Os veículos elétricos (EVs) precisam de tempos de carregamento DC mais rápidos para competir com os motores de combustão interna tradicionais, então os sistemas de carregamento EV estão se movendo rapidamente em direção a soluções de potência de saída de até 350 kW para reduzir os tempos de carregamento para menos de 20 minutos. Com tais poderes, Voltagem e os níveis atuais estão levando os designers a novos desafios de engenharia.
Em uma entrevista ao Power Electronics News, Jinsong Dai, gerente sênior de marketing global com foco em eletrificação na Sensata Technologies, destacou que os principais desafios para o carregamento rápido DC estão relacionados a tensões e níveis de energia mais altos. A migração para tensões e níveis de energia mais altos causa alguns problemas de proteção elétrica.
“Muitos desafios para as aplicações de carregamento rápido DC, que vão desde padrões de carregamento rápido até problemas de infraestrutura de carregamento, gerenciamento de eficiência térmica e proteção de sistemas elétricos contra falhas”, disse Dai. “Na Sensata, nos concentramos na proteção elétrica para o sistema de carregamento rápido DC. Para encurtar o tempo de carregamento, muitos carregadores de alta potência estão migrando de 400 V para 1,000 V e de 50 kW para 350 kW ou até mais. Isso traz muitos desafios para os componentes de proteção elétrica no sistema de carga - aumentos nos níveis de tensão e aumento da capacidade de acionamento da energia de carga em componentes de alta tensão, como contatores e fusíveis. ”
Dai apontou que a preocupação mais óbvia aqui é que tensões mais altas são mais propensas a gerar um arco, o que requer uma distância de separação maior antes que possa ser extinto. “Isso requer contatores e fusíveis para empregar técnicas para aumentar a distância de separação para extinguir rapidamente quaisquer arcos”, disse ele. “Do contrário, o arco ininterrupto pode causar a explosão violenta de um contator ou fusível. Outro problema é o emparelhamento do contator e do fusível durante a condição de sobrecorrente. Quando o contator começa a quebrar um o circuito, ele pode começar a dissipar parte da sobrecorrente dentro de si mesmo, evitando que a corrente esteja disponível para interromper adequadamente o fusível. O impacto potencial pode ser uma falha catastrófica de todo o sistema. A solução de desconexão da Sensata, onde o contator e o fusível estão emparelhados para trabalhar juntos, ajuda a prevenir esse risco. ”
Migrando para voltagem mais alta
Embora os níveis de tensão e corrente mais elevados reduzam os tempos de carregamento, eles aumentam os riscos de segurança e os desafios do projeto do sistema. Os contatores de alta tensão fornecem continuidade segura do circuito, enquanto os fusíveis são necessários em conjunto para proteger o circuito no caso de um evento de curto-circuito perigoso.
Soluções de proteção de circuitos da Sensata (Fonte: Sensata Technologies)
Fusível térmico DC tradicional tecnologia foi projetado para situações de curto-circuito, o que significa que em caso de curto-circuito e alta corrente, um fusível aproveita o derretimento da conexão para interromper o circuito. Dai destacou que o desafio dos fusíveis térmicos CC tradicionais está em situações de sobrecorrente, quando a corrente não é alta o suficiente e leva mais tempo para o fusível térmico derreter.
“Isso cria uma zona cinzenta onde os níveis de corrente podem sobrecarregar a capacidade do contator de interromper a carga sem atingir o ponto térmico para o disparo de um fusível”, disse ele. “Este período de tempo antes que o fusível térmico possa ser ativado enquanto excede a capacidade de interrupção do contator é eliminado com o GigaFuse. O GigaFuse ajuda a preencher a lacuna entre o que os contatores podem fazer [operação normal] e quando o fusível desarma, ajudando a fornecer proteção contra sobrecorrente e curto-circuito.
“Contatores e fusíveis são componentes de missão crítica em carregadores rápidos DC”, acrescentou Dai. “Os contatores fornecem continuidade de circuito seguro durante o carregamento normal ou separam a sobrecorrente, enquanto os fusíveis protegem o sistema de carga durante condições perigosas de curto-circuito e sobrecorrente. A chave é ter contatores e fusíveis que possam trabalhar em conjunto para garantir proteção contínua para os carregadores durante a operação normal e condições de sobrecorrente. ”
Contatores e fusíveis
Níveis de tensão mais altos e carga de energia mais alta para contatores significa que os produtos precisam ter maior capacidade de interrupção, e os clientes estão pedindo contatores classificados para 1,000 V e 500 A, disse Dai. Além disso, outra funcionalidade necessária é a bidirecionalidade do contator que permite o carregamento de baterias EV da rede e do sistema veículo-a-rede (V2G) que permitiria a exploração da inteligência da rede em um mercado de troca de energia.
“Além do V2G, a alocação de energia dinâmica é uma tendência da tecnologia que adapta a cobrança à demanda real, combinando ou compartilhando a energia de várias portas de carregamento”, disse Dai. “A funcionalidade bidirecional dos contatores permite que os carregadores aloquem a energia dinamicamente, permitindo o fluxo de corrente para frente ou para trás.”
A tecnologia de contator usada pela Sensata Technologies é hermeticamente selada e preenchida com gás, fornecendo assim a energia necessária para comutar com a robustez necessária em um tamanho relativamente pequeno em comparação com contatores abertos. A Sensata continua sua estratégia em tecnologias de comutação selada com a introdução de produtos de fusíveis de alta tensão. GigaFuse é um fusível eletromecânico hermeticamente selado projetado para requisitos de aplicação de fusíveis de alta tensão e alta potência. “A série GiagFuse inclui produtos de fusíveis com combinações passiva e passiva / ativa; aumenta significativamente a eficiência do sistema, elimina o envelhecimento térmico e fornece flexibilidade de design para proteção elétrica ”, disse Dai.
O mecanismo de disparo eletromecânico do GigaFuse da Sensata aumenta a eficiência do sistema, elimina o envelhecimento térmico e fornece flexibilidade de design para proteção elétrica. (Fonte: Sensata Technologies)
Para enfrentar os desafios técnicos emergentes de aplicações de alta potência, a Sensata fornece uma nova tecnologia integrada para proteção elétrica. “Uma nova solução que iremos provar para os clientes antes do lançamento completo é o PyroTactor, o primeiro contator do mundo com fusível pyro integrado”, disse Dai. “O GFC PyroTactor combina a função de fusíveis HV e contatores em um único dispositivo, eliminando assim a necessidade de dimensionar cada componente separadamente. A série GFC é bidirecional e capaz de lidar com tensões de sistema de até 1,500 V, e os recursos incluem acionamento passivo e ativo. Este novo projeto reduz significativamente a complexidade do projeto de emparelhamento de contator e fusível, elimina o envelhecimento térmico e reduz significativamente o tempo de instalação, complexidade e custo. ”
O artigo foi publicado originalmente na publicação irmã Power Electronics News.