I veicoli elettrici (EV) necessitano di tempi di ricarica CC più rapidi per competere con i tradizionali motori a combustione interna, quindi i sistemi di ricarica EV si stanno rapidamente spostando verso soluzioni di potenza di uscita fino a 350 kW per ridurre i tempi di ricarica a meno di 20 minuti. Con tali poteri, voltaggio e i livelli attuali stanno portando i progettisti verso nuove sfide ingegneristiche.
In un'intervista con Power Electronics News, Jinsong Dai, senior global marketing manager che si occupa di elettrificazione presso Sensata Technologies, ha sottolineato che le principali sfide per la ricarica rapida CC sono legate a tensioni e livelli di potenza più elevati. Una migrazione a tensioni e livelli di potenza più elevati causa alcuni problemi di protezione elettrica.
"Molte sfide per le applicazioni di ricarica rapida CC che vanno dagli standard di ricarica rapida ai problemi dell'infrastruttura di ricarica alla gestione dell'efficienza termica alla protezione dei sistemi elettrici dai guasti", ha affermato Dai. “In Sensata, ci concentriamo sulla protezione elettrica per il sistema di ricarica rapida CC. Per ridurre i tempi di ricarica, molti caricabatterie ad alta potenza stanno migrando da 400 V a 1,000 V e da 50 kW a 350 kW o anche superiori. Ciò comporta molte sfide per i componenti di protezione elettrica nel sistema di ricarica: aumenti dei livelli di tensione e maggiore capacità di azionamento della potenza di carica nei componenti ad alta tensione come contattori e fusibili.
Dai ha sottolineato che la preoccupazione più ovvia qui è che tensioni più elevate hanno maggiori probabilità di generare un arco, che richiede una maggiore distanza di separazione prima che possa essere estinto. "Ciò richiede che contattori e fusibili utilizzino tecniche per aumentare la distanza di separazione per spegnere rapidamente eventuali archi", ha affermato. “Altrimenti, l'arco ininterrotto può far esplodere violentemente un contattore o un fusibile. Un altro problema è l'accoppiamento di contattore e fusibile durante la condizione di sovracorrente. Quando il contattore inizia a rompersi a circuito, può iniziare a dissipare parte della sovracorrente al suo interno, impedendo che la corrente sia disponibile per interrompere correttamente il fusibile. Il potenziale impatto potrebbe essere un fallimento catastrofico dell'intero sistema. La soluzione di disconnessione di Sensata, in cui sia il contattore che il fusibile sono accoppiati per lavorare insieme, aiuta a prevenire questo rischio".
Migrazione a una tensione più alta
Sebbene livelli di tensione e corrente più elevati riducano i tempi di ricarica, aumentano i rischi per la sicurezza e le sfide di progettazione del sistema. I contattori ad alta tensione forniscono una continuità sicura del circuito, mentre i fusibili sono necessari in tandem per proteggere il circuito in caso di un pericoloso evento di cortocircuito.
Le soluzioni di protezione dei circuiti di Sensata (Fonte: Sensata Technologies)
Fusibile termico CC tradizionale la tecnologia è progettato per situazioni di cortocircuito, il che significa che in caso di corrente breve ed elevata, un fusibile sfrutta la fusione della connessione per interrompere il circuito. Dai ha sottolineato che la sfida per i tradizionali fusibili termici CC è rappresentata dalle situazioni di sovracorrente quando la corrente non è sufficientemente elevata e occorre più tempo perché il fusibile termico si sciolga.
"Questo crea una zona grigia in cui i livelli di corrente possono sopraffare la capacità del contattore di interrompere il carico senza raggiungere il punto termico per l'attivazione di un fusibile", ha affermato. “Questo lasso di tempo prima che il fusibile termico possa essere attivato superando la capacità di interruzione del contattore viene eliminato con il GigaFuse. Il GigaFuse aiuta a colmare il divario tra ciò che i contattori possono fare [funzionamento normale] e quando il fusibile scatta, contribuendo a fornire protezione da sovracorrente e cortocircuito.
"Contattori e fusibili sono componenti mission-critical all'interno dei caricabatterie rapidi CC", ha aggiunto Dai. “I contattori forniscono una continuità sicura del circuito durante la normale carica o separano la sovracorrente, mentre i fusibili proteggono il sistema di carica durante pericolose condizioni di cortocircuito e sovracorrente. La chiave è avere contattori e fusibili che possano funzionare in tandem per garantire una protezione continua per i caricabatterie durante il normale funzionamento e le condizioni di sovracorrente".
Contattori e fusibili
Livelli di tensione più elevati e una maggiore carica di potenza per i contattori significano che i prodotti devono avere una maggiore capacità di interruzione e i clienti chiedono contattori con una potenza nominale di 1,000 V e 500 A, ha affermato Dai. Inoltre, un'altra funzionalità richiesta è la bidirezionalità del contattore che consente sia la ricarica delle batterie EV dalla rete sia il sistema vehicle-to-grid (V2G) che consentirebbe lo sfruttamento dell'intelligenza di rete in un mercato di scambio energetico.
"Oltre a V2G, l'allocazione dinamica dell'energia è una tendenza tecnologica che adatta la ricarica alla domanda effettiva combinando o condividendo l'energia da più porte di ricarica", ha affermato Dai. "La funzionalità bidirezionale dei contattori consente ai caricabatterie di allocare la potenza in modo dinamico consentendo il flusso di corrente in avanti o indietro".
La tecnologia del contattore utilizzata da Sensata Technologies è ermeticamente sigillata e riempita di gas, fornendo così la potenza necessaria per commutare con la robustezza richiesta in una dimensione relativamente piccola rispetto ai contattori in aria aperta. Sensata continua la sua strategia nelle tecnologie di commutazione sigillate con l'introduzione di prodotti con fusibili ad alta tensione. GigaFuse è un fusibile elettromeccanico sigillato ermeticamente progettato per requisiti applicativi ad alta tensione e ad alta potenza. “La serie GiagFuse comprende prodotti fusibili con combinazioni sia passiva che passiva/attiva; aumenta significativamente l'efficienza del sistema, elimina l'invecchiamento termico e fornisce flessibilità di progettazione per la protezione elettrica”, ha affermato Dai.
Il meccanismo di attivazione elettromeccanico di GigaFuse di Sensata aumenta l'efficienza del sistema, elimina l'invecchiamento termico e offre flessibilità di progettazione per la protezione elettrica. (Fonte: Sensata Technologies)
Per affrontare le sfide tecniche emergenti delle applicazioni ad alta potenza, Sensata fornisce una nuova tecnologia integrata per la protezione elettrica. "Una nuova soluzione che proveremo per i clienti prima del lancio completo è il PyroTactor, il primo contattore al mondo con pirofusibile integrato", ha affermato Dai. “GFC PyroTactor combina la funzione di fusibili e contattori HV in un unico dispositivo, eliminando così la necessità di dimensionare ciascun componente separatamente. La serie GFC è bidirezionale e in grado di gestire tensioni di sistema fino a 1,500 V e le caratteristiche includono l'attivazione passiva e attiva. Questo nuovo design riduce significativamente la complessità di progettazione dell'accoppiamento di contattore e fusibile, elimina l'invecchiamento termico e riduce significativamente i tempi, la complessità e i costi di installazione.
L'articolo originariamente pubblicato sulla pubblicazione sorella Power Electronics News.