Assegureu la seguretat dels vehicles elèctrics i els sistemes industrials amb tecnologia de fusibles de nova generació
Les últimes novetats en sistemes d’emmagatzematge d’energia exigeixen components de seguretat d’alt rendiment i solucions sofisticades de protecció de circuits que poden proporcionar els nivells crítics de protecció per garantir seguretat i fiabilitat.
Els vehicles elèctrics existeixen des de mitjan segle XIX i eren força populars fins que la benzina barata dels jaciments de Texas va canviar la dinàmica. Aquells primers vehicles elèctrics tenien seriosos problemes amb la densitat d'energia i l'eficiència del tren motriu, tot i que un vehicle elèctric va mantenir el rècord de velocitat terrestre fins a principis del segle passat. El problema de seguretat més gran amb aquests sistemes de bateries per a vehicles de primera generació es va centrar principalment en l'enviament i l'emmagatzematge d'àcids a l'electròlit (figura 1).
1. Els primers sistemes de bateries patien una baixa densitat d’energia i els materials càustics que s’utilitzaven.
Un paquet de bateries EV modern té una densitat de potència i capacitat significativament més altes que aquells sistemes antics, i els problemes de seguretat i els processos necessaris per solucionar-los han migrat a tecnologies bàsiques més avançades. La gestió de les altes corrents implicades en els vehicles d’avui en dia s’ha convertit en un important problema de seguretat, ja que un esdeveniment de curtcircuit mal gestionat pot convertir-se en una situació de fracàs catastròfic.
Seguretat i rendiment
Les mateixes exigències d’eficiència i densitat d’energia s’apliquen a l’electrònica de potència d’un EV, que també requereix nivells de seguretat i funcionalitat extremadament alts. Només amb sistemes avançats de bateria i sistemes electrònics de gestió de potència, els vehicles d'avui en dia poden atendre les necessitats d'abast, rendiment i seguretat. La migració a materials avançats com els semiconductors de banda ampla en sistemes de potència és una arma de doble tall, que augmenta tant el rendiment com la necessitat d'un funcionament segur.
Millors bateries
La demanda de millora de l’emmagatzematge d’energia ha anat creixent constantment a gairebé tots els sectors del mercat. Des de dispositius tan petits com els portables mèdics fins a sistemes tan grans com la xarxa elèctrica, les solucions actuals requereixen bateries d'alta densitat.
Aquestes aplicacions necessiten una varietat de mètodes per operar de manera segura i fiable, ja que els nivells de potència no deixen espai per a errors. Des de l'afaitat de pic de la xarxa i altres metodologies de canvi de càrrega a la xarxa elèctrica, fins a l'electrònica de càrrega ràpida que serveix als vehicles electrònics connectats, és fonamental garantir la seguretat de les bateries implicades (figura 2).
2. Les aplicacions avançades d’energia, com la càrrega ràpida del vehicle, han de funcionar de forma segura, fiable i econòmica.
Fusió per seguretat
Per garantir que aquests sistemes de gestió d'energia d'alta densitat siguin segurs durant la vida útil d'un vehicle, és fonamental integrar components de protecció robustos i d'alt rendiment en els seus dissenys. Els fusibles o dispositius similars són components de protecció de circuit necessaris, que protegeixen el cotxe de les condicions de curtcircuit trencant l’enllaç d’alimentació en condicions molt específiques. Molts d’aquests innombrables tipus de fusibles comparteixen un aspecte primordial, una peça de conductor d’enginyeria.
Aquest enllaç a mida, generalment metàl·lic, està classificat per trencar la connexió mitjançant la fusió (o vaporització) d’una manera controlada. Això sol passar en condicions de temperatura més altes creades per un curtcircuit, garantint la seguretat del sistema tallant-lo completament de la font d’energia. Tanmateix, hi ha alguns inconvenients, entre els quals destaca que un circuit amb càrrega no sempre presenta un flux de corrent regular i suau.
Per exemple, en dissenys que experimenten impulsos d'alta potència, l'amplia variació de corrent que es tradueix en utilitzar un fusible de valor superior per evitar el trencament de molèsties. El problema és que aquesta solució deixa el circuit més exposat a sobreescalfaments i fallades tèrmiques. A més, l’aspecte d’un sol ús dels fusibles ha permès un major ús de dispositius de seguretat avançats, com ara els interruptors automàtics, que es poden restablir i no tenen parts que s’esgotin.
Connectors de contacte
Els contactors són dispositius de protecció electromecànica que, tot i que són similars als interruptors automàtics, es diferencien perquè no s’aturen. Al contrari, actuen com a dispositius de commutació d’alt rendiment que es connecten directament a càrregues d’alta intensitat. Operats per un control extern, els contactors de potència serveixen per a tasques exigents de restabliment de circuits on hi ha nivells de corrent elevats. De manera similar en funcionament als relés, els contactors també ofereixen funcions per controlar i suprimir els arcs creats en canviar.
Els contactors d’alta tensió garanteixen la seguretat i la continuïtat del circuit en l’emmagatzematge d’energia de vehicles híbrids i elèctrics, carregadors de bateries i sistemes industrials d’alta potència, connectant i desconnectant l’alimentació de forma ràpida i segura mentre gestionen els problemes d’arç i d’entrada. Un exemple és als vehicles elèctrics, on els contactors oberts normalment gestionen la connexió entre el paquet de bateries i el sistema, desconnectant-se automàticament quan no s’utilitza el cotxe.
Protecció de nova generació
Existeixen altres solucions de protecció de circuits que poden obrir un circuit més ràpid que un fusible i són més resistents a les molèsties. Aquesta i altres funcions avançades garanteixen un menor risc de danys que els fusibles tèrmics. Un exemple d’aquesta solució es pot trobar al Dissmann Fuse desenvolupat per GIGAVAC, una marca Sensata Technologies (Fig. 3).
3. Dirigit als vehicles elèctrics, el fusible Sensata Dissmann és un dispositiu electromecànic d’acció ràpida amb poca generació de calor.
El dispositiu electromecànic d’acció ràpida i hermèticament segellat té poca generació de calor i es dispara amb un corrent exacte. Les característiques inclouen una resistència molt reduïda, sense envelliment tèrmic i una major eficiència del sistema. Sempre amb variacions passives i passives actives, els dispositius utilitzen el camp magnètic del flux actual (força de Lorentz) per activar el dispositiu. La figura 4 mostra el seu funcionament, amb la línia blava del gràfic que mostra el llindar d’activació.
4. Aquest esquema demostra el funcionament de solucions de protecció de circuits com el fusible Dissmann. La línia blava indica el llindar d’activació, que mostra que el dispositiu pot obrir el circuit més ràpid que un fusible i més a prop de les condicions de funcionament desitjades.
Aquest gràfic mostra que el dispositiu pot obrir el circuit més ràpidament i més a prop de les condicions de funcionament desitjades que un fusible. Disponible en un rang continu de rangs de 200 a 500 A, el recorregut del seu llindar d’activació també és ajustable. Generant poca calor en funcionament, és immune tant a l’envelliment tèrmic com a les molèsties provocades pels cicles operatius freds i calents, que amb el pas del temps provoquen fragilitat del conductor.
Es reclama el fusible Dissmann com el primer fusible hermètic de la indústria que trenca a corrents exactes. Està dissenyat per reduir significativament la resistència, el temps d’instal·lació, la complexitat i els costos, ajudant a augmentar l’eficiència del sistema.
Ampliant la vida operativa del sistema garantint la integritat física i operativa de la connexió, el fusible té temps clars ràpids i constants independentment de les temperatures ambientals. Això és cada vegada més important en vehicles elèctrics d’alta potència, on qualsevol addició a l’impacte tèrmic de l’electrònica de la transmissió pot afectar el rendiment d’altres subsistemes tèrmicament sensibles.
El funcionament ràpid també millora el rendiment del contactor. Un contactor pot levitar durant el funcionament, dissipant l'energia que hauria d'estar disponible per activar el fusible i, en canvi, carregant el corrent al contactor. Això pot evitar que el fusible "vegi" el curt i pot conduir a un fracàs catastròfic. Si es mira una situació amb un contactor 500-A i un fusible 500-A, una configuració d’aquest tipus trigaria un segon o dos a 1.000 A a encallar-se, mentre que una solució de desencadenament ràpid es pot establir a 1.000 A, per exemple, 3 ms.
En el cas dels fusibles tèrmics, hi ha una àrea d’operació en què els nivells de corrent poden desbordar el contactor, frustrant la seva capacitat d’interrompre la càrrega bloquejant que arribi al punt tèrmic perquè un fusible s’activi. Aquest risc s’elimina amb productes que ofereixen una resistència de contacte molt baixa de menys de 0,15 mΩ, la qual cosa també comporta una pèrdua de potència menor i una major eficiència del sistema.
Consideracions
Els dispositius de protecció precisos i ràpids per aturar la seguretat dels circuits en sistemes d’alta potència, però els seus avantatges no es limiten només a servir piles avançades. Una infinitat d’aplicacions, inclosa la robòtica industrial i sistemes d’energia alternativa, es poden beneficiar de l’eficiència, les característiques tèrmiques i la velocitat de funcionament d’una solució d’aquest tipus. Aquests dispositius electromecànics de tancament hermètic d’acció ràpida són adequats per a aplicacions en què l’envelliment tèrmic o el trencament de molèsties són problemàtics.
Les solucions de protecció de potència, com la fusió Dissmann, ajuden a la coordinació dels contactors i proporcionen protecció en condicions de curtcircuit. Els sistemes d’emmagatzematge d’energia de nova generació exigeixen components de seguretat d’alt rendiment i solucions sofisticades de protecció de circuits que poden proporcionar els nivells crítics de protecció necessaris per garantir seguretat i fiabilitat.