Seleção de relés de alta{0}}tensão e análise de aplicações

À medida que a nova indústria de veículos de energia continua a evoluir em direção a tensões e potências mais altas, os relés CC de alta-tensão se tornaram um dos principais componentes de controle em sistemas de alta-tensão de veículos elétricos. A seleção adequada de relés de alta-tensão afeta diretamente a segurança, a confiabilidade e a operação estável-de longo prazo de todo o sistema de alta-tensão do veículo. Especialmente em circuitos críticos, como bateria de alimentação, controlador de motor e sistema de carga/descarga, os relés de alta-tensão assumem importantes responsabilidades de controle liga/desliga, proteção do sistema e isolamento de falhas; seus limites de desempenho tornaram-se uma restrição significativa no projeto da arquitetura de alta-tensão do veículo.

 

Em um sistema típico de alta-tensão de veículo elétrico, geralmente são necessários de 5 a 8 relés CC de alta-tensão, cobrindo diversas funções funcionais, como relés principais, relés de pré{4}}carga, relés de carga de emergência, relés de carga convencionais e relés auxiliares de sistema de alta-tensão. Diferentes relés apresentam diferenças significativas na frequência de operação, estresse elétrico e nível de segurança dentro do sistema, o que determina os diferentes focos em sua seleção e projeto estrutural. Os contatos elétricos internos, contatos elétricos e contatos de alta-corrente do relé são a base principal para determinar seu limite superior de desempenho.

 

 

Um relé é um elemento de controle automático que conecta, desconecta ou comuta circuitos com base em alterações nos sinais de entrada. É amplamente utilizado em sistemas de controle automático, controle remoto e isolamento de sinal. Sua característica fundamental é controlar circuitos de alta-corrente e alta{3}}potência com pequena corrente ou baixa potência, conseguindo um isolamento eficaz entre o controle e a carga.

 

Nos sistemas de alta-tensão dos novos veículos de energia, a principal tarefa dos relés é conectar ou desconectar com segurança a energia de alta-tensão, evitando danos irreversíveis aos componentes principais, como a bateria e o controlador do motor, sob condições anormais. Os contatos de cobre e os materiais de contato de metais preciosos dentro do relé suportam o estresse elétrico das manobras frequentes, formando uma base física crucial para a operação segura do sistema de alta-tensão.

 

 

Durante o processo de partida a frio de veículos elétricos, o controlador do motor normalmente contém um grande capacitor de barramento CC. Se o relé principal fechar diretamente sem pré-{1}}carregamento, a bateria de alta-tensão será descarregada instantaneamente no capacitor vazio, criando uma enorme corrente de partida que pode facilmente levar à erosão do contato, adesão ou até mesmo falha estrutural.

 

Portanto, sistemas de-alta tensão geralmente empregam um esquema de pré-carga: um relé de pré-carga e um resistor-limitador de corrente formam um circuito de-partida suave, permitindo que a tensão do capacitor aumente gradualmente. Quando a tensão do barramento se aproxima de uma certa proporção da tensão da bateria, o relé principal fecha e se conecta ao circuito principal, reduzindo significativamente a corrente de partida no momento do fechamento. Este processo exige mais da resistência a surtos dos contatos internos do contator do relé e dos contatos elétricos prateados.

 

 

De uma perspectiva funcional e de capacidade-de carga, os relés automotivos podem ser divididos em relés de sinal e relés de potência, com quase todos os novos veículos de energia usando relés de potência. Do ponto de vista da implementação estrutural, eles podem ser divididos em relés eletromagnéticos e relés de estado-sólido; do ponto de vista da tensão operacional, eles podem ser divididos em relés de baixa-tensão e relés de alta-tensão.

 

Em sistemas CC de alta-tensão, os relés eletromagnéticos de alta-tensão continuam sendo a solução principal devido à sua alta maturidade, forte capacidade de interrupção e capacidade de atender aos requisitos de segurança sob condições operacionais complexas. As estruturas internas do relé, como contatos de prata, contatos de prata em disjuntores e disjuntores-de contato bimetálicos, são bases de projeto importantes para sua adaptabilidade a ambientes CC de alta-tensão.

 

 

Os relés eletromagnéticos de alta-tensão consistem principalmente em uma bobina, núcleo de ferro, mecanismo de armadura, sistema de contato e mola de retorno. Quando a bobina é energizada, ela gera um campo magnético, atraindo a armadura e fazendo com que o contato móvel se feche com o contato estacionário, completando assim a conexão do circuito. Quando a bobina é des{3}}energizada, o campo magnético desaparece e a armadura é reiniciada sob a ação da mola, interrompendo o circuito.

 

Com base no estado inicial dos contatos no estado des{0}}energizado, os relés podem ser classificados como contatos normalmente abertos e contatos normalmente fechados.

 

Os relés de alta-tensão normalmente empregam uma estrutura normalmente aberta para garantir que o circuito de alta-tensão seja automaticamente desconectado em caso de falha ou falha de energia, melhorando o nível de segurança intrínseca do sistema. Os materiais de contato são feitos principalmente de materiais nobres para equilibrar condutividade, resistência ao desgaste e resistência ao arco.

 

 

Em comparação com os relés comuns, a maior diferença estrutural nos relés CC de alta-tensão está no projeto de vedação e{1}}extinção de arco. Contatos de alta-tensão normalmente são encapsulados em uma cavidade selada, isolada do ar externo, melhorando significativamente a tensão suportável e suprimindo a propagação do arco.

 

Durante a comutação de contato, os relés de alta-tensão normalmente evitam a desconexão sob carga, reduzindo a energia do arco por meio de estratégias de controle-no nível do sistema. Internamente, ele utiliza extensivamente contatos de prata em disjuntores, uma estrutura de extinção de arco magnético-e materiais de isolamento de alta-resistência para aumentar a confiabilidade geral de interrupção.

 

 

Os novos veículos de energia exigem desempenho significativamente maior em relés CC de alta-tensão do que os veículos tradicionais, principalmente em termos de resistência de alta tensão, resistência de alta corrente, resistência ao impacto, forte extinção de arco e capacidade de interrupção confiável.

 

Em relação à resistência de alta tensão, o relé deve suportar centenas de volts de tensão CC por longos períodos e fechar e abrir de forma confiável sob carga. Em relação à capacidade de carga, a corrente nominal dos sistemas de acionamento normalmente excede 200A, com correntes de pico superiores a 300A. O relé deve possuir capacidade suficiente de-transporte de corrente e dissipação de calor dentro de um volume limitado.

 

A resistência ao impacto é um dos principais indicadores de segurança dos relés de alta-tensão. A corrente de surto capacitiva no momento do fechamento é muitas vezes várias vezes ou até dezenas de vezes a corrente nominal. Se a resistência ao impacto do contato for insuficiente, pode ocorrer facilmente falha na adesão, representando um sério risco à segurança. Portanto, os relés geralmente empregam contatos elétricos de prata, estruturas magnéticas e sistemas de liga de alta{4}estabilidade para aumentar a resistência ao impacto.

 

Em termos de extinção de arco e desempenho de interrupção, os arcos elétricos não são facilmente extintos naturalmente em ambientes CC de alta-tensão. Os relés precisam enfraquecer rapidamente a energia do arco por meio de projetos estruturais e de materiais para evitar a queima do contato. Alguns relés de alto-desempenho também incorporam contatos elétricos rotativos ou estruturas paralelas de múltiplos-contatos para prolongar sua vida útil.

 

 

A seleção de um relé de{0}alta tensão é um projeto sistemático que requer convergência gradual com base na arquitetura elétrica geral do veículo. Na fase inicial do projeto, as capacidades de tensão e corrente do circuito de controle, bem como os requisitos de tensão nominal, corrente e tipo de contato do circuito controlado, devem ser claramente definidos. Com base nisso, uma linha preliminar de produtos é selecionada de acordo com as classificações de tensão e corrente, e a solução final é determinada considerando fatores como métodos de extinção de arco, estrutura da cavidade e tipos de terminais.

 

No nível de parâmetro específico, seis indicadores principais de contato precisam ser avaliados: vida elétrica, corrente nominal, capacidade de transporte de-corrente de curta duração-, corrente de interrupção máxima, capacidade de interrupção por sobrecarga e capacidade de interrupção reversa. Esses indicadores determinam diretamente o desempenho de confiabilidade do relé durante toda a vida útil do veículo.

 

A avaliação da vida elétrica deve ser combinada com a estratégia de pré{0}}carga e os cenários de uso do veículo para garantir que o desempenho do contato não sofra degradação inaceitável sob condições repetidas de fechamento-de carga. A corrente nominal deve cobrir as condições de operação estáveis ​​de longo-prazo do veículo, enquanto a corrente de curto-prazo deve atender às altas-demandas transitórias de carga de aceleração, subida de ladeiras e outras condições.

 

A corrente máxima de interrupção e a capacidade de interrupção por sobrecarga são importantes indicadores de segurança para relés, diretamente relacionados à capacidade de proteção do sistema sob condições extremas, como curtos-circuitos ou colisões. Para relés com projetos polarizados, sua capacidade de interrupção reversa também deve ser avaliada, equilibrando custo e redundância de segurança.

 

 

À medida que os sistemas de-alta tensão em novos veículos de energia continuam a se desenvolver em direção a maior potência e maior densidade de energia, o limite técnico e o valor do sistema de relés CC de alta-tensão aumentam constantemente. Seus principais componentes internos, comoContatos elétricos personalizados, contatos de conformação a frio de precisão e contatos de relé trimetálicos tornaram-se bases cruciais para determinar o desempenho geral de segurança de alta-tensão do veículo.

 

No futuro, com a aplicação acelerada em grande-escala de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia, os relés de alta-tensão continuarão a evoluir em termos de confiabilidade, vida útil e redundância de segurança. Sua seleção e projeto de aplicação se tornarão um aspecto crítico da arquitetura geral de alta-tensão do veículo que não pode ser ignorado.