Pôsobia skôr ako vysoko výkonné spínacie zariadenia, ktoré sa pripájajú priamo k silnoprúdovým záťažiam. Výkonové stýkače, ktoré sú prevádzkované pomocou externého riadenia, slúžia na náročné úlohy spojené s resetovaním obvodu, keď sú prítomné vysoké úrovne prúdu. Podobne ako relé, aj stykače ponúkajú funkcie na riadenie a potlačenie oblúkov vytvorených pri prepínaní.
Vysokonapäťové stýkače zaisťujú bezpečnosť a kontinuitu obvodov v úložiskách energie hybridných a elektrických vozidiel, nabíjačkách batérií a priemyselných systémoch vysokého výkonu, rýchle a bezpečné pripájanie a odpájanie napájania pri zvládaní problémov s oblúkom a zapínaním. Jedným z príkladov sú elektromobily, kde normálne otvorené stýkače riadia spojenie medzi batériou a systémom a automaticky sa odpojia, keď sa vozidlo nepoužíva.
Ochrana novej generácie
Existujú aj iné riešenia ochrany obvodu, ktoré dokážu otvoriť obvod rýchlejšie ako poistka a sú odolnejšie proti nepríjemnému vypnutiu. Táto a ďalšie pokročilé funkcie zaisťujú nižšie riziko poškodenia ako tepelné poistky. Príklad takéhoto riešenia možno nájsť v poistke Dissmann Fuse vyvinutej spoločnosťou GIGAVAC, značkou Sensata Technologies (obr. 3).
3. Sensata Dissmann Fuse, zameraná na EV, je rýchlo pôsobiace elektromechanické zariadenie s nízkou tvorbou tepla.
Hermeticky uzavreté, rýchlo pôsobiace elektromechanické zariadenie má nízku tvorbu tepla a vypína pri presnom prúde. Medzi vlastnosti patrí vysoko znížený odpor, žiadne tepelné starnutie a zvýšená účinnosť systému. Ak sú prístroje poskytované v pasívnych aj pasívnych variáciách, používajú na spustenie prístroja magnetické pole toku prúdu (Lorentzova sila). Obrázok 4 ukazuje, ako to funguje, pričom modrá čiara v grafe ukazuje spúšťaciu hranicu.
4. Tento diagram demonštruje činnosť riešení ochrany obvodu, ako je Dissmannova poistka. Modrá čiara označuje prahovú hodnotu spúšťania, ktorá ukazuje, že zariadenie môže otvoriť obvod rýchlejšie ako poistka a bližšie k požadovaným prevádzkovým podmienkam.
Tento graf ukazuje, že zariadenie môže otvoriť obvod rýchlejšie a bližšie k požadovaným prevádzkovým podmienkam ako poistka. K dispozícii je nepretržitý rozsah výkonov od 200 do 500 A a je tiež nastaviteľná cesta jeho spúšťacieho prahu. Pri generovaní malého množstva tepla v prevádzke je odolný voči tepelnému starnutiu a rušivému vypínaniu spôsobenému horúcimi a chladnými prevádzkovými cyklami, ktoré časom spôsobujú krehkosť vodiča.
Poistka Dissmann je považovaná za prvú hermetickú poistku v priemysle, ktorá spína s presnými prúdmi. Je navrhnutý tak, aby výrazne znížil odpor, čas inštalácie, zložitosť a náklady a pomohol zvýšiť efektivitu systému.
Predĺžením životnosti systému zaistením fyzickej a prevádzkovej integrity spojenia má poistka rýchle a konzistentné jasné časy bez ohľadu na teploty okolia. Toto je čoraz dôležitejšie pri vysoko výkonných elektromobiloch, kde akýkoľvek dodatok k tepelnému vplyvu elektroniky hnacieho ústrojenstva môže ovplyvniť výkon iných tepelne citlivých subsystémov.
Rýchla prevádzka tiež zlepšuje výkon stýkača. Stykač môže počas prevádzky levitovať, rozptýliť energiu, ktorá by mala byť k dispozícii na spustenie poistky, a namiesto toho zaťažiť prúd stykačom. To môže zabrániť, aby poistka „videla“ skrat a potenciálne mohla viesť ku katastrofickej poruche. Pri pohľade na situáciu s 500-A stýkačom a 500-A poistkou by takáto konfigurácia vyžadovala vypnutie sekundy alebo dvoch pri 1 000 A, zatiaľ čo rýchle vypínacie riešenie môže byť napríklad nastavené na 1 000 A a 3 ms
V prípade tepelných poistiek existuje oblasť činnosti, v ktorej môžu súčasné úrovne preťažiť stýkač, čo narušuje jeho schopnosť prerušiť zaťaženie blokovaním v dosiahnutí tepelného bodu, aby sa spustila poistka. Toto riziko je eliminované výrobkami, ktoré ponúkajú veľmi nízky kontaktný odpor menší ako 0,15 mΩ, čo tiež vedie k menším stratám energie a zvýšeniu účinnosti systému.
Úvahy
Presné a rýchlo vypínajúce ochranné zariadenia sa zameriavajú na bezpečnosť obvodov vo výkonných systémoch, ale ich výhody sa neobmedzujú iba na obsluhu pokrokových batérií. Nespočetné množstvo aplikácií, vrátane priemyselnej robotiky a systémov alternatívnej energie, môže ťažiť z účinnosti, tepelných vlastností a prevádzkovej rýchlosti takéhoto riešenia. Tieto rýchlo pôsobiace hermeticky uzavreté elektromechanické zariadenia sú vhodné pre aplikácie, kde je problematické tepelné starnutie alebo vypnutie.
Riešenia ochrany napájania, ako napríklad poistka Dissmann Fuse, pomáhajú koordinovať stýkač a poskytujú ochranu pri skratových podmienkach. Systémy akumulácie energie novej generácie vyžadujú rovnako vysoko výkonné bezpečnostné komponenty a sofistikované riešenia ochrany obvodov, ktoré môžu poskytnúť požadovanú kritickú úroveň ochrany na zaistenie bezpečnosti aj spoľahlivosti.