Elektrofahrzeuge (EVs) benötigen schnellere DC-Ladezeiten, um mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren konkurrieren zu können. Mit solchen Befugnissen Spannung und aktuelle Niveaus führen Designer zu neuen technischen Herausforderungen.
In einem Interview mit Power Electronics News wies Jinsong Dai, Senior Global Marketing Manager mit Fokus auf Elektrifizierung bei Sensata Technologies, darauf hin, dass die größten Herausforderungen für das DC-Schnellladen mit höheren Spannungen und Leistungspegeln verbunden sind. Eine Migration zu höheren Spannungen und höheren Leistungspegeln verursacht einige elektrische Schutzprobleme.
„Viele Herausforderungen für DC-Schnellladeanwendungen reichen von Schnellladestandards über Ladeinfrastrukturprobleme bis hin zum thermischen Effizienzmanagement und dem Schutz elektrischer Systeme vor Fehlern“, sagte Dai. „Bei Sensata konzentrieren wir uns auf den elektrischen Schutz des DC-Schnellladesystems. Um die Ladezeit zu verkürzen, migrieren viele Hochleistungslader von 400 V auf 1,000 V und von 50 kW auf 350 kW oder noch höher. Dies stellt die elektrischen Schutzkomponenten im Ladesystem vor viele Herausforderungen – Erhöhungen der Spannungspegel und Ladeleistung erhöhen die Leistungsfähigkeit von Hochspannungskomponenten wie Schützen und Sicherungen.“
Dai wies darauf hin, dass die offensichtlichste Sorge hier darin besteht, dass höhere Spannungen eher einen Lichtbogen erzeugen, der einen größeren Trennungsabstand erfordert, bevor er gelöscht werden kann. „Dies erfordert, dass Schütze und Sicherungen Techniken anwenden, um den Trennungsabstand zu erhöhen, um Lichtbögen schnell zu löschen“, sagte er. „Sonst kann der ununterbrochene Lichtbogen ein Schütz oder eine Sicherung zum Explodieren bringen. Ein weiteres Problem ist die Paarung von Schütz und Sicherung während des Überstromzustands. Wenn das Schütz zu brechen beginnt a Schaltung, kann es beginnen, einen Teil des Überstroms in sich selbst abzuleiten, wodurch verhindert wird, dass dieser Strom zur ordnungsgemäßen Unterbrechung der Sicherung zur Verfügung steht. Die potenzielle Auswirkung könnte ein katastrophaler Ausfall des gesamten Systems sein. Die Trennlösung von Sensata, bei der sowohl das Schütz als auch die Sicherung gepaart sind, um zusammenzuarbeiten, hilft, dieses Risiko zu vermeiden.“
Migration auf höhere Spannung
Während höhere Spannungs- und Strompegel die Ladezeiten verkürzen, erhöhen sie die Sicherheitsrisiken und die Herausforderungen beim Systemdesign. Hochspannungsschütze sorgen für sicheren Stromkreisdurchgang, während Sicherungen im Tandem erforderlich sind, um den Stromkreis im Falle eines gefährlichen Kurzschlussereignisses zu schützen.
Schaltungsschutzlösungen von Sensata (Quelle: Sensata Technologies)
Herkömmliche DC-Thermosicherung Technologie ist für Kurzschlusssituationen ausgelegt, das heißt, bei einem kurzen, hohen Strom nutzt eine Sicherung das Schmelzen der Verbindung, um den Stromkreis zu unterbrechen. Dai wies darauf hin, dass die Herausforderung für herkömmliche DC-Thermosicherungen in Überstromsituationen liegt, wenn der Strom nicht hoch genug ist und es länger dauert, bis die Thermosicherung schmilzt.
„Dies schafft eine Grauzone, in der die Stromstärke die Fähigkeit des Schützes überfordern kann, die Last zu unterbrechen, ohne den thermischen Punkt zu erreichen, an dem eine Sicherung auslöst“, sagte er. „Diese Zeitspanne bis zum Ansprechen der Thermosicherung bei Überschreitung des Ausschaltvermögens des Schützes entfällt mit der GigaFuse. Die GigaFuse hilft, die Lücke zwischen dem, was die Schütze tun können [Normalbetrieb] und dem Auslösen der Sicherung zu überbrücken, und bietet sowohl Überstrom- als auch Kurzschlussschutz.
„Schütze und Sicherungen sind geschäftskritische Komponenten in DC-Schnellladegeräten“, fügte Dai hinzu. „Schütze sorgen für sicheren Stromkreiskontinuität während des normalen Ladevorgangs oder trennen den Überstrom, während Sicherungen das Ladesystem bei gefährlichen Kurzschluss- und Überstrombedingungen schützen. Der Schlüssel besteht darin, Schütze und Sicherungen zu haben, die zusammen arbeiten können, um einen nahtlosen Schutz der Ladegeräte unter normalen Betriebs- und Überstrombedingungen zu gewährleisten.“
Schütze und Sicherungen
Höhere Spannungspegel und höhere Ladeleistungen für Schütze bedeuten, dass die Produkte eine erhöhte Ausschaltfähigkeit aufweisen müssen, und Kunden fordern Schütze mit einer Nennleistung von 1,000 V und 500 A, sagte Dai. Darüber hinaus ist eine weitere erforderliche Funktionalität die Bidirektionalität des Schützes, die sowohl das Laden von EV-Batterien aus dem Netz als auch das Vehicle-to-Grid (V2G)-System ermöglicht, das die Nutzung von Netzintelligenz in einem Energiebörsenmarkt ermöglichen würde.
„Neben V2G ist die dynamische Stromzuweisung ein Technologietrend, der das Laden an den tatsächlichen Bedarf anpasst, indem Strom von mehreren Ladeanschlüssen kombiniert oder geteilt wird“, sagte Dai. „Die bidirektionale Funktionalität von Schützen ermöglicht es Ladegeräten, die Leistung dynamisch zuzuweisen, indem sie den Strom entweder vorwärts oder rückwärts fließen lassen.“
Die von Sensata Technologies eingesetzte Schütztechnologie ist hermetisch verschlossen und mit Gas gefüllt und liefert so bei relativ geringer Baugröße im Vergleich zu Freiluftschützen die nötige Leistung zum Schalten mit der erforderlichen Robustheit. Sensata setzt seine Strategie bei versiegelten Schalttechnologien mit der Einführung von Hochspannungssicherungsprodukten fort. GigaFuse ist eine hermetisch dichte elektromechanische Sicherung, die für die Anforderungen von Hochspannungs- und Hochleistungssicherungsanwendungen entwickelt wurde. „Die GiagFuse-Serie umfasst Sicherungsprodukte sowohl mit passiven als auch mit passiv/aktiven Kombinationen; es erhöht die Systemeffizienz erheblich, verhindert thermische Alterung und bietet Designflexibilität für den elektrischen Schutz“, sagte Dai.
Der elektromechanische Auslösemechanismus der GigaFuse von Sensata erhöht die Systemeffizienz, verhindert thermische Alterung und bietet Designflexibilität für den elektrischen Schutz. (Quelle: Sensata Technologies)
Um den aufkommenden technischen Herausforderungen von Hochleistungsanwendungen zu begegnen, bietet Sensata eine neue integrierte Technologie für den elektrischen Schutz. „Eine neue Lösung, die wir vor der vollständigen Markteinführung für Kunden testen werden, ist der PyroTactor, der weltweit erste Schütz mit integrierter Pyro-Sicherung“, sagte Dai. „Der GFC PyroTactor vereint die Funktion von HV-Sicherungen und Schützen in einem einzigen Gerät, wodurch die Notwendigkeit einer separaten Dimensionierung jeder Komponente entfällt. Die GFC-Serie ist bidirektional und kann Systemspannungen bis zu 1,500 V verarbeiten. Zu den Merkmalen gehören passive und aktive Triggerung. Dieses neue Design reduziert die Designkomplexität der Schütz- und Sicherungspaarung erheblich, eliminiert die thermische Alterung und reduziert die Installationszeit, Komplexität und Kosten erheblich.“
Der Artikel wurde ursprünglich in der Schwesterpublikation Power Electronics News veröffentlicht.