Selezione di sicurezza dei fusibili ad alta-tensione per veicoli a nuova energia: tecnologie chiave per il corpo del tubo in ceramica, estinzione dell'arco CC e progettazione dell'installazione

Poiché il sistema di batterie dei veicoli a nuova energia si sviluppa verso l'alta tensione, la grande capacità e l'elevata potenza, la sicurezza elettrica dell'alta-tensione è diventata una questione importante nella progettazione del veicolo e del sistema batteria. Essendo un importante dispositivo di protezione da sovracorrente nel circuito della batteria di alimentazione, il fusibile ad alta-tensione deve interrompere rapidamente la corrente di guasto in condizioni anomale come cortocircuito e sovraccarico grave, e limitare la diffusione dell'energia di guasto attraverso una struttura affidabile di estinzione dell'arco. Pertanto, la tensione nominale, la corrente nominale, il potere di interruzione, le prestazioni di estinzione dell'arco, l'isolamento e le capacità di resistenza al calore del fusibile sono direttamente correlati alla sicurezza del sistema ad alta-tensione.

 

Diversamente dai tradizionali circuiti a bassa{0}}tensione, le nuove batterie di alimentazione per veicoli energetici emettono corrente continua ad alta-tensione. Non esiste un punto naturale di passaggio per lo zero- per la corrente continua e l'arco non può estinguersi facilmente dopo che si verifica un cortocircuito. Pertanto, i fusibili CC ad alta-tensione devono avere speciali capacità di limitazione della corrente e di estinzione dell'arco. Quando si verifica un grave cortocircuito nel sistema della batteria di alimentazione, il fusibile deve completare la fusione, il controllo dell'arco e l'interruzione della corrente in un tempo molto breve per evitare ulteriori danni alla batteria, ai relè, ai connettori e ad altri componenti ad alta-tensione dovuti alla corrente di guasto.

 

 

 

Le batterie di alimentazione sono generalmente costituite da un gran numero di singole celle collegate in serie e parallelo per formare un pacco batteria e la loro capacità di accumulo di energia e l'energia di corto-circuito sono molto più elevate rispetto ai normali sistemi elettrici a bassa-tensione. Una volta che si verifica un cortocircuito nel circuito principale, la corrente di guasto può aumentare rapidamente in un tempo molto breve. Senza una protezione affidabile da sovracorrente, il calore generato da una corrente anomala può causare il surriscaldamento dei conduttori, danni ai materiali isolanti e persino causare incidenti più gravi alla sicurezza termica.

 

I fusibili ad alta-tensione sono generalmente installati nel circuito principale della batteria, nel circuito di ricarica o in altri luoghi che richiedono l'isolamento dei guasti ad alta-energia. Quando viene rilevato un grave sovraccarico o una corrente di cortocircuito-, la massa fusa raggiunge la condizione di fusione attraverso il proprio riscaldamento e utilizza il mezzo di estinzione dell'arco interno-per limitare l'arco, completando così l'interruzione della corrente di guasto entro il tempo specificato.

 

Pertanto, il fusibile non è un "fusibile" in senso semplice, ma un componente attivo di isolamento dei guasti nel sistema ad alta-tensione dei veicoli a nuova energia. La sua progettazione deve considerare sia il funzionamento a bassa-potenza in condizioni di lavoro normali sia le capacità di interruzione ad alta-energia in condizioni di guasto.

 

Nei prodotti reali, strutture come EV Fuse Ceramic Body di solito devono tenere in considerazione la resistenza meccanica, le prestazioni di isolamento, la resistenza al calore e la resistenza alla pressione interna. Soprattutto per le applicazioni ad alta tensione e corrente elevata, la scelta del materiale del tubo influirà direttamente sul margine di sicurezza del fusibile.

 

 

I fusibili ad alta-tensione sono solitamente costituiti da una massa fusa, un corpo del tubo, un riempitivo di estinzione dell'arco, un cappuccio terminale e una struttura di collegamento. Durante il normale funzionamento, il fuso consente alla corrente operativa entro l'intervallo specificato di continuare a passare e la sua perdita di potenza deve essere controllata entro un intervallo ragionevole.

 

Quando il circuito è gravemente sovraccarico o cortocircuitato-, la temperatura locale della massa fusa aumenterà rapidamente e si verificherà un fusibile.

 

Dopo la rottura della fusione, nel circuito potrebbe essere ancora presente un'elevata energia dell'arco. Per i sistemi DC, l'arco non può essere estinto facendo affidamento sul naturale passaggio per lo zero dell'AC, quindi è necessario assorbire energia, ridurre la temperatura dell'arco e limitare il canale dell'arco attraverso materiali estinguenti.

 

I mezzi di estinzione dell'arco granulare-come la sabbia di quarzo possono assorbire una grande quantità di calore durante il processo di fusione e contribuire a formare un prodotto di fusione con elevata resistenza isolante, completando così l'isolamento galvanico finale.

 

Durante questo processo, il corpo del tubo non assume solo il ruolo di supporto meccanico, ma deve anche resistere all'elevata temperatura e alla pressione interna generate durante il processo di fusione. Se la resistenza meccanica, la resistenza al calore o le prestazioni di isolamento del corpo del tubo sono insufficienti, potrebbero verificarsi problemi come la rottura del tubo, la formazione di archi esterni o il guasto dell'isolamento, anche se il materiale fuso stesso può funzionare normalmente.

 

Pertanto, la progettazione del materiale del corpo ceramico dei fusibili per veicoli elettrici non può concentrarsi solo sulle proprietà meccaniche a temperatura normale, ma deve anche considerare gli effetti globali dell'alta temperatura istantanea, dell'alta tensione e dell'impatto dell'arco durante il processo di interruzione del cortocircuito.

 

 

I fusibili ad alta-tensione nei veicoli a nuova energia vengono generalmente installati in scatole di batterie, scatole di distribuzione ad alta-tensione o altri luoghi con spazio limitato. A causa dell'elevato livello di integrazione in queste aree, le condizioni di dissipazione del calore, la spaziatura di installazione e i materiali circostanti influenzeranno lo stato operativo del fusibile.

 

Se il fusibile viene esposto a lungo ad un ambiente ad alta temperatura, il materiale del tubo deve avere una buona stabilità termica. Se il materiale si ammorbidisce, invecchia, si deforma o degrada le proprietà isolanti sotto stress termico prolungato, il margine di sicurezza dell'intero fusibile potrebbe ridursi.

 

Durante l'interruzione per guasto, le temperature dell'area locale saranno molto più elevate rispetto alle normali temperature operative, pertanto i materiali devono essere in grado di resistere non solo alle temperature operative continue ma anche a shock termici estremi a breve-termine. Ciò è particolarmente importante per i veicoli a nuova energia perché la corrente di guasto del sistema di alimentazione della batteria può avere un livello di energia elevato.

 

I materiali ceramici hanno un'elevata resistenza al calore e proprietà di isolamento elettrico, pertanto sono ampiamente utilizzati nel corpo del tubo e nella struttura isolante dei fusibili ad alta-tensione. Per i fusibili automobilistici ad alta-tensione, il tubo in ceramica di allumina per fusibili per veicoli elettrici ad alta tensione può fornire prestazioni migliori e complete tra isolamento, resistenza al calore e stabilità meccanica.

 

 

 

La ceramica di allumina è un tipo comune di materiale ceramico isolante elettrico con elevata resistenza all'isolamento, resistenza al calore e resistenza meccanica. Nei fusibili ad alta-tensione, la ceramica di allumina può essere utilizzata per formare un corpo di tubo isolante stabile per fornire uno spazio chiuso affidabile per la fusione interna e il mezzo di estinzione dell'arco-.

 

Rispetto ad alcuni materiali isolanti organici, le ceramiche di allumina hanno una migliore stabilità dimensionale in condizioni di alta temperatura e non si ammorbidiscono e non bruciano con la stessa facilità dei polimeri infiammabili. Pertanto, nel sistema ad alta-tensione dei veicoli a nuova energia con elevati requisiti di sicurezza antincendio, i corpi dei tubi in ceramica presentano alcuni vantaggi strutturali.

 

Per fusibili con diversi livelli di tensione, è necessaria una progettazione completa basata su fattori quali distanza elettrica, resistenza dell'isolamento, resistenza meccanica, dimensioni del tubo e pressione interna. Le specifiche specifiche del tubo in ceramica di allumina per fusibili elettrici automobilistici devono corrispondere alla struttura della fusione e ai parametri di rottura dell'intero fusibile e non possono essere selezionate solo in base alle dimensioni del tubo.

 

 

 

Quando si seleziona un fusibile ad alta-tensione, è necessario innanzitutto determinare la tensione operativa massima del sistema. La tensione nominale del fusibile dovrebbe essere in grado di coprire la tensione operativa massima del sistema di batterie e lasciare un margine ragionevole per il normale funzionamento e le condizioni transitorie.

 

La prossima è la corrente nominale. La corrente nominale non viene semplicemente selezionata in base alla corrente massima di funzionamento continuo del veicolo. Deve inoltre essere valutato in modo completo in base alla temperatura ambiente, al metodo di installazione, alle condizioni di dissipazione del calore, al tempo di lavoro continuo e alle fluttuazioni di corrente. Una corrente nominale eccessivamente piccola può causare surriscaldamenti frequenti o addirittura falsi fusibili durante il normale funzionamento, mentre una corrente nominale eccessivamente elevata può ridurre la velocità di protezione dai guasti.

 

Anche il potere di interruzione è un indicatore importante dei fusibili CC ad alta-tensione. I progettisti devono verificare che il fusibile possa interrompere in modo sicuro la corrente di guasto entro l'intervallo specificato in base alla corrente di cortocircuito massima-della batteria di alimentazione, all'impedenza del sistema e alla struttura del circuito di guasto.

 

Inoltre, è necessario prestare attenzione anche alle caratteristiche tempo-correnti. Le velocità di fusione dei diversi fusibili non sono esattamente le stesse e devono essere selezionate in base ai requisiti del sistema per la protezione da cortocircuito-, protezione da sovraccarico e protezione di coordinamento del dispositivo.

 

 

Il sistema della batteria di alimentazione può trovarsi ad affrontare due condizioni anomale: sovraccarico e cortocircuito contemporaneamente. Il sovraccarico solitamente si manifesta quando la corrente operativa continua a superare il normale intervallo di progettazione, ma la corrente di guasto aumenta in modo relativamente lento; un cortocircuito può far sì che la corrente raggiunga rapidamente un livello elevato in un periodo di tempo molto breve.

 

Per diversi tipi di guasto, i fusibili devono raggiungere caratteristiche di protezione corrispondenti attraverso diversi design dei fusibili. Pertanto, la struttura del prodotto corrispondente al fusibile con corpo in ceramica per protezione da sovraccarico e cortocircuito deve essere progettata insieme alla fusione, al riempitivo e al potere di interruzione nominale.

 

Per i sistemi ad alta{0}}tensione dei veicoli ad alta energia, i fusibili devono anche formare un rapporto di protezione coordinato con contattori, circuiti di precarica, BMS e sistemi di distribuzione dell'alta-tensione. Il miglioramento della capacità di protezione di un determinato dispositivo da solo non può sostituire la strategia di protezione dell'intero sistema ad alta-tensione.

 

 

Una delle principali difficoltà tecniche dei fusibili CC ad alta-tensione è il controllo dell'arco. Dopo che la massa fusa si è sciolta, tra le due fratture potrebbe formarsi un arco ad alta-temperatura. Se l'arco continua, non è possibile ottenere realmente l'isolamento elettrico.

 

Il riempitivo di estinzione dell'arco e la struttura del tubo determinano congiuntamente il processo di raffreddamento, segmentazione e deionizzazione dell'arco. Il corpo stabile del tubo in ceramica può mantenere l'integrità della struttura interna durante il processo di fusione, fornendo uno spazio chiuso e stabile per il processo di estinzione dell'arco.

 

Per i fusibili automobilistici CC, la struttura ceramica utilizzata da Ceramic for DC Automotive Fuses solitamente deve essere abbinata e progettata in base a tensione, corrente, capacità di interruzione e pressione interna. Le prestazioni di isolamento del materiale sono solo la base e il prodotto reale deve ancora essere verificato attraverso un test completo di interruzione di cortocircuito-.

 

 

Il sistema ad alta-tensione dei veicoli a nuova energia solitamente ha un'elevata tensione CC, quindi oltre alla protezione da sovracorrente, il fusibile deve anche mantenere una capacità di isolamento sufficiente durante le normali condizioni di lavoro e dopo la fusione.

 

La progettazione dell'isolamento coinvolge la rigidità dielettrica del materiale stesso, nonché le distanze superficiali, le distanze elettriche, le strutture terminali e l'ambiente di installazione. Se il fusibile ad alta-tensione è troppo vicino alla struttura metallica circostante o se è presente contaminazione o condensa sulla superficie, il margine di isolamento effettivo potrebbe ridursi.

 

Per le strutture ceramiche isolanti come il corpo fuso in ceramica steatite elettrica isolante, il sistema di materiali e le dimensioni strutturali devono essere determinati in base a livelli di tensione specifici e condizioni ambientali. I veicoli a nuova energia subiranno anche cambiamenti di temperatura, cambiamenti di umidità, vibrazioni meccaniche e impatti stradali durante il funzionamento effettivo, quindi la struttura isolante deve avere stabilità a lungo-termine.

 

 

 

Oltre alle prestazioni del fusibile stesso, anche il luogo di installazione influisce sulla sicurezza del sistema. I fusibili ad alta-tensione dovrebbero essere evitati in luoghi sovraffollati, con condizioni di dissipazione del calore estremamente scarse o soggetti a danni meccanici.

 

Se lo spazio di installazione è vicino a un'elevata fonte di calore della batteria, è necessario valutare la conduzione del calore, la radiazione termica e il flusso d'aria. Per le strutture che richiedono manutenzione e sostituzione, è necessario considerare attentamente anche lo spazio operativo per il personale di manutenzione e i requisiti di isolamento di sicurezza ad alta-tensione.

 

Nei sistemi di distribuzione dell'energia ad alta- tensione, i fusibili solitamente devono essere disposti insieme a contattori, relè, sbarre collettrici e terminali di connessione. Per le strutture dei tubi come l'involucro in ceramica per il collegamento del fusibile, lo spazio circostante non influisce solo sulla dissipazione del calore, ma è anche correlato alla distanza di sicurezza in condizioni di guasto.
 

 

La verifica dei fusibili ad alta-tensione per i veicoli a nuova energia dovrebbe coprire sia il funzionamento normale che le condizioni di lavoro anomale. In condizioni di lavoro normali, è necessario prestare attenzione all'aumento della temperatura, alla capacità di carico di corrente continua, alla stabilità della resistenza e alle prestazioni di isolamento; in condizioni di lavoro anomale, è necessario concentrarsi sulla verifica del sovraccarico, del cortocircuito, del potere di interruzione e della capacità di resistere a correnti estreme.

 

Inoltre, la valutazione dell'affidabilità ambientale deve essere effettuata in base all'ambiente di utilizzo effettivo dei veicoli a nuova energia, compresi test come cicli ad alta e bassa temperatura, calore e umidità, vibrazioni, shock meccanico ed energizzazione a lungo-termine.

 

Per i prodotti che utilizzano corpi tubolari in ceramica di allumina è necessario concentrarsi anche sulla consistenza dimensionale, sulla qualità superficiale, sulla resistenza meccanica e sull'affidabilità dell'assemblaggio della ceramica stessa con le parti metalliche terminali. I parametri del materiale del tubo in ceramica di allumina Al2O3 per fusibile ad alta-tensione possono riflettere realmente il livello di sicurezza del prodotto solo se vengono verificati insieme alla struttura complessiva del fusibile.
 

 

Poiché la piattaforma di tensione delle batterie di alimentazione continua ad aumentare, i sistemi ad alta-tensione si stanno gradualmente sviluppando dalla piattaforma tradizionale di centinaia di volt a livelli di tensione più elevati. Una tensione di sistema più elevata può ridurre la corrente operativa a parità di potenza, riducendo così le perdite nei conduttori nei cablaggi e nelle sbarre collettrici, ma allo stesso tempo impone anche requisiti più elevati in termini di isolamento, estinzione dell'arco e protezione dai guasti.

 

Una delle direzioni di sviluppo futuro dei fusibili ad alta-tensione è la miniaturizzazione e l'elevata densità di potenza. Lo spazio limitato di installazione del veicolo richiede che il fusibile riduca ulteriormente le sue dimensioni mantenendo la sua capacità di interruzione e migliori la sua capacità di gestione dell'energia di guasto per unità di volume.

 

Un'altra direzione importante è l'ottimizzazione dei materiali. Il tubo isolante in ceramica di allumina per fusibile richiede un equilibrio tra rigidità dielettrica, stabilità termica, resistenza meccanica e consistenza della lavorazione. Con l’aumento della standardizzazione delle nuove piattaforme di veicoli energetici, anche l’accuratezza dimensionale e la coerenza dei lotti dei corpi dei tubi in ceramica diventeranno importanti indicatori di produzione.

 

Inoltre, l'integrazione di fusibili e sistemi di distribuzione dell'energia ad alta-tensione continuerà ad aumentare. Le future soluzioni di protezione dall'alta-tensione non dovranno solo considerare le prestazioni dei singoli fusibili, ma richiederanno anche un coordinamento a livello di sistema-con contattori, circuiti di precarica, BMS, connettori ad alta-tensione e sbarre collettrici.

 

 

Dal punto di vista della progettazione della sicurezza, il materiale del corpo del tubo del fusibile ad alta- tensione dovrebbe almeno soddisfare diversi requisiti di base: avere una resistenza meccanica sufficiente per resistere alla pressione interna generata dal processo di rottura; ha prestazioni di isolamento stabili per soddisfare i requisiti operativi a lungo termine del sistema ad alta tensione-; ha una buona resistenza al calore per mantenere la stabilità strutturale in ambienti con temperature anormalmente elevate; dovrebbe inoltre avere una buona consistenza dimensionale per garantire un accurato rapporto di assemblaggio tra la massa fusa, il riempitivo e la struttura finale.

 

Per le applicazioni ad alta-tensione per veicoli a nuova energia, il tubo in ceramica di allumina al 95% per fusibile ad alta tensione è una soluzione rappresentativa di materiale per tubi in ceramica.

 

La sua applicazione effettiva deve ancora essere verificata in base alla tensione nominale del fusibile specifico, alla corrente nominale, alla corrente di corto-circuito e alla struttura meccanica.

 

Per i diversi tipi di circuiti ausiliari esistono anche differenze nelle dimensioni e nei parametri di protezione dei fusibili. Ad esempio, i fusibili ausiliari dei veicoli elettrici con carrozzeria in ceramica sono più adatti per l'abbinamento in base alla corrente operativa, alla tensione nominale, allo spazio di installazione e ad altre condizioni del circuito di alimentazione ausiliario, piuttosto che applicare semplicemente i parametri di progettazione del circuito principale della batteria di alimentazione.

 

 

 

La sicurezza dei fusibili ad alta{0}}tensione dei veicoli di nuova energia non è determinata da un singolo parametro, ma dal design della fusione, dal mezzo di estinzione dell'arco, dal materiale del tubo, dalla struttura terminale, dal metodo di installazione e dalla strategia di protezione del sistema ad alta-tensione.

 

Nei sistemi CC ad alta-tensione, i fusibili devono limitare rapidamente l'energia dopo che si verifica un guasto, garantendo al tempo stesso che l'arco generato durante il processo di interruzione non causi danni secondari alle strutture circostanti. Pertanto è necessaria la co-progettazione tra materiali, parametri strutturali ed elettrici.

 

Per le applicazioni automobilistiche ad alta-tensione,Tubo in ceramica di allumina per fusibili- automobilistici ad alta tensionenon solo assume le funzioni di isolamento e supporto meccanico, ma partecipa anche all'intero processo di controllo energetico del guasto del fusibile. Man mano che i nuovi veicoli energetici si sviluppano verso l'alta tensione, l'alta potenza e l'elevata integrazione, l'importanza di questo concetto di progettazione a livello di sistema- aumenterà ulteriormente.

 

Nel complesso, la scelta dei fusibili ad alta-tensione non dovrebbe concentrarsi solo sui due parametri di base della tensione nominale e della corrente nominale, ma deve anche considerare la corrente massima di cortocircuito-, le caratteristiche temporali-della corrente, il potere di interruzione, la temperatura ambiente, la distanza di isolamento, il luogo di installazione e la manutenzione.