Elektrische voertuigen (EV's) hebben snellere DC-oplaadtijden nodig om te kunnen concurreren met traditionele verbrandingsmotoren, dus EV-oplaadsystemen evolueren snel naar oplossingen met een uitgangsvermogen tot 350 kW om de oplaadtijden te verkorten tot minder dan 20 minuten. Met zulke bevoegdheden, spanning en de huidige niveaus leiden ontwerpers naar nieuwe technische uitdagingen.
In een interview met Power Electronics News wees Jinsong Dai, senior global marketingmanager gericht op elektrificatie bij Sensata Technologies, erop dat de belangrijkste uitdagingen voor snelladen via gelijkstroom verband houden met hogere spanningen en vermogensniveaus. Een migratie naar hogere spanningen en hogere vermogensniveaus veroorzaakt enkele problemen met de elektrische beveiliging.
"Veel uitdagingen voor DC-snellaadtoepassingen, variërend van snellaadnormen tot problemen met laadinfrastructuur tot beheer van thermische efficiëntie tot het beschermen van elektrische systemen tegen storingen", aldus Dai. “Bij Sensata richten we ons op elektrische beveiliging voor het DC-snellaadsysteem. Om de oplaadtijd te verkorten, migreren veel krachtige laders van 400 V naar 1,000 V en van 50 kW naar 350 kW of zelfs hoger. Dit brengt veel uitdagingen met zich mee voor de elektrische beveiligingscomponenten in het laadsysteem - verhogingen van spanningsniveaus en laadvermogen verhogen de capaciteit in hoogspanningscomponenten zoals magneetschakelaars en zekeringen."
Dai wees erop dat de meest voor de hand liggende zorg hier is dat hogere spanningen eerder een boog genereren, wat een grotere scheidingsafstand vereist voordat deze kan worden gedoofd. "Dit vereist dat contactors en zekeringen technieken gebruiken om de scheidingsafstand te vergroten om eventuele bogen snel te doven", zei hij. “Anders kan de ononderbroken boog ervoor zorgen dat een contactor of een zekering met geweld explodeert. Een ander probleem is de koppeling van de schakelaar en de zekering tijdens de overstroomtoestand. Als de contactor begint te breken circuit, kan het een deel van de overstroom in zichzelf beginnen af te voeren, waardoor wordt voorkomen dat die stroom beschikbaar is om de zekering op de juiste manier te verstoren. De potentiële impact kan een catastrofale storing van het hele systeem zijn. De ontkoppelingsoplossing van Sensata, waarbij zowel de contactor als de zekering zijn gekoppeld om samen te werken, helpt dat risico te voorkomen.”
Migreren naar hogere spanning
Hoewel hogere spannings- en stroomniveaus de laadtijden verkorten, vergroten ze de veiligheidsrisico's en uitdagingen op het gebied van systeemontwerp. Hoogspanningsschakelaars zorgen voor een veilige continuïteit van het circuit, terwijl zekeringen tegelijk nodig zijn om het circuit te beschermen in het geval van een gevaarlijke kortsluiting.
Circuitbeveiligingsoplossingen van Sensata (Bron: Sensata Technologies)
Traditionele thermische DC-zekering technologie is ontworpen voor kortsluitsituaties, wat betekent dat bij een korte, hoge stroom een zekering het smelten van de verbinding gebruikt om het circuit te onderbreken. Dai wees erop dat de uitdaging voor traditionele thermische DC-zekeringen zich in overstroomsituaties bevindt, waarbij de stroom niet hoog genoeg is en het langer duurt voordat de thermische zekering smelt.
"Dit creëert een grijze zone waar stroomniveaus het vermogen van de contactor om de belasting te onderbreken te overweldigen zonder het thermische punt te bereiken waarop een zekering kan worden geactiveerd", zei hij. “Deze tijdspanne voordat de thermische zekering kan worden geactiveerd terwijl het uitschakelvermogen van de contactor wordt overschreden, wordt geëlimineerd met de GigaFuse. De GigaFuse helpt de kloof te overbruggen tussen wat de contactors kunnen doen [normale werking] en wanneer de zekering doorslaat, waardoor zowel overstroom- als kortsluitbeveiliging wordt geboden.
"Contactors en zekeringen zijn bedrijfskritische componenten binnen DC-snelladers", voegde Dai eraan toe. “Relais zorgen voor een veilige continuïteit van het circuit tijdens normaal opladen of scheiden de overstroom, terwijl zekeringen het laadsysteem beschermen tijdens gevaarlijke kortsluiting en overstroom. De sleutel is om contactors en zekeringen te hebben die samen kunnen werken om een naadloze bescherming van de laders te garanderen tijdens normale bedrijfs- en overstroomomstandigheden.”
Magneetschakelaars en zekeringen
Hogere spanningsniveaus en een hoger laadvermogen voor contactors betekent dat de producten een groter breekvermogen moeten hebben, en klanten vragen om contactors met een vermogen van 1,000 V en 500 A, zei Dai. Daarnaast is een andere vereiste functionaliteit de bidirectionele werking van de contactor die zowel het opladen van EV-batterijen van het net als het voertuig-naar-net (V2G)-systeem mogelijk maakt dat de exploitatie van netintelligentie in een energie-uitwisselingsmarkt mogelijk maakt.
"Naast V2G is dynamische stroomtoewijzing een technologische trend die het opladen afstemt op de werkelijke vraag door stroom van meerdere oplaadpoorten te combineren of te delen", aldus Dai. "De bidirectionele functionaliteit van magneetschakelaars stelt laders in staat om het vermogen dynamisch toe te wijzen door de stroom vooruit of achteruit te laten stromen."
De contactortechnologie die door Sensata Technologies wordt gebruikt, is hermetisch afgesloten en gevuld met gas, waardoor het benodigde vermogen wordt geleverd om met de vereiste robuustheid te schakelen in een relatief klein formaat in vergelijking met openluchtcontactors. Sensata zet zijn strategie in gesloten schakeltechnologieën voort met de introductie van hoogspanningszekeringproducten. GigaFuse is een hermetisch afgesloten elektromechanische zekering die is ontworpen voor toepassingen met hoogspannings- en hoogvermogenszekeringen. “De GiagFuse-serie omvat zekeringsproducten met zowel passieve als passieve/actieve combinaties; het verhoogt de systeemefficiëntie aanzienlijk, elimineert thermische veroudering en biedt ontwerpflexibiliteit voor elektrische bescherming”, aldus Dai.
Het elektromechanische activeringsmechanisme van Sensata's GigaFuse verhoogt de systeemefficiëntie, elimineert thermische veroudering en biedt ontwerpflexibiliteit voor elektrische bescherming. (Bron: Sensata Technologies)
Om de opkomende technische uitdagingen van krachtige toepassingen aan te gaan, biedt Sensata nieuwe geïntegreerde technologie voor elektrische beveiliging. "Een nieuwe oplossing die we vóór de volledige lancering voor klanten zullen testen, is de PyroTactor, 's werelds eerste contactor met geïntegreerde pyro-zekering," zei Dai. “De GFC PyroTactor combineert de functie van HV-zekeringen en schakelaars in één apparaat, waardoor het niet nodig is om elk onderdeel afzonderlijk te dimensioneren. De GFC-serie is bidirectioneel en kan systeemspanningen tot 1,500 V aan, en beschikt over passieve en actieve triggering. Dit nieuwe ontwerp vermindert de ontwerpcomplexiteit van het koppelen van schakelaars en zekeringen aanzienlijk, elimineert thermische veroudering en vermindert de installatietijd, complexiteit en kosten aanzienlijk.”
Het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in zusterpublicatie Power Electronics News.