انتخاب ایمنی فیوزهای ولتاژ بالا-برای وسایل نقلیه با انرژی جدید: فناوری‌های کلیدی برای بدنه لوله سرامیکی، خاموش کردن قوس DC و طراحی نصب

همانطور که سیستم باتری برق وسایل نقلیه با انرژی جدید به سمت ولتاژ بالا، ظرفیت زیاد و توان بالا توسعه می یابد،-ایمنی الکتریکی ولتاژ بالا به یک موضوع مهم در طراحی خودرو و سیستم باتری تبدیل شده است. فیوز ولتاژ بالا به عنوان یک وسیله کلیدی حفاظت از جریان اضافه در مدار باتری قدرت، باید به سرعت جریان خطا را تحت شرایط غیرعادی مانند اتصال کوتاه و اضافه بار شدید قطع کند و انتشار انرژی خطا را از طریق یک ساختار خاموش کننده قوس قابل اطمینان محدود کند. بنابراین، ولتاژ نامی، جریان نامی، ظرفیت شکست، عملکرد خاموش کردن قوس، عایق، و قابلیت‌های مقاومت حرارتی فیوز مستقیماً با ایمنی سیستم ولتاژ بالا مرتبط است.

 

متفاوت از مدارهای ولتاژ پایین سنتی-، باتری‌های انرژی جدید خودروهای برقی جریان مستقیم ولتاژ بالا-خروجی می‌کنند. هیچ نقطه عبور طبیعی برای DC وجود ندارد، و قوس نمی تواند به راحتی پس از وقوع یک اتصال کوتاه، خود را خاموش کند. بنابراین، فیوزهای ولتاژ بالا{5}DC باید دارای قابلیت محدود کردن جریان و خاموش کردن قوس الکتریکی خاص باشند. هنگامی که یک اتصال کوتاه جدی در سیستم باتری برق رخ می دهد، فیوز باید جوش مذاب، کنترل قوس و قطع جریان را در مدت زمان بسیار کوتاهی کامل کند تا از آسیب بیشتر به باتری، رله ها، کانکتورها و سایر اجزای{7} ولتاژ بالا توسط جریان خطا جلوگیری شود.

 

 

 

باتری‌های برق معمولاً از تعداد زیادی سلول منفرد تشکیل شده‌اند که به صورت سری و موازی به هم متصل شده‌اند تا یک بسته باتری را تشکیل دهند، و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی و{0}}انرژی مدار کوتاه آن‌ها بسیار بیشتر از سیستم‌های الکتریکی ولتاژ پایین- معمولی است. هنگامی که یک اتصال کوتاه در مدار اصلی رخ می دهد، جریان خطا ممکن است در مدت زمان بسیار کوتاهی به سرعت افزایش یابد. بدون حفاظت از جریان اضافه قابل اطمینان، گرمای تولید شده توسط جریان غیرعادی ممکن است باعث گرم شدن بیش از حد هادی ها، آسیب به مواد عایق و حتی حوادث ایمنی حرارتی جدی تری شود.

 

فیوزهای ولتاژ بالا معمولاً در مدار اصلی باتری برق، مدار شارژ یا سایر مکان‌هایی که به جداسازی خطای انرژی بالا نیاز دارند نصب می‌شوند. هنگامی که اضافه بار شدید یا جریان اتصال کوتاه{3}} تشخیص داده شد، مذاب از طریق گرمایش خود به شرایط ذوب می‌رسد و از قوس داخلی{4} برای محدود کردن قوس استفاده می‌کند و در نتیجه قطع جریان خطا را در زمان مشخص شده تکمیل می‌کند.

 

بنابراین، فیوز به معنای ساده یک "فیوز" نیست، بلکه یک جزء فعال جداسازی خطا در سیستم ولتاژ بالا- وسایل نقلیه با انرژی جدید است. طراحی آن باید هم عملکرد کم توان-در شرایط کاری معمولی و هم قابلیت شکست{3} انرژی بالا در شرایط خطا را در نظر بگیرد.

 

در محصولات واقعی، سازه هایی مانند بدنه سرامیکی فیوز EV معمولاً باید استحکام مکانیکی، عملکرد عایق، مقاومت حرارتی و استقامت فشار داخلی را در نظر بگیرند. به خصوص برای کاربردهای ولتاژ بالا و جریان بالا، انتخاب مواد لوله مستقیماً بر حاشیه ایمنی فیوز تأثیر می گذارد.

 

 

فیوزهای ولتاژ بالا معمولاً از یک مذاب، بدنه لوله، پرکننده خاموش کننده قوس، درپوش انتهایی و ساختار اتصال تشکیل شده‌اند. در طول عملیات عادی، مذاب اجازه می دهد تا جریان عملیاتی در محدوده مشخص شده همچنان عبور کند و تلفات توان خود باید در محدوده معقولی کنترل شود.

 

وقتی مدار به شدت اضافه بار شود یا اتصال کوتاه- داشته باشد، دمای محلی مذاب به سرعت بالا می‌رود و فیوز ایجاد می‌شود.

 

پس از شکستن مذاب، ممکن است انرژی قوس بالایی همچنان در مدار وجود داشته باشد. برای سیستم های DC، قوس را نمی توان با تکیه بر تقاطع صفر طبیعی AC خاموش کرد، بنابراین جذب انرژی، کاهش دمای قوس و محدود کردن کانال قوس از طریق مواد خاموش کننده قوس ضروری است.

 

رسانه‌های خاموش کننده قوس دانه‌ای-مانند ماسه کوارتز می‌توانند مقدار زیادی گرما را در طول فرآیند ذوب جذب کنند و به تشکیل یک محصول ذوب با استحکام عایق بالا کمک کنند و در نتیجه جداسازی گالوانیکی نهایی را تکمیل کنند.

 

در طول این فرآیند، بدنه لوله نه تنها نقش پشتیبانی مکانیکی را بر عهده می گیرد، بلکه باید در برابر دمای بالا و فشار داخلی تولید شده در طول فرآیند ذوب مقاومت کند. اگر مقاومت مکانیکی، مقاومت حرارتی یا عملکرد عایق بدنه لوله کافی نباشد، مشکلاتی مانند پارگی لوله، قوس بیرونی یا شکست عایق ممکن است رخ دهد حتی اگر خود مذاب بتواند به طور معمول کار کند.

 

بنابراین، طراحی مواد بدنه سرامیکی برای فیوزهای EV نمی تواند تنها بر روی خواص مکانیکی در دمای معمولی تمرکز کند، بلکه باید اثرات جامع دمای بالا، ولتاژ بالا و ضربه قوس الکتریکی را در طول فرآیند قطع اتصال کوتاه نیز در نظر بگیرد.

 

 

فیوزهای ولتاژ بالا در وسایل نقلیه با انرژی جدید معمولاً در جعبه‌های باتری، جعبه‌های توزیع ولتاژ بالا یا مکان‌های دیگر با فضای محدود نصب می‌شوند. با توجه به سطح بالای یکپارچگی در این مناطق، شرایط اتلاف گرما، فاصله نصب و مواد اطراف آن همگی بر وضعیت عملکرد فیوز تأثیر می‌گذارند.

 

اگر فیوز برای مدت طولانی در معرض دمای بالا قرار گیرد، مواد لوله باید پایداری حرارتی خوبی داشته باشد. اگر مواد نرم شوند، پیر شوند، تغییر شکل دهند، یا خواص عایق را تحت تنش حرارتی پایدار کاهش دهند، ممکن است حاشیه ایمنی کل فیوز کاهش یابد.

 

در طول وقفه خطا، دمای ناحیه محلی بسیار بالاتر از دمای عملیاتی معمولی خواهد بود، بنابراین مواد باید نه تنها در برابر دمای عملیات مداوم، بلکه در برابر شوک‌های حرارتی شدید کوتاه مدت مقاومت کنند. این امر به ویژه برای وسایل نقلیه با انرژی جدید بسیار مهم است زیرا جریان خطای سیستم باتری قدرت ممکن است سطح انرژی زیادی داشته باشد.

 

مواد سرامیکی مقاومت حرارتی و خواص عایق الکتریکی بالایی دارند، بنابراین به طور گسترده در بدنه لوله و ساختار عایق فیوزهای ولتاژ بالا-استفاده می‌شوند. برای فیوزهای خودرو با ولتاژ بالا، لوله سرامیکی آلومینا برای فیوز برقی ولتاژ بالا می تواند عملکرد جامع بهتری بین عایق، مقاومت حرارتی و پایداری مکانیکی ارائه دهد.

 

 

 

سرامیک آلومینا یک نوع رایج از مواد سرامیکی عایق الکتریکی با مقاومت عایق بالا، مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی بالا است. در فیوزهای ولتاژ بالا، از سرامیک های آلومینا می توان برای تشکیل یک بدنه لوله عایق پایدار استفاده کرد تا فضای محصور قابل اطمینانی برای محیط خاموش کننده مذاب داخلی و قوس- فراهم کند.

 

در مقایسه با برخی از مواد عایق آلی، سرامیک های آلومینا در شرایط دمایی بالا پایداری ابعادی بهتری دارند و به آسانی پلیمرهای قابل اشتعال نرم نمی شوند و نمی سوزند. بنابراین، در سیستم ولتاژ بالا{1} وسایل نقلیه جدید انرژی با الزامات ایمنی آتش بالا، بدنه لوله های سرامیکی دارای مزایای ساختاری خاصی هستند.

 

برای فیوزهای سطوح مختلف ولتاژ، طراحی جامع بر اساس عواملی مانند فاصله الکتریکی، استحکام عایق، مقاومت مکانیکی، اندازه لوله و فشار داخلی مورد نیاز است. مشخصات خاص لوله سرامیکی آلومینا برای فیوز خودروهای الکتریکی باید با ساختار مذاب و پارامترهای شکستگی کل فیوز مطابقت داشته باشد و نمی توان تنها بر اساس اندازه لوله انتخاب شود.

 

 

 

هنگام انتخاب فیوز ولتاژ بالا، ابتدا باید حداکثر ولتاژ عملکرد سیستم را تعیین کنید. ولتاژ نامی فیوز باید بتواند حداکثر ولتاژ عملکرد سیستم باتری قدرت را پوشش دهد و حاشیه مناسبی برای عملکرد عادی و شرایط گذرا باقی بگذارد.

 

بعدی جریان نامی است. جریان نامی به سادگی بر اساس حداکثر جریان کار مداوم خودرو انتخاب نمی شود. همچنین نیاز به ارزیابی جامع بر اساس دمای محیط، روش نصب، شرایط اتلاف حرارت، زمان کار مداوم و نوسانات جریان دارد. یک جریان نامی بیش از حد کوچک ممکن است باعث گرمایش مکرر یا حتی فیوزهای کاذب در طول کار عادی شود، در حالی که یک جریان نامی بسیار زیاد ممکن است سرعت حفاظت از خطا را کاهش دهد.

 

ظرفیت شکست نیز یک شاخص مهم برای فیوزهای DC ولتاژ بالا-است. طراحان باید تأیید کنند که فیوز می تواند به طور ایمن جریان خطا را در محدوده مشخص شده بر اساس حداکثر جریان اتصال کوتاه- باتری قدرت، امپدانس سیستم و ساختار مدار خطا قطع کند.

 

علاوه بر این، توجه به ویژگی‌های زمانی- فعلی نیز ضروری است. سرعت ذوب فیوزهای مختلف دقیقاً یکسان نیست و باید مطابق با الزامات سیستم برای حفاظت از مدار کوتاه-، حفاظت اضافه بار، و حفاظت از هماهنگی دستگاه انتخاب شوند.

 

 

سیستم باتری قدرت ممکن است با دو وضعیت غیرعادی مواجه شود: اضافه بار و اتصال کوتاه به طور همزمان. اضافه بار معمولاً به این صورت ظاهر می شود که جریان عملیاتی همچنان از محدوده طراحی معمولی فراتر می رود، اما جریان خطا نسبتاً آهسته افزایش می یابد. یک اتصال کوتاه ممکن است باعث شود جریان در مدت زمان بسیار کوتاهی به سرعت به سطح بالایی برسد.

 

برای انواع خطاهای مختلف، فیوزها باید از طریق طراحی های مختلف فیوز به ویژگی های حفاظتی مربوطه دست یابند. بنابراین، ساختار محصول مربوط به بدنه سرامیکی برای فیوز حفاظت از اضافه بار و اتصال کوتاه باید همراه با مذاب، پرکننده و ظرفیت شکست نامی طراحی شود.

 

برای سیستم‌های ولتاژ بالا{0}خودروهای انرژی جدید، فیوزها همچنین باید یک رابطه حفاظتی هماهنگ با کنتاکتورها، مدارهای پیش شارژ، BMS و سیستم‌های توزیع ولتاژ بالا- ایجاد کنند. بهبود قابلیت حفاظتی یک دستگاه خاص به تنهایی نمی تواند جایگزین استراتژی حفاظتی کل سیستم ولتاژ بالا شود.

 

 

یکی از مشکلات فنی اصلی فیوزهای DC ولتاژ بالا-کنترل قوس است. پس از ذوب شدن مذاب، یک قوس{2}}در دمای بالا ممکن است بین دو شکستگی ایجاد شود. اگر قوس ادامه یابد، عایق الکتریکی نمی تواند واقعاً به دست آید.

 

پرکننده خاموش کننده قوس و ساختار لوله به طور مشترک فرآیند خنک‌سازی، تقسیم‌بندی و دییونیزاسیون قوس را تعیین می‌کنند. بدنه لوله سرامیکی پایدار می تواند یکپارچگی ساختار داخلی را در طول فرآیند ذوب حفظ کند و فضای بسته و پایداری را برای فرآیند خاموش کردن قوس فراهم کند.

 

برای فیوزهای DC خودرو، ساختار سرامیکی مورد استفاده توسط سرامیک برای فیوزهای خودرو DC معمولاً باید بر اساس ولتاژ، جریان، ظرفیت شکست و فشار داخلی مطابقت داده و طراحی شود. عملکرد عایق ماده تنها پایه است، و محصول واقعی هنوز باید از طریق یک آزمایش کامل{1} مدار شکستگی تأیید شود.

 

 

سیستم ولتاژ بالا-وسایل نقلیه با انرژی جدید معمولاً دارای ولتاژ DC بالایی است، بنابراین فیوز علاوه بر حفاظت در برابر جریان بیش از حد، نیاز به حفظ قابلیت عایق کافی در شرایط کاری عادی و پس از فیوزینگ دارد.

 

طراحی عایق شامل استحکام دی الکتریک خود ماده و همچنین فواصل خزش، فاصله های الکتریکی، سازه های انتهایی و محیط نصب است. اگر فیوز ولتاژ بالا خیلی نزدیک به ساختار فلزی اطراف باشد، یا اگر آلودگی یا تراکم روی سطح وجود داشته باشد، ممکن است حاشیه عایق واقعی کاهش یابد.

 

برای عایق بندی سازه های سرامیکی مانند بدنه ذوب شده سرامیکی استاتیت الکتریکی، سیستم مواد و ابعاد سازه باید بر اساس سطوح ولتاژ خاص و شرایط محیطی تعیین شود. وسایل نقلیه انرژی جدید همچنین تغییرات دما، تغییرات رطوبت، ارتعاشات مکانیکی و ضربه های جاده را در طول عملیات واقعی تجربه خواهند کرد، بنابراین ساختار عایق باید پایداری طولانی مدت داشته باشد.

 

 

 

علاوه بر عملکرد خود فیوز، محل نصب نیز بر ایمنی سیستم تأثیر می گذارد. فیوزهای ولتاژ بالا باید در مکان‌های پر ازدحام، شرایط اتلاف حرارت بسیار نامناسب یا مستعد آسیب‌های مکانیکی اجتناب شود.

 

اگر فضای نصب به منبع گرمای زیاد باتری قدرت نزدیک است، هدایت گرما، تابش گرما و جریان هوا باید ارزیابی شود. برای سازه هایی که نیاز به تعمیر و نگهداری و تعویض دارند، فضای عملیاتی برای پرسنل تعمیر و نگهداری و الزامات جداسازی ایمنی ولتاژ بالا نیز باید به طور کامل در نظر گرفته شود.

 

در سیستم‌های توزیع برق با ولتاژ بالا، فیوزها معمولاً باید همراه با کنتاکتورها، رله‌ها، شین‌ها و پایانه‌های اتصال گذاشته شوند. برای سازه های لوله مانند Ceramic Casing for Fuse Link، فضای اطراف نه تنها بر اتلاف گرما تأثیر می گذارد، بلکه با فاصله ایمن در شرایط خطا نیز مرتبط است.
 

 

راستی‌آزمایی فیوزهای ولتاژ بالا برای وسایل نقلیه با انرژی جدید باید هم عملکرد عادی و هم شرایط کاری غیرعادی را پوشش دهد. در شرایط عادی کار، باید به افزایش دما، ظرفیت حمل مداوم جریان، پایداری مقاومت و عملکرد عایق توجه شود. در شرایط کاری غیرعادی، باید روی بررسی اضافه بار، اتصال کوتاه، ظرفیت شکستن و توانایی مقاومت در برابر جریان های شدید تمرکز کرد.

 

علاوه بر این، ارزیابی قابلیت اطمینان محیطی باید بر اساس محیط استفاده واقعی وسایل نقلیه با انرژی جدید، از جمله آزمایش‌هایی مانند چرخه‌های دمای بالا و پایین، گرما و رطوبت، لرزش، شوک مکانیکی، و{0}} انرژی دهی طولانی مدت انجام شود.

 

برای محصولاتی که از بدنه‌های لوله سرامیکی آلومینا استفاده می‌کنند، همچنین لازم است بر روی قوام ابعادی، کیفیت سطح، استحکام مکانیکی و قابلیت اطمینان مونتاژ خود سرامیک با قطعات فلزی انتهایی تمرکز شود. پارامترهای مواد لوله سرامیکی آلومینا Al2O3 برای فیوزهای ولتاژ بالا تنها زمانی می توانند سطح ایمنی محصول را منعکس کنند که همراه با ساختار کلی فیوز تأیید شوند.
 

 

همانطور که پلتفرم ولتاژ باتری های برق همچنان در حال افزایش است، سیستم های ولتاژ بالا به تدریج از پلت فرم سنتی صدها ولت به سطوح ولتاژ بالاتر توسعه می یابند. ولتاژ سیستم بالاتر می تواند جریان عملیاتی تحت همان توان را کاهش دهد، در نتیجه تلفات هادی را در مهار سیم و شین کاهش می دهد، اما در عین حال الزامات بالاتری را برای عایق، خاموش کردن قوس و حفاظت از خطا ایجاد می کند.

 

یکی از مسیرهای توسعه آینده فیوزهای ولتاژ بالا- کوچک سازی و چگالی توان بالا است. فضای نصب محدود خودرو به فیوز نیاز دارد تا اندازه خود را بیشتر کاهش دهد و در عین حال ظرفیت شکستن خود را حفظ کند و ظرفیت مدیریت انرژی خطا در واحد حجم را بهبود بخشد.

 

جهت مهم دیگر بهینه سازی مواد است. لوله عایق سرامیکی آلومینا برای فیوز به تعادل بین استحکام دی الکتریک، پایداری حرارتی، مقاومت مکانیکی و قوام پردازش نیاز دارد. با افزایش استانداردسازی پلت فرم های خودروهای انرژی جدید، دقت ابعادی و قوام دسته ای بدنه لوله های سرامیکی نیز به شاخص های مهم تولید تبدیل خواهد شد.

 

علاوه بر این، ادغام فیوزها و سیستم‌های توزیع{0}ولتاژ بالا همچنان رو به افزایش خواهد بود. راه‌حل‌های حفاظت از ولتاژ بالا در آینده نه تنها باید عملکرد فیوز را در نظر بگیرند، بلکه به هماهنگی سطح سیستم با کنتاکتورها، مدارهای پیش‌شارژ، BMS، کانکتورهای ولتاژ بالا{{4} و شین‌ها نیز نیاز دارند.

 

 

از منظر طراحی ایمنی، مواد بدنه لوله فیوز با ولتاژ بالا حداقل باید چندین الزام اساسی را برآورده کند: دارای استحکام مکانیکی کافی برای مقاومت در برابر فشار داخلی ناشی از فرآیند شکستن است. دارای عملکرد عایق پایدار برای برآوردن-نیازهای عملیات طولانی مدت سیستم ولتاژ بالا-. مقاومت حرارتی خوبی برای حفظ پایداری ساختاری در محیط‌های با دمای غیرعادی بالا دارد. همچنین باید سازگاری ابعادی خوبی داشته باشد تا از یک رابطه مونتاژ دقیق بین مذاب، پرکننده و ساختار انتهایی اطمینان حاصل شود.

 

برای کاربردهای-وسایل نقلیه انرژی جدید با ولتاژ بالا، لوله سرامیکی آلومینا 95% برای فیوز ولتاژ بالا یک راه حل مواد لوله سرامیکی است.

 

کاربرد واقعی آن هنوز باید بر اساس ولتاژ نامی فیوز خاص، جریان نامی، جریان مدار کوتاه-و ساختار مکانیکی تأیید شود.

 

برای انواع مختلف مدارهای کمکی، تفاوت هایی در اندازه و پارامترهای حفاظتی فیوزها نیز وجود دارد. به عنوان مثال، فیوزهای کمکی خودروی الکتریکی بدنه سرامیکی برای تطبیق بر اساس جریان عملیاتی، ولتاژ نامی، فضای نصب و سایر شرایط مدار برق کمکی مناسب‌تر هستند، نه اینکه صرفاً پارامترهای طراحی مدار اصلی باتری قدرت را اعمال کنند.

 

 

 

ایمنی فیوزهای ولتاژ بالا{0}}خودروهای انرژی جدید تنها با یک پارامتر مشخص نمی‌شود، بلکه توسط طراحی مذاب، محیط اطفاء قوس، مواد لوله، ساختار انتهایی، روش نصب، و استراتژی حفاظت از سیستم ولتاژ بالا تعیین می‌شود.

 

در سیستم‌های DC با ولتاژ بالا، فیوزها باید به سرعت انرژی را پس از وقوع خطا محدود کنند، در حالی که اطمینان حاصل شود که قوس ایجاد شده در طول فرآیند شکستن باعث آسیب ثانویه به سازه‌های اطراف نمی‌شود. بنابراین، طراحی مشترک بین مواد، پارامترهای ساختاری و الکتریکی ضروری است.

 

برای برنامه‌های-خودرویی با ولتاژ بالا،لوله سرامیکی آلومینا برای فیوز خودروهای ولتاژ بالانه تنها عملکرد عایق و پشتیبانی مکانیکی را بر عهده می گیرد، بلکه در کل فرآیند کنترل انرژی شکست فیوز شرکت می کند. همانطور که وسایل نقلیه جدید انرژی به سمت ولتاژ بالا، توان بالا و یکپارچگی بالا توسعه می یابند، اهمیت این مفهوم طراحی سطح{1} سیستم بیشتر افزایش می یابد.

 

به طور کلی، انتخاب فیوزهای ولتاژ بالا نه تنها باید بر دو پارامتر اصلی ولتاژ نامی و جریان نامی تمرکز کند، بلکه باید حداکثر ویژگی‌های-جریان مدار کوتاه، زمان{2}}جریان، ظرفیت شکست، دمای محیط، فاصله عایق، محل نصب و نگهداری را نیز در نظر بگیرد.