Los vehículos eléctricos (EV) necesitan tiempos de carga de CC más rápidos para competir con los motores de combustión interna tradicionales, por lo que los sistemas de carga de EV se están moviendo rápidamente hacia soluciones de potencia de salida de hasta 350 kW para reducir los tiempos de carga a menos de 20 minutos. Con tales poderes, voltaje y los niveles actuales están llevando a los diseñadores a nuevos desafíos de ingeniería.
En una entrevista con Power Electronics News, Jinsong Dai, gerente senior de marketing global que se enfoca en electrificación en Sensata Technologies, señaló que los principales desafíos para la carga rápida de CC están relacionados con voltajes y niveles de potencia más altos. Una migración a voltajes más altos y niveles de potencia más altos causa algunos problemas de protección eléctrica.
“Muchos desafíos para las aplicaciones de carga rápida de CC que van desde los estándares de carga rápida hasta los problemas de la infraestructura de carga, la gestión de la eficiencia térmica y la protección de los sistemas eléctricos contra fallas”, dijo Dai. “En Sensata, nos enfocamos en la protección eléctrica para el sistema de carga rápida de CC. Para acortar el tiempo de carga, muchos cargadores de alta potencia están migrando de 400 V a 1,000 V y de 50 kW a 350 kW o incluso más. Esto trae muchos desafíos a los componentes de protección eléctrica en el sistema de carga: aumentos en los niveles de voltaje y potencia de carga aumenta la capacidad en componentes de alto voltaje como contactores y fusibles ".
Dai señaló que la preocupación más obvia aquí es que es más probable que los voltajes más altos generen un arco, lo que requiere una mayor distancia de separación antes de que pueda extinguirse. “Esto requiere que los contactores y los fusibles empleen técnicas para aumentar la distancia de separación para apagar rápidamente cualquier arco”, dijo. “De lo contrario, el arco ininterrumpido puede hacer que un contactor o un fusible explote violentamente. Otro problema es el emparejamiento del contactor y el fusible durante la condición de sobrecorriente. Cuando el contactor comienza a romper un circuito, puede comenzar a disipar parte de la sobrecorriente dentro de sí mismo, evitando que esa corriente esté disponible para interrumpir adecuadamente el fusible. El impacto potencial podría ser una falla catastrófica de todo el sistema. La solución de desconexión de Sensata, donde tanto el contactor como el fusible están emparejados para trabajar juntos, ayuda a prevenir ese riesgo ".
Migrando a un voltaje más alto
Si bien los niveles de voltaje y corriente más altos reducen los tiempos de carga, aumentan los riesgos de seguridad y los desafíos de diseño del sistema. Los contactores de alto voltaje proporcionan una continuidad segura del circuito, mientras que se requieren fusibles en tándem para proteger el circuito en caso de un evento de cortocircuito peligroso.
Soluciones de protección de circuitos de Sensata (Fuente: Sensata Technologies)
Fusible térmico CC tradicional la tecnología está diseñado para situaciones de cortocircuito, lo que significa que en caso de un cortocircuito y una corriente alta, un fusible utiliza la fusión de la conexión para romper el circuito. Dai señaló que el desafío para los fusibles térmicos de CC tradicionales son las situaciones de sobrecorriente cuando la corriente no es lo suficientemente alta y el fusible térmico tarda más en fundirse.
“Esto crea una zona gris donde los niveles de corriente pueden abrumar la capacidad del contactor para interrumpir la carga sin alcanzar el punto térmico para que se dispare un fusible”, dijo. “Este período de tiempo antes de que se pueda activar el fusible térmico mientras se excede la capacidad de ruptura del contactor se elimina con el GigaFuse. El GigaFuse ayuda a cerrar la brecha entre lo que pueden hacer los contactores [operación normal] y cuando se dispara el fusible, lo que ayuda a brindar protección contra sobrecorriente y cortocircuito.
"Los contactores y fusibles son componentes de misión crítica dentro de los cargadores rápidos de CC", agregó Dai. “Los contactores proporcionan continuidad de circuito segura durante la carga normal o separan la sobrecorriente, mientras que los fusibles protegen el sistema de carga durante condiciones peligrosas de cortocircuito y sobrecorriente. La clave es tener contactores y fusibles que puedan funcionar en conjunto para garantizar una protección perfecta para los cargadores durante el funcionamiento normal y las condiciones de sobrecorriente ".
Contactores y fusibles
Los niveles de voltaje más altos y la carga de energía más alta para los contactores significan que los productos deben tener una mayor capacidad de ruptura, y los clientes están solicitando contactores clasificados para 1,000 V y 500 A, dijo Dai. Además, otra funcionalidad requerida es la bidireccionalidad del contactor que permite tanto la carga de baterías de vehículos eléctricos desde la red como del sistema vehículo a red (V2G) que permitiría la explotación de la inteligencia de la red en un mercado de intercambio de energía.
“Además de V2G, la asignación dinámica de energía es una tendencia tecnológica que adapta la carga a la demanda real al combinar o compartir la energía de múltiples puertos de carga”, dijo Dai. "La funcionalidad bidireccional de los contactores permite a los cargadores asignar la energía de forma dinámica al permitir que la corriente fluya hacia adelante o hacia atrás".
La tecnología de contactores utilizada por Sensata Technologies está sellada herméticamente y llena de gas, proporcionando así la energía necesaria para conmutar con la robustez requerida en un tamaño relativamente pequeño en comparación con los contactores al aire libre. Sensata continúa su estrategia en tecnologías de conmutación sellada con la introducción de productos fusibles de alto voltaje. GigaFuse es un fusible electromecánico herméticamente sellado diseñado para requisitos de aplicación de fusibles de alta tensión y alta potencia. “La serie GiagFuse incluye productos fusibles con combinaciones pasivas y pasivas / activas; aumenta significativamente la eficiencia del sistema, elimina el envejecimiento térmico y proporciona flexibilidad de diseño para la protección eléctrica ”, dijo Dai.
El mecanismo de activación electromecánico del GigaFuse de Sensata aumenta la eficiencia del sistema, elimina el envejecimiento térmico y brinda flexibilidad de diseño para la protección eléctrica. (Fuente: Sensata Technologies)
Para abordar los desafíos técnicos emergentes de las aplicaciones de alta potencia, Sensata proporciona una nueva tecnología integrada para la protección eléctrica. "Una nueva solución que probaremos para los clientes antes del lanzamiento completo es el PyroTactor, el primer contactor del mundo con fusible pirotécnico integrado", dijo Dai. “El GFC PyroTactor combina la función de fusibles y contactores de alta tensión en un solo dispositivo, eliminando así la necesidad de dimensionar cada componente por separado. La serie GFC es bidireccional y capaz de manejar voltajes del sistema de hasta 1,500 V, y las características incluyen disparo pasivo y activo. Este nuevo diseño reduce significativamente la complejidad del diseño del emparejamiento de fusibles y contactores, elimina el envejecimiento térmico y reduce significativamente el tiempo, la complejidad y el costo de instalación ”.
El artículo se publicó originalmente en la publicación hermana Power Electronics News.