รถยนต์ไฟฟ้า (EV) ต้องการเวลาในการชาร์จ DC ที่เร็วขึ้นเพื่อแข่งขันกับเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิม ดังนั้นระบบชาร์จ EV จึงเคลื่อนไปสู่โซลูชันกำลังขับสูงสุด 350 กิโลวัตต์อย่างรวดเร็ว เพื่อลดเวลาในการชาร์จให้เหลือน้อยกว่า 20 นาที ด้วยอำนาจดังกล่าว แรงดันไฟฟ้า และระดับปัจจุบันกำลังนำนักออกแบบไปสู่ความท้าทายด้านวิศวกรรมใหม่ๆ
ในการให้สัมภาษณ์กับ Power Electronics News Jinsong Dai ผู้จัดการอาวุโสฝ่ายการตลาดระดับโลกที่เน้นเรื่องการใช้พลังงานไฟฟ้าที่ Sensata Technologies ชี้ให้เห็นว่าความท้าทายหลักสำหรับการชาร์จ DC อย่างรวดเร็วนั้นเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าและระดับพลังงานที่สูงขึ้น การโยกย้ายไปยังแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและระดับพลังงานที่สูงขึ้นทำให้เกิดปัญหาการป้องกันทางไฟฟ้าบางอย่าง
“ความท้าทายมากมายสำหรับการใช้งาน DC ที่ชาร์จอย่างรวดเร็วตั้งแต่มาตรฐานการชาร์จอย่างรวดเร็วไปจนถึงปัญหาโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ การจัดการประสิทธิภาพเชิงความร้อน ไปจนถึงการปกป้องระบบไฟฟ้าจากความผิดพลาด” Dai กล่าว “ที่ Sensata เรามุ่งเน้นที่การป้องกันไฟฟ้าสำหรับระบบชาร์จเร็ว DC เพื่อลดระยะเวลาในการชาร์จ เครื่องชาร์จกำลังสูงจำนวนมากกำลังย้ายจาก 400 V เป็น 1,000 V และจาก 50 kW เป็น 350 kW หรือสูงกว่านั้นอีก สิ่งนี้นำความท้าทายมากมายมาสู่ส่วนประกอบป้องกันไฟฟ้าในระบบการชาร์จ — การเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้าและไดรฟ์พลังงานการชาร์จเพิ่มความสามารถในส่วนประกอบไฟฟ้าแรงสูง เช่น คอนแทคเตอร์และฟิวส์”
Dai ชี้ให้เห็นว่าความกังวลที่ชัดเจนที่สุดคือแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นมีแนวโน้มที่จะสร้างส่วนโค้งซึ่งต้องใช้ระยะห่างมากขึ้นก่อนที่จะดับได้ “สิ่งนี้ต้องใช้คอนแทคเตอร์และฟิวส์เพื่อใช้เทคนิคในการเพิ่มระยะการแยกเพื่อดับส่วนโค้งอย่างรวดเร็ว” เขากล่าว “มิฉะนั้น ส่วนโค้งที่ไม่ขาดตอนอาจทำให้คอนแทคเตอร์หรือฟิวส์ระเบิดอย่างรุนแรง ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการจับคู่คอนแทคและฟิวส์ระหว่างสภาวะกระแสเกิน เมื่อคอนแทคเริ่มแตก วงจรไฟฟ้ามันสามารถเริ่มกระจายกระแสเกินบางส่วนภายในตัวมันเอง ป้องกันไม่ให้กระแสนั้นพร้อมใช้งานเพื่อรบกวนฟิวส์อย่างเหมาะสม ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นอาจเป็นความหายนะร้ายแรงของทั้งระบบ โซลูชันการตัดการเชื่อมต่อของ Sensata ซึ่งทั้งคอนแทคเตอร์และฟิวส์ถูกจับคู่เพื่อทำงานร่วมกัน ช่วยป้องกันความเสี่ยงนั้นได้”
การโยกย้ายไปยังแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น
แม้ว่าระดับแรงดันไฟและกระแสไฟที่สูงขึ้นจะลดเวลาในการชาร์จ แต่ก็เพิ่มความเสี่ยงด้านความปลอดภัยและความท้าทายในการออกแบบระบบ คอนแทคเตอร์ไฟฟ้าแรงสูงให้ความต่อเนื่องของวงจรที่ปลอดภัย ในขณะที่ต้องใช้ฟิวส์ควบคู่กันเพื่อป้องกันวงจรในกรณีที่เกิดเหตุการณ์ไฟฟ้าลัดวงจรที่เป็นอันตราย
โซลูชันการป้องกันวงจรของ Sensata (ที่มา: Sensata Technologies)
ฟิวส์ความร้อน DC แบบดั้งเดิม เทคโนโลยี ออกแบบมาสำหรับสถานการณ์ไฟฟ้าลัดวงจร ซึ่งหมายความว่าในกรณีไฟฟ้าลัดวงจรสูง ฟิวส์จะใช้การละลายของจุดเชื่อมต่อเพื่อตัดวงจร Dai ชี้ให้เห็นว่าความท้าทายสำหรับฟิวส์ความร้อน DC แบบดั้งเดิมนั้นอยู่ในสถานการณ์กระแสไฟเกิน เมื่อกระแสไฟไม่สูงเพียงพอ และฟิวส์ความร้อนจะใช้เวลานานกว่าจะละลาย
"สิ่งนี้จะสร้างโซนสีเทาซึ่งระดับปัจจุบันอาจครอบงำความสามารถของคอนแทคเตอร์ในการขัดจังหวะโหลดโดยไม่ต้องถึงจุดความร้อนเพื่อให้ฟิวส์ทำงาน" เขากล่าว “ระยะเวลาที่ยาวนานก่อนที่ฟิวส์ความร้อนจะเปิดใช้งานในขณะที่เกินความสามารถในการแตกหักของคอนแทคเตอร์จะถูกกำจัดด้วย GigaFuse GigaFuse ช่วยเชื่อมช่องว่างระหว่างสิ่งที่คอนแทคเตอร์สามารถทำได้ [การทำงานปกติ] และเมื่อฟิวส์ขาด ซึ่งช่วยป้องกันกระแสไฟเกินและไฟฟ้าลัดวงจร
“คอนแทคเตอร์และฟิวส์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญต่อภารกิจภายในเครื่องชาร์จแบบเร็ว DC” Dai กล่าวเสริม “คอนแทคเตอร์ให้ความต่อเนื่องของวงจรที่ปลอดภัยในระหว่างการชาร์จปกติหรือแยกกระแสไฟเกิน ในขณะที่ฟิวส์ป้องกันระบบการชาร์จระหว่างไฟฟ้าลัดวงจรและสภาวะกระแสไฟเกินที่เป็นอันตราย กุญแจสำคัญคือการมีคอนแทคเตอร์และฟิวส์ที่สามารถทำงานควบคู่กันเพื่อให้แน่ใจว่ามีการป้องกันที่ราบรื่นสำหรับเครื่องชาร์จในระหว่างการทำงานปกติและสภาวะกระแสไฟเกิน”
คอนแทคเตอร์และฟิวส์
ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและการชาร์จไฟที่สูงขึ้นสำหรับคอนแทคเตอร์หมายความว่าผลิตภัณฑ์จำเป็นต้องมีความสามารถในการแตกหักที่เพิ่มขึ้น และลูกค้ากำลังขอคอนแทคเตอร์ที่ระดับ 1,000 V และ 500 A Dai กล่าว นอกจากนี้ ฟังก์ชันการทำงานที่จำเป็นอีกอย่างหนึ่งคือการทำงานแบบสองทิศทางของคอนแทคเตอร์ที่อนุญาตให้ทั้งการชาร์จแบตเตอรี่ EV จากระบบกริดและระบบรถสู่กริด (V2G) ที่จะอนุญาตให้ใช้ประโยชน์จากกริดข่าวกรองในตลาดแลกเปลี่ยนพลังงาน
“นอกเหนือจาก V2G แล้ว การจัดสรรพลังงานแบบไดนามิกเป็นแนวโน้มของเทคโนโลยีที่ปรับการชาร์จให้ตรงกับความต้องการจริงด้วยการรวมหรือแบ่งปันพลังงานจากพอร์ตชาร์จหลายพอร์ต” Dai กล่าว "การทำงานแบบสองทิศทางของคอนแทคเตอร์ช่วยให้เครื่องชาร์จสามารถจัดสรรพลังงานแบบไดนามิกโดยให้กระแสไฟไหลไปข้างหน้าหรือข้างหลัง"
เทคโนโลยีคอนแทคเตอร์ที่ใช้โดย Sensata Technologies นั้นถูกปิดผนึกอย่างผนึกแน่นและเติมด้วยแก๊ส ดังนั้นจึงให้พลังงานที่จำเป็นในการเปลี่ยนด้วยความทนทานที่ต้องการในขนาดที่ค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับคอนแทคเตอร์แบบเปิดโล่ง Sensata ยังคงดำเนินกลยุทธ์ในด้านเทคโนโลยีสวิตช์ปิดผนึกด้วยการแนะนำผลิตภัณฑ์ฟิวส์ไฟฟ้าแรงสูง GigaFuse เป็นฟิวส์ไฟฟ้าเครื่องกลที่ปิดผนึกอย่างผนึกแน่น ออกแบบมาสำหรับความต้องการใช้งานฟิวส์แรงดันสูงและกำลังสูง “ชุด GiagFuse ประกอบด้วยผลิตภัณฑ์ฟิวส์ที่มีทั้งแบบพาสซีฟและพาสซีฟ/แอกทีฟรวมกัน มันเพิ่มประสิทธิภาพของระบบอย่างมาก ขจัดความร้อนที่เสื่อมสภาพ และให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบสำหรับการป้องกันไฟฟ้า” Dai กล่าว
กลไกการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าของ GigaFuse ของ Sensata เพิ่มประสิทธิภาพของระบบ ขจัดอายุความร้อน และให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบสำหรับการป้องกันไฟฟ้า (ที่มา: Sensata Technologies)
เพื่อจัดการกับความท้าทายทางเทคนิคที่เกิดขึ้นใหม่ของแอพพลิเคชั่นที่ใช้พลังงานสูง Sensata ได้นำเสนอเทคโนโลยีแบบบูรณาการใหม่สำหรับการป้องกันไฟฟ้า “โซลูชันใหม่ที่เราจะสุ่มตัวอย่างสำหรับลูกค้าก่อนการเปิดตัวอย่างเต็มรูปแบบคือ PyroTactor ซึ่งเป็นคอนแทคเตอร์รายแรกของโลกที่มีฟิวส์ไพโรในตัว” Dai กล่าว “GFC PyroTactor รวมฟังก์ชันของฟิวส์ HV และคอนแทคเตอร์ไว้ในอุปกรณ์เดียว ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องปรับขนาดส่วนประกอบแต่ละส่วนแยกจากกัน GFC ซีรี่ส์เป็นแบบสองทิศทางและสามารถจัดการแรงดันไฟฟ้าของระบบได้สูงถึง 1,500 V และคุณสมบัติต่างๆ ได้แก่ การทริกเกอร์แบบพาสซีฟและแอคทีฟ การออกแบบใหม่นี้ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบของการจับคู่คอนแทคเตอร์และฟิวส์ ช่วยลดอายุจากความร้อน และลดเวลาในการติดตั้ง ความซับซ้อน และต้นทุนได้อย่างมาก”
บทความนี้ตีพิมพ์ครั้งแรกที่สำนักพิมพ์ Power Electronics News ของน้องสาว