Безопасный выбор высоковольтных-предохранителей для транспортных средств на новых источниках энергии: ключевые технологии изготовления корпуса керамической трубки, гашения дуги постоянного тока и проектирования установки

По мере развития аккумуляторной системы транспортных средств на новых источниках энергии в сторону высокого напряжения, большой емкости и высокой мощности, электробезопасность при высоком-напряжении стала важной проблемой при проектировании транспортного средства и аккумуляторной системы. Являясь ключевым устройством защиты от перегрузки по току в цепи силовой батареи, высоковольтный-предохранитель должен быстро отключать ток повреждения в аномальных условиях, таких как короткое замыкание и сильная перегрузка, а также ограничивать распространение энергии повреждения посредством надежной конструкции гашения дуги. Таким образом, номинальное напряжение, номинальный ток, отключающая способность, характеристики гашения дуги, изоляция и термостойкость предохранителя напрямую связаны с безопасностью высоковольтной системы.

 

В отличие от традиционных цепей низкого-напряжения, автомобильные аккумуляторы новой энергии выдают постоянный ток высокого-напряжения. Для постоянного тока не существует естественной точки пересечения нуля-, и дуга не может легко погаснуть после короткого замыкания. Поэтому высоковольтные предохранители постоянного тока должны иметь специальные возможности ограничения тока и гашения дуги. При возникновении серьезного короткого замыкания в системе силовой батареи предохранитель должен завершить плавление, контроль дуги и отключение тока за очень короткое время, чтобы избежать дальнейшего повреждения батареи, реле, разъемов и других высоковольтных компонентов током короткого замыкания.

 

 

 

Силовые батареи обычно состоят из большого количества отдельных ячеек, соединенных последовательно и параллельно, образуя аккумуляторный блок, а их энергоемкость и энергия короткого-короткого замыкания намного выше, чем у обычных низко-электрических систем. При возникновении короткого замыкания в главной цепи ток повреждения может быстро возрасти за очень короткое время. Без надежной защиты от перегрузки по току тепло, выделяемое аномальным током, может вызвать перегрев проводников, повреждение изоляционных материалов и даже стать причиной более серьезных аварий, связанных с тепловой безопасностью.

 

Высоковольтные-предохранители обычно устанавливаются в главной цепи силового аккумулятора, цепи зарядки или в других местах, где требуется изоляция неисправностей высокой-энергии. При обнаружении сильной перегрузки или тока короткого-замыкания расплав достигает состояния плавления за счет собственного нагрева и использует внутреннюю дугогасящую среду-для ограничения дуги, тем самым завершая отключение тока повреждения в течение указанного времени.

 

Таким образом, предохранитель — это не «предохранитель» в простом смысле слова, а активный компонент изоляции неисправностей в высоковольтной-системе транспортных средств на новых источниках энергии. Его конструкция должна учитывать как работу при низкой-мощности в нормальных рабочих условиях, так и возможность отключения при высокой-энергии в условиях неисправности.

 

В реальных продуктах такие конструкции, как керамический корпус EV Fuse, обычно должны учитывать механическую прочность, изоляционные характеристики, термостойкость и устойчивость к внутреннему давлению. Выбор материала трубки напрямую влияет на запас прочности предохранителя, особенно в случае применения при высоком напряжении и сильном токе.

 

 

Высоковольтные-предохранители обычно состоят из расплава, корпуса трубки, дугогасящего наполнителя, торцевой крышки и соединительной конструкции. При нормальной работе расплав позволяет продолжать пропускать рабочий ток в заданном диапазоне, а собственные потери мощности следует контролировать в разумных пределах.

 

Если цепь сильно перегружена или короткое-замыкание, местная температура расплава быстро повысится и произойдет перегорание.

 

После разрыва расплава в цепи все еще может сохраняться высокая энергия дуги. В системах постоянного тока дугу невозможно погасить, полагаясь на естественное пересечение нуля переменного тока, поэтому необходимо поглощать энергию, снижать температуру дуги и ограничивать канал дуги с помощью дугогасящих материалов.

 

Гранулированные средства дугового пожаротушения-, такие как кварцевый песок, могут поглощать большое количество тепла в процессе сварки и способствовать образованию продукта плавления с высокой прочностью изоляции, тем самым завершая окончательную гальваническую изоляцию.

 

Во время этого процесса тело трубы не только берет на себя роль механической опоры, но также должно выдерживать высокую температуру и внутреннее давление, возникающие в процессе сварки. Если механическая прочность, термостойкость или изоляционные характеристики тела трубы недостаточны, могут возникнуть такие проблемы, как разрыв трубы, образование внешней дуги или разрушение изоляции, даже если сам расплав может работать нормально.

 

Таким образом, при проектировании материала керамического корпуса для предохранителей электромобилей нельзя только сосредоточиться на механических свойствах при нормальной температуре, но также необходимо учитывать комплексное воздействие мгновенной высокой температуры, высокого напряжения и воздействия дуги во время процесса размыкания короткого замыкания.

 

 

Высоковольтные-предохранители в транспортных средствах на новых источниках энергии обычно устанавливаются в аккумуляторных ящиках, распределительных коробках высокого-напряжения или других местах с ограниченным пространством. Из-за высокого уровня интеграции в этих областях условия рассеивания тепла, расстояние между установками и окружающие материалы будут влиять на рабочее состояние предохранителя.

 

Если предохранитель в течение длительного времени подвергается воздействию высокой температуры, материал трубки должен иметь хорошую термическую стабильность. Если материал размягчается, стареет, деформируется или ухудшает изоляционные свойства при длительном термическом напряжении, запас прочности всего предохранителя может снизиться.

 

Во время аварийного отключения температура в локальной зоне будет намного выше нормальной рабочей температуры, поэтому материалы должны выдерживать не только постоянные рабочие температуры, но и кратковременные-экстремальные тепловые удары. Это особенно важно для транспортных средств, работающих на новых источниках энергии, поскольку ток повреждения аккумуляторной системы может иметь большой уровень энергии.

 

Керамические материалы обладают высокой термостойкостью и электроизоляционными свойствами, поэтому они широко используются в корпусе трубки и изоляционной конструкции высоковольтных предохранителей. Для высоковольтных автомобильных предохранителей керамическая трубка из оксида алюминия для высоковольтных предохранителей для электромобилей может обеспечить лучшие комплексные характеристики изоляции, термостойкости и механической стабильности.

 

 

 

Керамика из оксида алюминия представляет собой распространенный тип электроизоляционного керамического материала с высоким сопротивлением изоляции, термостойкостью и механической прочностью. В высоковольтных предохранителях можно использовать глиноземную керамику для формирования стабильного изолирующего корпуса трубки, обеспечивающего надежное замкнутое пространство для внутреннего расплава и дугогасящей среды.

 

По сравнению с некоторыми органическими изоляционными материалами глиноземная керамика обладает лучшей стабильностью размеров в условиях высоких температур и не размягчается и не горит так легко, как легковоспламеняющиеся полимеры. Таким образом, в высоковольтной системе транспортных средств на новой энергетике с высокими требованиями пожарной безопасности корпуса керамических труб имеют определенные конструкционные преимущества.

 

Для предохранителей различных уровней напряжения требуется комплексное проектирование с учетом таких факторов, как электрический зазор, прочность изоляции, механическая прочность, размер трубы и внутреннее давление. Конкретные характеристики глиноземной керамической трубки для автомобильных электрических предохранителей должны соответствовать структуре расплава и параметрам разрушения всего предохранителя и не могут быть выбраны только на основе размера трубки.

 

 

 

При выборе высоковольтного-предохранителя сначала необходимо определить максимальное рабочее напряжение системы. Номинальное напряжение предохранителя должно обеспечивать максимальное рабочее напряжение аккумуляторной системы и оставлять разумный запас для нормальной работы и переходных режимов.

 

Далее идет номинальный ток. Номинальный ток не просто выбирается на основе максимального непрерывного рабочего тока автомобиля. Его также необходимо всесторонне оценить с учетом температуры окружающей среды, способа установки, условий рассеивания тепла, непрерывного рабочего времени и колебаний тока. Чрезмерно малый номинальный ток может вызвать частый нагрев или даже ложные срабатывания предохранителей при нормальной работе, а слишком большой номинальный ток может снизить скорость защиты от замыканий.

 

Отключающая способность также является важным показателем-предохранителей постоянного тока высокого напряжения. Проектировщикам необходимо подтвердить, что предохранитель может безопасно отключить ток короткого замыкания в указанном диапазоне, исходя из максимального-тока короткого замыкания силовой батареи, полного сопротивления системы и структуры цепи повреждения.

 

Кроме того, необходимо также обратить внимание на время-токовые характеристики. Скорость плавления различных предохранителей не совсем одинакова, и их необходимо выбирать в соответствии с требованиями системы для защиты от короткого-замыкания, защиты от перегрузки и защиты координации устройств.

 

 

Система силовых аккумуляторов может столкнуться с двумя аномальными условиями: перегрузкой и коротким замыканием одновременно. Перегрузка обычно проявляется в том, что рабочий ток продолжает превышать нормальный расчетный диапазон, но ток повреждения увеличивается относительно медленно; короткое замыкание может привести к тому, что ток быстро достигнет высокого уровня за очень короткий период времени.

 

Для разных типов неисправностей предохранители должны обеспечивать соответствующие защитные характеристики за счет различных конструкций предохранителей. Поэтому конструкция изделия, соответствующая керамическому предохранителю для защиты от перегрузки и короткого замыкания, должна быть спроектирована вместе с расплавом, наполнителем и номинальной отключающей способностью.

 

В высоковольтных-системах новых энергетических транспортных средств предохранители также должны обеспечивать скоординированную защитную связь с контакторами, цепями предварительной зарядки, BMS и системами распределения высокого-напряжения. Улучшение возможностей защиты отдельного устройства само по себе не может заменить стратегию защиты всей высоковольтной-системы.

 

 

Основная техническая трудность высоковольтных предохранителей постоянного тока — контроль дуги. После плавления расплава между двумя трещинами может образоваться высокотемпературная-дуга. Если дуга продолжается, электрическая изоляция не может быть достигнута.

 

Дугогасящий наполнитель и конструкция трубки совместно определяют процесс охлаждения, сегментации и деионизации дуги. Стабильный корпус керамической трубки может сохранять целостность внутренней структуры во время процесса плавления, обеспечивая закрытое и стабильное пространство для процесса гашения дуги.

 

Для автомобильных предохранителей постоянного тока керамическая структура, используемая компанией Ceramic for DC Automotive Fuses, обычно должна быть подобрана и спроектирована с учетом напряжения, тока, отключающей способности и внутреннего давления. Изоляционные характеристики материала являются лишь основой, а фактическое изделие еще необходимо проверить с помощью полного испытания на разрыв-короткого замыкания.

 

 

Высоковольтная-система транспортных средств на новых источниках энергии обычно имеет высокое напряжение постоянного тока, поэтому в дополнение к защите от перегрузки по току предохранитель также должен сохранять достаточную изоляционную способность в нормальных рабочих условиях и после плавления.

 

При проектировании изоляции учитывается диэлектрическая прочность самого материала, а также пути утечки, электрические зазоры, концевые конструкции и среда установки. Если высоковольтный-предохранитель расположен слишком близко к окружающей металлической конструкции или если на поверхности имеется загрязнение или конденсат, фактический запас изоляции может снизиться.

 

Для изолирующих керамических конструкций, таких как изолирующее электрическое стеатитовое керамическое плавленое тело, система материалов и размеры конструкции должны быть определены на основе конкретных уровней напряжения и условий окружающей среды. Транспортные средства на новых источниках энергии также будут подвергаться изменениям температуры, влажности, механическим вибрациям и дорожным ударам во время фактической эксплуатации, поэтому изоляционная конструкция должна иметь долгосрочную-стабильность.

 

 

 

Помимо работоспособности самого предохранителя, на безопасность системы влияет и место установки. Высоковольтные предохранители-не следует использовать в местах с большим скоплением людей, они имеют крайне плохие условия рассеивания тепла или подвержены механическим повреждениям.

 

Если место установки находится рядом с источником сильного тепла аккумуляторной батареи, необходимо оценить теплопроводность, тепловое излучение и поток воздуха. Для конструкций, требующих обслуживания и замены, также следует полностью учитывать рабочее пространство для обслуживающего персонала и требования к защитной изоляции высокого-напряжения.

 

В системах распределения электроэнергии высокого-напряжения предохранители обычно необходимо размещать вместе с контакторами, реле, шинами и соединительными клеммами. Для трубчатых конструкций, таких как керамический корпус плавкой вставки, окружающее пространство не только влияет на рассеяние тепла, но также влияет на безопасное расстояние в условиях неисправности.
 

 

Проверка высоковольтных предохранителей-для транспортных средств на новых источниках энергии должна охватывать как нормальную работу, так и ненормальные условия работы. В нормальных условиях работы необходимо уделять внимание повышению температуры, допустимой нагрузке по постоянному току, стабильности сопротивления и характеристикам изоляции; при нештатных условиях работы необходимо сосредоточить внимание на проверке перегрузки, короткого замыкания, отключающей способности и способности выдерживать экстремальные токи.

 

Кроме того, необходимо провести оценку экологической надежности на основе фактической среды использования транспортных средств на новых источниках энергии, включая такие испытания, как циклы высоких и низких температур, жара и влажность, вибрация, механические удары и длительное-нахождение под напряжением.

 

Для изделий, в которых используются трубчатые корпуса из глиноземной керамики, также необходимо уделять внимание размерной стабильности, качеству поверхности, механической прочности и надежности сборки самой керамики с торцевыми металлическими деталями. Параметры материала керамической трубки из оксида алюминия Al2O3 для высоковольтных предохранителей могут действительно отражать уровень безопасности продукта только в том случае, если они проверены вместе с общей конструкцией предохранителя.
 

 

Поскольку платформа напряжения силовых батарей продолжает увеличиваться, системы высокого-постепенного перехода от традиционной платформы в сотни вольт к более высоким уровням напряжения. Более высокое напряжение системы может снизить рабочий ток при той же мощности, тем самым уменьшая потери проводников в жгутах проводов и шинах, но в то же время оно также предъявляет более высокие требования к изоляции, гашению дуги и защите от неисправностей.

 

Одним из будущих направлений развития высоковольтных предохранителей является миниатюризация и высокая удельная мощность. Ограниченное пространство для установки транспортного средства требует дальнейшего уменьшения размера предохранителя при сохранении его отключающей способности и улучшения способности выдерживать аварийную энергию на единицу объема.

 

Еще одно важное направление – оптимизация материалов. Керамическая изоляционная трубка из оксида алюминия для предохранителей требует баланса между диэлектрической прочностью, термической стабильностью, механической прочностью и постоянством обработки. По мере роста стандартизации платформ новых энергетических транспортных средств точность размеров и стабильность партий керамических трубчатых корпусов также станут важными производственными показателями.

 

Кроме того, будет продолжать расширяться интеграция предохранителей и систем распределения электроэнергии высокого-напряжения. Будущие решения по защите от высокого-напряжения должны будут не только учитывать характеристики отдельных предохранителей, но также требовать координации на уровне системы-с контакторами, цепями предварительной зарядки, BMS, высоковольтными разъемами и шинами.

 

 

С точки зрения безопасности, материал корпуса трубки высоковольтного предохранителя должен соответствовать как минимум нескольким основным требованиям: он должен обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать внутреннее давление, создаваемое в процессе разрушения; он обладает стабильными изоляционными характеристиками, что позволяет обеспечить долгосрочную-работу в системах высокого-напряжения; он обладает хорошей термостойкостью, что позволяет сохранять структурную стабильность в условиях аномально высоких температур; он также должен иметь хорошую размерную стабильность, чтобы обеспечить точное соединение между расплавом, наполнителем и конечной структурой.

 

Для высоковольтных транспортных средств, работающих на новых источниках энергии, керамическая трубка из 95% глинозема для высоковольтных предохранителей является типичным решением из керамического материала трубки.

 

Его фактическое применение еще необходимо проверить с учетом номинального напряжения, номинального тока, тока короткого-короткого замыкания и механической конструкции конкретного предохранителя.

 

Для разных типов вспомогательных цепей также имеются различия в размерах и параметрах защиты предохранителей. Например, вспомогательные предохранители электромобилей с керамическим корпусом больше подходят для согласования на основе рабочего тока, номинального напряжения, места для установки и других условий цепи вспомогательного питания, а не простого применения расчетных параметров главной цепи силовой батареи.

 

 

 

Безопасность высоковольтных предохранителей для новых-транспортных средств определяется не каким-то одним параметром, а конструкцией расплава, дугогасящей средой, материалом трубки, концевой конструкцией, методом установки и стратегией защиты высоковольтной системы.

 

В системах постоянного-высокого напряжения предохранители должны быстро ограничивать энергию после возникновения неисправности, обеспечивая при этом, чтобы дуга, возникающая в процессе размыкания, не вызывала вторичного повреждения окружающих конструкций. Поэтому необходимо совместное-проектирование материалов, структурных и электрических параметров.

 

Для высоковольтных автомобильных приложений-Керамическая трубка из оксида алюминия для высоковольтных-автомобильных предохранителейне только берет на себя функции изоляции и механической поддержки, но и участвует во всем процессе контроля энергии отказа предохранителя. По мере того, как новые энергетические транспортные средства развиваются в сторону высокого напряжения, высокой мощности и высокой интеграции, важность этой концепции проектирования уровня системы- будет еще больше возрастать.

 

В целом, при выборе высоковольтных предохранителей следует учитывать не только два основных параметра: номинальное напряжение и номинальный ток, но также учитывать максимальный -ток короткого замыкания, временные-токовые характеристики, отключающую способность, температуру окружающей среды, изоляционное расстояние, место установки и условия обслуживания.