آخرین خط دفاع در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی: تحلیل فناوری فیوز DC

در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، فیوزهای DC، به‌عنوان اجزای حفاظتی حیاتی، مسئولیت اصلی قطع سریع جریان خطا در شرایط اتصال کوتاه- را بر عهده دارند. آنها به انزوای فیزیکی مدار از طریق مکانیسم ذوب حرارتی عنصر همجوشی در شرایط اضافه بار یا مدار کوتاه- دست می یابند که دارای سرعت پاسخ سریع، ظرفیت شکست بالا و قابلیت اطمینان ساختاری قوی است. به خصوص در سیستم‌های ولتاژ بالا{4}DC، هنگامی که با مواد عایق{{5} بالا مانند سرامیک برای فیوزهای اتومبیل DC ترکیب می‌شوند، سطح ایمنی کلی سیستم می‌تواند به طور قابل توجهی بهبود یابد.

 

 

 

یک فیوز DC ذخیره انرژی معمولی از سه بخش تشکیل شده است: عنصر همجوشی، پوشش و قوس{0}}واسطه خاموش کننده. عنصر همجوشی معمولاً از مواد مبتنی بر نقره یا مس- ساخته می‌شود و موقعیت و زمان ذوب از طریق طراحی ساختار چند-گردنی کنترل می‌شود. پوشش بیشتر از مواد سرامیکی با استحکام بالا، مانند سرامیک آلومینیوم 95% ساخته شده است تا در برابر دمای بالا و تنش مکانیکی ایجاد شده در لحظه ذوب مقاومت کند. پر کردن شن کوارتز داخلی برای جذب سریع انرژی قوس، دستیابی به خاموش کردن موثر قوس استفاده می شود.

 

هنگامی که جریان از مقدار نامی تجاوز می کند و به انرژی معینی (I²t) انباشته می شود، عنصر گداز پذیر به سرعت ذوب شده و تبخیر می شود و شکسته می شود. سپس قوس الکتریکی توسط ماسه کوارتز شکسته و خاموش می شود. کل فرآیند را می توان در میکروثانیه تکمیل کرد. مشابه طراحی ساختاری یک لوله سرامیکی برای فیوز ولتاژ بالا، این به طور موثر از احتراق مجدد قوس در محیط‌های{2} ولتاژ بالا جلوگیری می‌کند و ایمنی سیستم را تضمین می‌کند.

 

 

فیوزهای DC برای ذخیره انرژی معمولاً طبق استاندارد IEC 60269 طبقه بندی می شوند. بر اساس ظرفیت شکست و سناریوی کاربردی، می توان آنها را به انواع gG، aR، gR و gPV تقسیم کرد. در این میان، انواع gR و gG برای حفاظت از کلاستر و اتوبوس مناسب هستند، در حالی که نوع aR عمدتا برای حفاظت از نیمه هادی های قدرت استفاده می شود.

 

در سیستم‌های DC ولتاژ بالا، پایداری ساختاری فیوزها به شدت به عایق سرامیکی بستگی دارد، مانند بدنه سرامیکی برای اضافه بار و فیوز محافظ اتصال کوتاه. این عایق نه تنها پشتیبانی مکانیکی را فراهم می کند، بلکه نقش مهمی در ایزولاسیون الکتریکی ایفا می کند و پایه مهمی را برای دستیابی به ظرفیت شکست بالا تشکیل می دهد.

 

 

فیوزهای DC ذخیره انرژی بر اساس شکل ساختاری خود به طور عمده به سه دسته تقسیم می شوند: نوع لوله گرد، نوع مکعبی و نوع صفحه تخت.

 

فیوزهای نوع لوله گرد عمدتاً از ساختار لوله سرامیکی، مانند لوله سرامیکی برای فیوز EV DC، مناسب برای سناریوهای کاربردی استاندارد استفاده می کنند. فیوزهای نوع مکعبی با پیچ و مهره ثابت می شوند و برای سیستم های با جریان بالا و ولتاژ بالا مناسب هستند. ساختار داخلی آنها معمولاً از یک پوسته سرامیکی با چگالی بالا برای بهبود اتلاف گرما و استحکام مکانیکی استفاده می‌کند.

 

فیوزهای نوع صفحه تخت (نوع تیغه ای) عمدتاً در داخل ماژول های باتری استفاده می شوند. ساختار ارتفاع کم-آنها یک چیدمان فشرده را تسهیل می کند. در برخی از سیستم‌های بسیار یکپارچه، فیوزها را می‌توان با جعبه‌های ولتاژ بالا به عنوان واحدهای مدولار- نیز ادغام کرد. اجزای ساختاری سرامیکی، مانند پوشش سرامیکی برای فیوز پیوند، عملکرد عایق را تضمین می کنند و در عین حال فشردگی و قابلیت اطمینان ساختار را نیز در نظر می گیرند.

 

 

عملکرد یک فیوز DC عمدتاً توسط پارامترهایی مانند انتگرال ژول (I²t)، ولتاژ نامی، جریان نامی و ظرفیت شکست تعیین می شود. I²t توانایی مقاومت در برابر انرژی یک فیوز را نشان می دهد و یک شاخص کلیدی برای جلوگیری از خرابی است. ولتاژ نامی باید با سطح ولتاژ سیستم مطابقت داشته باشد تا از احتراق مجدد قوس پس از سوختن فیوز جلوگیری شود.

 

در محیط‌های عملیاتی با دمای{0}بالا، پایداری مواد سرامیکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. به عنوان مثال، بدنه ذوب شده سرامیکی استاتیت الکتریکی عایق دارای مقاومت حرارتی و خواص عایق عالی است که عملکرد پایدار درازمدت فیوز را در محیط های بالاتر از 50 درجه تضمین می کند. به طور همزمان، ظرفیت قطع باید حداکثر جریان مدار کوتاه-سیستم را پوشش دهد. در حال حاضر، سیستم های اصلی ذخیره انرژی معمولاً از محصولاتی با ظرفیت شکست 100 کیلو آمپر و بالاتر استفاده می کنند.

 

 

در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، فیوزهای DC عمدتاً در گره‌های کلیدی مانند ترمینال مثبت خوشه‌های باتری، باسبار و سمت DC PCS قرار می‌گیرند. در سمت خوشه باتری، از آنها برای جداسازی خطاهای منفرد-خوشه استفاده می شود. در سمت شینه، آنها حفاظت سطح سیستم- را ارائه می دهند. و در سمت PCS، از دستگاه های قدرت مانند IGBT محافظت می کنند.

 

مکان های کاربردی مختلف نیاز به طرح های ساختاری متفاوتی دارند. به عنوان مثال، در سناریوهای یکپارچه سازی وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره انرژی، فیوزهای سرامیکی برای وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی اغلب به عنوان ماده عایق اصلی برای برآورده کردن الزامات قابلیت اطمینان در محیط های لرزش بالا، دمای بالا و ولتاژ بالا استفاده می شود.

 

 

 

انتخاب فیوز نیاز به در نظر گرفتن جامع تطابق ولتاژ، تطابق جریان، هماهنگی I²t و ظرفیت شکست دارد. جریان نامی معمولاً 1.2 تا 1.5 برابر حداکثر جریان عملیاتی سیستم انتخاب می شود، در حالی که کاهش دما را نیز در نظر می گیرد. علاوه بر این، در سیستم‌های حفاظتی چند سطحی، باید از هماهنگی انتخابی اطمینان حاصل شود، به این معنی که ابتدا فیوزهای سطح پایین‌تر باید کار کنند.

 

با توجه به انتخاب سازه، سیستم‌های ولتاژ بالا توصیه می‌شود که از ساختار مکعبی ترکیب شده با مواد سرامیکی با استحکام بالا مانند سرامیک آلومینا برای فیوز Bolted Connect EV استفاده کنند تا از پایداری مکانیکی عالی و عملکرد عایق تحت نوسانات جریان بالا اطمینان حاصل شود.

 

 

همانطور که سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی به سمت سطوح ولتاژ بالاتر (بالاتر از 1500 ولت) توسعه می‌یابند، نیازمندی‌های بالاتری بر روی قابلیت خاموش کردن قوس-و عملکرد مواد فیوزها اعمال می‌شود. محصولات آینده به سمت ظرفیت شکست، کوچک سازی و هوشمندی بالاتر، مانند یکپارچه سازی نشانگر فیوز و عملکردهای نظارت از راه دور، تکامل خواهند یافت.

 

در سطح مواد، استفاده از سرامیک‌های آلومینا با خلوص بالا-و ساختارهای سرامیکی کامپوزیت عملکرد را بیشتر می‌کند. سازه‌هایی مانند لوله سرامیکی برای فیوز شارژر EV و بدنه سرامیکی برای سری فیوز پیچ‌دار به تدریج به راه‌حل‌های اصلی در زمینه حفاظت از ولتاژ بالا-DC تبدیل می‌شوند.
 

 

 

به عنوان یک دستگاه محافظ هسته در سیستم های ذخیره انرژی، عملکرد فیوزهای DC به طور مستقیم بر ایمنی و پایداری سیستم تأثیر می گذارد. با توسعه سریع خودروهای الکتریکی و صنایع ذخیره انرژی، تقاضا برای اجزای ساختاری فیوز با قابلیت اطمینان بالا و عملکرد عایق بالا همچنان رو به رشد است.

 

با تمرکز بر این روند، تمرکز ما بر تحقیق و توسعه و ساخت اجزای ساختاری سرامیکی با کارایی بالا-، ارائه راه‌حل‌های چند سری محصول، از جملهبدنه سرامیکی فیوز EV، بدنه سرامیکی برای فیوز EV و بدنه سرامیکی برای فیوز کمکی خودروی الکتریکی. با استفاده از فناوری سرامیک آلومینا بالغ و قابلیت‌های ساخت دقیق، می‌تواند عایق و پشتیبانی ساختاری پایدار و قابل اعتمادی را برای فیوزهای DC با ولتاژ بالا{1} فراهم کند و نیازهای کاربردی سختگیرانه انرژی جدید، وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی را برآورده کند.