Seleção de segurança de fusíveis de alta-tensão para veículos de novas energias: tecnologias-chave para corpo de tubo cerâmico, extinção de arco CC e projeto de instalação

À medida que o sistema de bateria de energia dos novos veículos de energia se desenvolve em direção à alta tensão, grande capacidade e alta potência, a segurança elétrica de alta-tensão tornou-se uma questão importante no projeto do veículo e do sistema de bateria. Como um dispositivo chave de proteção contra sobrecorrente no circuito de energia da bateria, o fusível de alta-tensão precisa cortar rapidamente a corrente de falha sob condições anormais, como curto-circuito e sobrecarga severa, e limitar a propagação da energia de falha através de uma estrutura confiável de extinção de arco. Portanto, a tensão nominal, a corrente nominal, a capacidade de interrupção, o desempenho de extinção de arco, o isolamento e as capacidades de resistência ao calor do fusível estão diretamente relacionadas à segurança do sistema de alta-tensão.

 

Diferente dos circuitos tradicionais de baixa-tensão, as novas baterias de energia para veículos emitem corrente contínua de alta-tensão. Não existe um ponto de cruzamento zero{3}}natural para CC, e o arco não pode se extinguir facilmente após a ocorrência de um curto-circuito. Portanto, fusíveis CC de alta-tensão precisam ter recursos especiais de limitação de corrente e extinção de arco. Quando ocorre um curto-circuito grave no sistema de bateria de alimentação, o fusível deve concluir a fusão fundida, o controle do arco e o corte de corrente em um tempo muito curto para evitar maiores danos à bateria, relés, conectores e outros componentes de alta-tensão pela corrente de falha.

 

 

 

As baterias de energia geralmente consistem em um grande número de células únicas conectadas em série e em paralelo para formar um conjunto de baterias, e sua capacidade de armazenamento de energia e energia de-curto-circuito são muito maiores do que os sistemas elétricos-comuns de baixa tensão. Quando ocorre um curto-circuito no circuito principal, a corrente de falha pode aumentar rapidamente em um tempo muito curto. Sem proteção confiável contra sobrecorrente, o calor gerado pela corrente anormal pode causar superaquecimento dos condutores, danos aos materiais de isolamento e até causar acidentes de segurança térmica mais graves.

 

Fusíveis de alta-tensão geralmente são instalados no circuito principal da bateria de alimentação, no circuito de carga ou em outros locais que exigem isolamento-de falha de alta energia. Quando uma sobrecarga severa ou corrente de curto-circuito-é detectada, o fundido atinge a condição de fusão através de seu próprio aquecimento e usa o meio de extinção-do arco interno para limitar o arco, completando assim o corte da corrente de falha dentro do tempo especificado.

 

Portanto, o fusível não é um "fusível" no sentido simples, mas um componente ativo de isolamento de falhas no sistema de alta-tensão dos novos veículos de energia. Seu projeto precisa considerar tanto a operação de baixa{2}}energia sob condições normais de trabalho quanto a alta-capacidade de interrupção de energia sob condições de falha.

 

Em produtos reais, estruturas como EV Fuse Ceramic Body geralmente precisam levar em consideração a resistência mecânica, o desempenho do isolamento, a resistência ao calor e a resistência à pressão interna. Especialmente para aplicações de alta tensão e alta corrente, a escolha do material do tubo afetará diretamente a margem de segurança do fusível.

 

 

Os fusíveis de alta-tensão geralmente consistem em um fundido, corpo de tubo, enchimento de extinção de arco, tampa de extremidade e estrutura de conexão. Durante a operação normal, o fundido permite que a corrente operacional dentro da faixa especificada continue a passar, e sua própria perda de energia deve ser controlada dentro de uma faixa razoável.

 

Quando o circuito estiver gravemente sobrecarregado ou em curto-circuito, a temperatura local do fundido aumentará rapidamente e ocorrerá um fusível.

 

Após a quebra do fundido, ainda pode existir alta energia do arco no circuito. Para sistemas DC, o arco não pode ser extinto contando com o cruzamento natural do zero da CA, por isso é necessário absorver energia, reduzir a temperatura do arco e limitar o canal do arco através de materiais extintores de arco.

 

Meios granulares-de extinção de arco, como areia de quartzo, podem absorver uma grande quantidade de calor durante o processo de fusão e ajudar a formar um produto de fusão com alta resistência de isolamento, completando assim o isolamento galvânico final.

 

Durante esse processo, o corpo do tubo não só assume o papel de suporte mecânico, mas também precisa suportar a alta temperatura e a pressão interna geradas durante o processo de fusão. Se a resistência mecânica, a resistência ao calor ou o desempenho de isolamento do corpo do tubo forem insuficientes, podem ocorrer problemas como ruptura do tubo, arco externo ou falha de isolamento, mesmo que o próprio fundido possa operar normalmente.

 

Portanto, o projeto do material do corpo cerâmico para fusíveis EV não pode focar apenas nas propriedades mecânicas em temperatura normal, mas também deve considerar os efeitos abrangentes da alta temperatura instantânea, alta tensão e impacto do arco durante o processo de interrupção do curto-circuito.

 

 

Fusíveis de alta-tensão em veículos de energia nova geralmente são instalados em caixas de baterias, caixas de distribuição de alta-tensão ou outros locais com espaço limitado. Devido ao alto nível de integração nessas áreas, as condições de dissipação de calor, o espaçamento de instalação e os materiais circundantes afetarão o status operacional do fusível.

 

Se o fusível for exposto a um ambiente de alta temperatura por muito tempo, o material do tubo precisa ter boa estabilidade térmica. Se o material amolecer, envelhecer, deformar ou degradar as propriedades de isolamento sob estresse térmico sustentado, a margem de segurança de todo o fusível poderá ser reduzida.

 

Durante a interrupção da falha, as temperaturas da área local serão muito mais altas do que as temperaturas operacionais normais, portanto, os materiais devem ser capazes de suportar não apenas temperaturas operacionais contínuas, mas também choques térmicos extremos-de curto prazo. Isto é especialmente importante para veículos com novas energias porque a corrente de falha do sistema de bateria de potência pode ter um grande nível de energia.

 

Os materiais cerâmicos têm alta resistência ao calor e propriedades de isolamento elétrico, por isso são amplamente utilizados no corpo do tubo e na estrutura de isolamento de fusíveis de alta-tensão. Para fusíveis automotivos de alta-tensão, o tubo cerâmico de alumina para fusível EV de alta tensão pode fornecer melhor desempenho abrangente entre isolamento, resistência ao calor e estabilidade mecânica.

 

 

 

A cerâmica de alumina é um tipo comum de material cerâmico isolante elétrico com alta resistência de isolamento, resistência ao calor e resistência mecânica. Em fusíveis de alta-tensão, a cerâmica de alumina pode ser usada para formar um corpo de tubo isolante estável para fornecer um espaço fechado confiável para o meio interno de fusão e-extinção de arco.

 

Em comparação com alguns materiais isolantes orgânicos, as cerâmicas de alumina têm melhor estabilidade dimensional sob condições de alta temperatura e não amolecem e queimam tão facilmente quanto os polímeros inflamáveis. Portanto, no sistema de alta-tensão de veículos de energia nova com altos requisitos de segurança contra incêndio, os corpos de tubos cerâmicos têm certas vantagens estruturais.

 

Para fusíveis de diferentes níveis de tensão, é necessário um projeto abrangente com base em fatores como folga elétrica, resistência do isolamento, resistência mecânica, tamanho do tubo e pressão interna. As especificações específicas do tubo cerâmico de alumina para fusíveis elétricos automotivos precisam corresponder à estrutura fundida e aos parâmetros de quebra de todo o fusível e não podem ser selecionadas apenas com base no tamanho do tubo.

 

 

 

Ao selecionar um fusível de alta-tensão, primeiro você precisa determinar a tensão operacional máxima do sistema. A tensão nominal do fusível deve ser capaz de cobrir a tensão máxima de operação do sistema de bateria de alimentação e deixar uma margem razoável para operação normal e condições transitórias.

 

A seguir está a corrente nominal. A corrente nominal não é simplesmente selecionada com base na corrente máxima de trabalho contínua do veículo. Ele também precisa ser avaliado de forma abrangente com base na temperatura ambiente, método de instalação, condições de dissipação de calor, tempo de trabalho contínuo e flutuações de corrente. Uma corrente nominal excessivamente pequena pode causar aquecimento frequente ou até mesmo fusíveis falsos durante a operação normal, enquanto uma corrente nominal excessivamente grande pode reduzir a velocidade da proteção contra falhas.

 

A capacidade de interrupção também é um indicador importante de fusíveis CC de alta-tensão. Os projetistas precisam confirmar se o fusível pode cortar com segurança a corrente de falha dentro da faixa especificada com base na corrente máxima de curto-circuito da bateria de alimentação, na impedância do sistema e na estrutura do circuito de falha.

 

Além disso, também é necessário prestar atenção às características tempo-atual. As velocidades de fusão de diferentes fusíveis não são exatamente as mesmas e precisam ser selecionadas de acordo com os requisitos do sistema para proteção contra curto-circuito, proteção contra sobrecarga e proteção de coordenação de dispositivos.

 

 

O sistema de bateria de alimentação pode enfrentar duas condições anormais: sobrecarga e curto-circuito ao mesmo tempo. A sobrecarga geralmente se manifesta quando a corrente operacional continua a exceder a faixa normal de projeto, mas a corrente de falta aumenta relativamente lentamente; um curto-circuito pode fazer com que a corrente atinja rapidamente um nível alto em um período de tempo muito curto.

 

Para diferentes tipos de falta, os fusíveis precisam atingir características de proteção correspondentes através de diferentes designs de fusíveis. Portanto, a estrutura do produto correspondente ao Corpo Cerâmico para Fusível de Proteção contra Sobrecarga e Curto-Circuito precisa ser projetada juntamente com o fundido, enchimento e capacidade nominal de interrupção.

 

Para novos sistemas de alta-tensão de veículos de energia, os fusíveis também precisam formar uma relação de proteção coordenada com contatores, circuitos de pré-carga, BMS e sistemas de distribuição de alta-tensão. Melhorar a capacidade de proteção de um determinado dispositivo por si só não pode substituir a estratégia de proteção de todo o sistema de alta-tensão.

 

 

Uma das principais dificuldades técnicas dos fusíveis CC de alta-tensão é o controle do arco. Depois que o material fundido derrete, um arco-de alta temperatura pode se formar entre as duas fraturas. Se o arco continuar, o isolamento elétrico não poderá ser verdadeiramente alcançado.

 

O enchimento extintor de arco e a estrutura do tubo determinam em conjunto o processo de resfriamento, segmentação e deionização do arco. O corpo estável do tubo cerâmico pode manter a integridade da estrutura interna durante o processo de fusão, proporcionando um espaço fechado e estável para o processo de extinção do arco.

 

Para fusíveis automotivos DC, a estrutura cerâmica usada pela Ceramic for DC Automotive Fuses geralmente precisa ser combinada e projetada com base na tensão, corrente, capacidade de interrupção e pressão interna. O desempenho de isolamento do material é apenas a base, e o produto real ainda precisa ser verificado por meio de um teste completo de interrupção-de curto-circuito.

 

 

O sistema de alta-tensão dos veículos de energia nova geralmente tem uma alta tensão CC, portanto, além da proteção contra sobrecorrente, o fusível também precisa manter capacidade de isolamento suficiente durante condições normais de trabalho e após a fusão.

 

O projeto de isolamento envolve a rigidez dielétrica do próprio material, bem como distâncias de fuga, folgas elétricas, estruturas finais e ambiente de instalação. Se o fusível de alta-tensão estiver muito próximo da estrutura metálica circundante ou se houver contaminação ou condensação na superfície, a margem de isolamento real poderá ser reduzida.

 

Para estruturas cerâmicas isolantes, como corpo fundido de cerâmica isolante elétrica de esteatita, o sistema de material e as dimensões estruturais precisam ser determinados com base em níveis de tensão específicos e condições ambientais. Os veículos de nova energia também sofrerão mudanças de temperatura, mudanças de umidade, vibrações mecânicas e impactos nas estradas durante a operação real, portanto, a estrutura de isolamento precisa ter estabilidade-de longo prazo.

 

 

 

Além do desempenho do fusível em si, o local de instalação também afeta a segurança do sistema. Fusíveis de alta-tensão devem ser evitados em locais superlotados, com condições de dissipação de calor extremamente ruins ou suscetíveis a danos mecânicos.

 

Se o espaço de instalação estiver próximo de uma fonte de alto calor da bateria, a condução de calor, a radiação de calor e o fluxo de ar deverão ser avaliados. Para estruturas que exigem manutenção e substituição, o espaço operacional para o pessoal de manutenção e os requisitos de isolamento de segurança de alta-tensão também devem ser totalmente considerados.

 

Em sistemas de distribuição de energia de alta-tensão, os fusíveis geralmente precisam ser dispostos junto com contatores, relés, barramentos e terminais de conexão. Para estruturas de tubos, como revestimento cerâmico para elo fusível, o espaço circundante não afeta apenas a dissipação de calor, mas também está relacionado à distância segura em condições de falha.
 

 

A verificação de fusíveis de alta-tensão para veículos de nova energia deve abranger tanto a operação normal quanto as condições anormais de trabalho. Em condições normais de trabalho, deve-se prestar atenção ao aumento da temperatura, à capacidade de transporte de corrente contínua, à estabilidade da resistência e ao desempenho do isolamento; sob condições anormais de trabalho, é necessário focar na verificação de sobrecarga, curto-circuito, capacidade de interrupção e capacidade de suportar correntes extremas.

 

Além disso, a avaliação da confiabilidade ambiental precisa ser realizada com base no ambiente real de uso dos veículos com novas energias, incluindo testes como ciclos de alta e baixa temperatura, calor e umidade, vibração, choque mecânico e energização-de longo prazo.

 

Para produtos que utilizam corpos de tubos cerâmicos de alumina, também é necessário focar na consistência dimensional, qualidade da superfície, resistência mecânica e confiabilidade de montagem da própria cerâmica com as peças metálicas finais. Os parâmetros do material do tubo cerâmico de alumina Al2O3 para fusível de alta-tensão só podem refletir verdadeiramente o nível de segurança do produto se forem verificados em conjunto com a estrutura geral do fusível.
 

 

À medida que a plataforma de tensão das baterias de energia continua a aumentar, os sistemas-de alta tensão estão gradualmente se desenvolvendo da plataforma tradicional de centenas de volts para níveis de tensão mais altos. Uma tensão mais alta do sistema pode reduzir a corrente operacional sob a mesma potência, reduzindo assim as perdas de condutores em chicotes elétricos e barramentos, mas ao mesmo tempo também impõe requisitos mais elevados em isolamento, extinção de arco e proteção contra falhas.

 

Uma das futuras direções de desenvolvimento de fusíveis de alta-tensão é a miniaturização e a alta densidade de potência. O espaço limitado de instalação do veículo exige que o fusível reduza ainda mais seu tamanho, mantendo sua capacidade de interrupção e melhore sua capacidade de tratamento de energia de falha por unidade de volume.

 

Outra direção importante é a otimização de materiais. O tubo isolante cerâmico de alumina para fusível requer um equilíbrio entre rigidez dielétrica, estabilidade térmica, resistência mecânica e consistência de processamento. À medida que a padronização das novas plataformas de veículos energéticos aumenta, a precisão dimensional e a consistência dos lotes dos corpos dos tubos cerâmicos também se tornarão importantes indicadores de fabricação.

 

Além disso, a integração de fusíveis e sistemas de distribuição de energia de alta-tensão continuará a aumentar. As futuras soluções de proteção de alta-tensão não precisarão apenas considerar o desempenho individual dos fusíveis, mas também exigirão coordenação-no nível do sistema com contatores, circuitos de pré-carga, BMS, conectores de alta-tensão e barramentos.

 

 

Do ponto de vista do projeto de segurança, o material do corpo do tubo fusível de alta-tensão deve atender pelo menos a vários requisitos básicos: ter resistência mecânica suficiente para suportar a pressão interna gerada pelo processo de ruptura; tem desempenho de isolamento estável para atender aos requisitos de operação-de longo prazo do sistema de-alta tensão; possui boa resistência ao calor para manter a estabilidade estrutural em ambientes com temperaturas anormalmente altas; também deve ter boa consistência dimensional para garantir uma relação de montagem precisa entre o fundido, a carga e a estrutura final.

 

Para aplicações em veículos de alta-energia de alta tensão, o tubo cerâmico de 95% de alumina para fusível de alta tensão é uma solução representativa de material de tubo cerâmico.

 

Sua aplicação real ainda precisa ser verificada com base na tensão nominal específica do fusível, na corrente nominal, na corrente de-curto-circuito e na estrutura mecânica.

 

Para diferentes tipos de circuitos auxiliares, também existem diferenças no tamanho e nos parâmetros de proteção dos fusíveis. Por exemplo, fusíveis auxiliares de veículos elétricos com corpo cerâmico são mais adequados para correspondência com base na corrente operacional, tensão nominal, espaço de instalação e outras condições do circuito de energia auxiliar, em vez de simplesmente aplicar os parâmetros de projeto do circuito principal da bateria de energia.

 

 

 

A segurança dos fusíveis de alta-tensão de veículos de energia nova não é determinada por um único parâmetro, mas pelo design do fundido, meio de extinção de arco, material do tubo, estrutura final, método de instalação e estratégia de proteção do sistema de alta-tensão.

 

Em sistemas CC de alta-tensão, os fusíveis precisam limitar rapidamente a energia após a ocorrência de uma falha, garantindo ao mesmo tempo que o arco gerado durante o processo de interrupção não causa danos secundários às estruturas vizinhas. Portanto, é necessário co-projeto entre materiais, parâmetros estruturais e elétricos.

 

Para aplicações automotivas de alta-tensão,Tubo cerâmico de alumina para fusível automotivo de alta-tensãonão apenas assume as funções de isolamento e suporte mecânico, mas também participa de todo o processo de controle de energia por falha de fusível. À medida que novos veículos de energia se desenvolvem em direção à alta tensão, alta potência e alta integração, a importância desse conceito de projeto-em nível de sistema aumentará ainda mais.

 

No geral, a seleção de fusíveis de alta-tensão não deve se concentrar apenas nos dois parâmetros básicos de tensão nominal e corrente nominal, mas também precisa considerar a corrente máxima de-curto-circuito, características de tempo-de corrente, capacidade de interrupção, temperatura ambiente, distância de isolamento, local de instalação e manutenção.