Kỷ nguyên điện khí hóa phương tiện đã đến, kéo theo làn sóng công nghệ tiên tiến và những tiến bộ theo cấp số nhân. Tuy nhiên, có những tác động an toàn quan trọng cần được xem xét khi các công nghệ này và xu hướng thị trường được áp dụng. Những xu hướng này là gì và chúng ảnh hưởng như thế nào đến việc bảo vệ mạch điện của xe điện?
Thị trường ngày nay chứng kiến nhu cầu và sự phát triển theo hướng giảm thời gian sạc, tăng yêu cầu về phạm vi sử dụng và nhiều mẫu xe đa dạng hơn. Tất cả những điều đó đang ảnh hưởng đến hiệu suất và thiết kế của hệ thống điện.
Cả ba xu hướng này đều là những bước phát triển đầy thách thức đối với việc bảo vệ mạch và cần được xem xét cẩn thận. Yêu cầu thời gian sạc giảm sẽ thúc đẩy điện áp hệ thống cao hơn. Phạm vi tăng lên dẫn đến dòng sự cố cao hơn. Và sự đa dạng của các mô hình được lên kế hoạch cho thấy yêu cầu hoạt động hiện tại cao hơn.
Các cân nhắc bảo vệ quan trọng
Thiết kế kiến trúc hệ thống thông thường để bảo vệ chính liên quan đến giải pháp cầu chì và công tắc phối hợp trong hộp phân phối điện. Hai thành phần phải được phối hợp để đảm bảo phạm vi toàn bộ các tình huống lỗi có thể xảy ra, có thể xuất phát từ các trạng thái sạc và nguyên nhân tuyến đường khác nhau của pin.
Giải pháp bảo vệ mạch thông thường của cầu chì và công tắc có các yêu cầu thiết kế mâu thuẫn với nhau. Mức dòng điện trong xe có thể thay đổi rất nhiều từ <100A trong điều kiện lái xe thông thường đến cao nhất là 20kA hoặc hơn trong trường hợp đoản mạch. Điều quan trọng là công tắc thực hiện chức năng chuyển mạch trong các chế độ hoạt động bình thường trong khi cầu chì có thể ngắt nhanh chóng trong các chế độ hoạt động không an toàn như quá tải và ngắn mạch. Phối hợp cầu chì và công tắc tơ đòi hỏi sự chuyển giao liền mạch giữa hai thiết bị độc lập này ở một mức dòng điện nhất định và điều này không phải lúc nào cũng có thể đạt được.
Sự phối hợp kém có thể dẫn đến giảm thời gian phản ứng của cầu chì, nóng chảy các tiếp điểm, trượt và độ nhạy của cầu chì. Việc va chạm muộn có thể khiến công tắc bị dính và gây ra vấn đề an toàn cho các bộ phận của hệ thống. Việc trượt phiền toái cũng là một vấn đề an toàn và có thể dẫn đến mất sức đẩy của xe, đây có thể là vấn đề an toàn và dẫn đến sự không hài lòng của khách hàng.
Mục tiêu là, sự phối hợp phải giải quyết những vấn đề này và đảm bảo thời gian phản ứng nhanh, nhất quán để bảo vệ chống quá tải và ngắt mạch, đồng thời chuyển mạch nhất quán của dòng điện danh định. Theo bản chất vật lý của thiết kế cầu chì, sự phối hợp là sự cân bằng giữa độ bền cầu chì và tốc độ cầu chì. Chọn một định mức nhỏ hơn tương đương với thời gian phản ứng nhanh hơn, trong khi dòng điện hệ thống sẽ gây ra độ nhạy thấp hơn và làm giảm tuổi thọ của cầu chì. Do đó, chỉ chọn một đánh giá nhỏ hơn cho cầu chì không thể là biện pháp thích hợp. Ngược lại, việc lựa chọn cầu chì cho các tình huống phối hợp đòi hỏi chuyên môn nâng cao về thách thức phối hợp của ứng dụng, cũng như khả năng thiết kế cầu chảy và mô phỏng ít nhạy. Một giải pháp tiềm năng để xem xét độ bền với cầu chì là thực hiện một công tắc kỹ thuật. Công tắc kỹ thuật là một thiết bị bảo vệ mạch có thể kích hoạt dựa vào vụ nổ có kiểm soát đến thanh cái dẫn điện nghiêm trọng. Pyro giải quyết thách thức phối hợp nhưng đưa ra các thách thức an toàn chức năng mới, vì hệ thống này mất phản ứng thụ động trước các tình huống lỗi và phụ thuộc vào việc kích hoạt chính xác. Các thành phần bổ sung phải đảm bảo kích hoạt đáng tin cậy bao gồm các chế độ hỏng hóc tiềm ẩn trong thiết bị điện tử liên quan đến các cân nhắc về chức năng an toàn.
Tương lai của bảo vệ mạch xe điện EV
Việc phân tích các cân nhắc về bảo vệ mạch thông thường kết luận rằng rõ ràng cần có một giải pháp bảo vệ mới. Các xu hướng phát triển về điện áp và mức công suất cho thấy sự phức tạp ngày càng tăng để bảo vệ khỏi các tình huống sự cố điện. Giải pháp cần:
- Cung cấp giải pháp chuyển mạch và bảo vệ mạch được phối hợp đầy đủ,
- Chủ động ngắt nhưng cũng kích hoạt thụ động trong trường hợp mất điện,
- Cải thiện chức năng an toàn của các hệ thống bảo vệ quan trọng,
- Cung cấp khả năng bảo dưỡng và / hoặc khả năng tái cung cấp được cải thiện.
Eaton đã phát triển một giải pháp dựa trên các tiêu chí trên. Bảo vệ mạch Breaktor™ kết hợp hai thành phần quan trọng thành một: bộ ngắt mạch và rơ le, do đó có khả năng xử lý toàn bộ phạm vi bảo vệ từ quá tải đến ngắn mạch cũng như chức năng chuyển mạch trong hoạt động bình thường.
Các tính năng chính bao gồm:
- Khu vực tiếp xúc với các tấm tách ở phần trên của thiết bị.
- Cuộn dây trình điều khiển ở phần dưới của thiết bị.
- Điện tử trên bo mạch bao gồm cả cảm biến hiện tại.
Trong hoạt động chuyển mạch bình thường, cuộn dây trình điều khiển đóng các tiếp điểm được cung cấp bởi nguồn cung cấp 12V để bật thiết bị và trở lại chế độ tắt khi điện áp cung cấp giảm xuống.
Bộ ngắt liên tục theo dõi các mức dòng điện bằng cảm biến dòng điện trên bo mạch và ngắt nguồn điện cho cuộn dây trình điều khiển khi phát hiện tình trạng quá tải. Mức quá dòng kích hoạt có thể điều chỉnh được.
Đối với các tình huống ngắn mạch, Breaktor phát hiện tình trạng trong thời gian dưới 1ms và ngắt kết nối cuộn dây trình điều khiển. Quá trình tắt tốc độ cao này giúp ngăn chặn quá trình hàn tiếp xúc. Hơn nữa, Breaktor sử dụng hiệu ứng bay tiếp xúc điện động tích cực để hạn chế dòng điện đi qua hệ thống. Hiệu ứng này đe dọa trong trường hợp kết hợp công tắc và cầu chì, vì lực đẩy của công tắc thông thường có thể làm gián đoạn phản ứng của cầu chì đối với sự cố.
Trong bất kỳ trường hợp lỗi nào, sau khi kiểm tra độ an toàn tương ứng, Breaktor có thể được kích hoạt lại.
Làm thế nào để bạn áp dụng thiết bị này trong một hệ thống xe điện? Bộ ngắt không chỉ thay thế các thành phần bảo vệ và chuyển mạch, mà còn loại bỏ các thanh cái điện áp cao và các bộ khai thác điện áp phụ trong hệ thống do giảm số lượng các thành phần tổng thể và kết nối trong kiến trúc bảo vệ hệ thống. Do đó, việc tích hợp Breaktor tạo ra lợi thế hình thành quan điểm hệ thống liên quan đến chi phí tối ưu, mật độ điện năng và đảm bảo an toàn.
Tổng kết lại, cầu chì vẫn có thể được coi là giải pháp khả thi để bảo vệ xe điện. Kiến thức chuyên môn về thiết kế cầu chì và ứng dụng của Eaton sẽ giúp xác định các ứng dụng mà hệ thống cầu chì và công tắc có thể được phối hợp hoàn toàn hoặc liệu hệ thống bảo vệ tiên tiến như Breaktor có nên được xem xét hay không.
Công nghệ pyro thay thế giải quyết vấn đề phối hợp nhưng đưa ra những thách thức mới đối với ứng dụng và thiết kế hệ thống liên quan đến nhu cầu kích hoạt tích cực của nó.
Bảo vệ mạch tiên tiến của bộ ngắt là sự kết hợp hoàn hảo bằng cách bao phủ toàn bộ phạm vi bảo vệ cho các trường hợp quá tải và ngắn mạch và có thể chủ động ngắt nhưng cũng kích hoạt thụ động trong trường hợp mất điện. Nó cải thiện tính an toàn chức năng của hệ thống bảo vệ và thêm khả năng tái định cư như một tính năng chính vào đề xuất giá trị của hệ thống bảo vệ.
