Protezione del circuito ad alta tensione riavviable per veicoli elettrici a batteria di nuova generazione

Sponsorizzato da Eaton

Gli schemi architetturali dei veicoli elettrici a batteria continuano a evolversi. Tassi di carica più elevati, maggiore energia immagazzinata, flusso di potenza bidirezionale e dimensioni più ridotte possono aumentare le esigenze legate alla protezione dei circuiti in corrente continua ad alta tensione.

Gli schemi di protezione tradizionali, che coordinano contattori, fusibili e dispositivi pirotecnici, sono stati sviluppati per le prime piattaforme di veicoli elettrici a batteria. In alcune applicazioni rimangono efficaci, ma un’energia di guasto maggiore, uno sviluppo del guasto più rapido e una maggiore complessità del sistema possono ridurre la margine di progettazione disponibile.

Questo articolo descrive come sta cambiando il comportamento in caso di guasto nei veicoli elettrici a batteria, dove le strategie di protezione convenzionali potrebbero incontrare sempre maggiori limitazioni e perché alcune architetture di nuova generazione potrebbero trarre vantaggio da un approccio più integrato e riavviabile.

Le architetture dei veicoli elettrici a batteria trasferiscono energia sempre maggiore a tassi più elevati

Le attuali piattaforme di veicoli elettrici a batteria differiscono notevolmente dalle generazioni precedenti. Diverse tendenze stanno modificando l’architettura elettrica:

Tassi di carica più elevati, determinati dalle esigenze di ricarica rapida

Maggior energia immagazzinata per garantire un raggio d’azione più lungo

Pacchetti batteria più compatti che aumentano la densità termica ed elettrica

Flusso di potenza bidirezionale (V2L, V2H e V2G) che amplia i scenari di guasto

Tensioni di sistema più elevate, inclusi i sistemi da 400 V e 800 V e oltre

Insieme, queste tendenze aumentano la quantità di energia trasferita attraverso sistemi compatti. Pertanto, potrebbero essere necessari dispositivi di protezione e commutazione in grado di funzionare sotto maggiori sollecitazioni, con tempi di risposta più brevi e in condizioni di guasto a corrente continua ad alta tensione (HVDC) più variegate.

Il comportamento dei guasti in HVDC sta cambiando

I guasti in HVDC non sono una novità. Ciò che è cambiato è il contesto in cui si verificano. Un’energia immagazzinata maggiore, una carica più rapida e un packaging più compatto possono far sì che i guasti si aggravino più rapidamente. In alcune architetture, gli ingegneri devono gestire non solo una corrente di guasto più elevata, ma anche uno sviluppo del guasto più veloce, tempi di decisione più brevi e una maggiore trasferenza di energia nei primi millisecondi di un evento, tra cui:

Aumento rapido della corrente di guasto

Aumentata difficoltà nell’estinguere l’energia dell’arco a corrente continua

Ridotto tempo a disposizione per prendere decisioni di protezione

Conseguenze più gravi in caso di classificazione errata o risposta ritardata

Con l’aumento dell’energia del sistema e della potenza di carica, alcune applicazioni potrebbero dover tenere conto di correnti di cortocircuito nell’intervallo da 20 kA a 30 kA o superiori. Allo stesso tempo, le normali correnti di carica rapida potrebbero avvicinarsi a livelli che riducono la differenza tra il funzionamento nominale e la risposta a guasti.

Questo può restringere la finestra operativa dei dispositivi di protezione.

In queste condizioni, i dispositivi potrebbero dover gestire un range più ampio di scenari operativi e di guasto, tra cui:

Correnti elevate continue durante la carica

Interruzione rapida di correnti elevate causate da guasti

Funzionamento prevedibile durante transienti, errori di segnale, perdite di comunicazione e malfunzionamenti ausiliari

Limitazioni nelle architetture di protezione convenzionali

Architetture a fusibili e contattori

La protezione convenzionale per veicoli elettrici a batteria dipende da una coordinazione sequenziale:

Rilevamento da parte del BMS e dei sensori

Commutazione tramite contattori

Protezione tramite fusibili

Questo modello presuppone un tempo sufficiente per il rilevamento, la segnalazione e il passaggio di controllo tra i componenti. Con l’aumento della corrente di funzionamento e della potenza di carica, tale margine può ridursi. In queste condizioni, diventa sempre più difficile mantenere una sequenzialità affidabile in tutti i scenari previsti, e emergono diverse limitazioni.

Disallineamenti nella coordinazione tra funzioni di rilevamento, commutazione e interruzione

I contattori potrebbero non essere ottimizzati per interrompere autonomamente i guasti in corrente continua ad alta energia

Potenziale per saldature tra i contatti e degrado delle prestazioni di isolamento in condizioni di guasto estreme

In alcuni casi, la risposta dei fusibili potrebbe non essere allineata con la dinamica più rapida del guasto

Ridotta margine di progettazione man mano che aumentano tensione, corrente ed energia immagazzinata nel sistema

Queste considerazioni non indicano necessariamente una carenza nel progetto; in molti casi riflettono architetture che operano più vicino ai limiti ipotizzati nei cicli di progettazione precedenti.

Metodi di protezione pirotecnica

I dispositivi pirotecnici possono risolvere alcuni problemi di coordinamento dei fusibili forzando l’apertura del circuito. A seconda dell’implementazione, possono anche introdurre un insieme diverso di vincoli.

Dipendenza da un trigger esterno: In molti progetti, il funzionamento dipende da un segnale di trigger proveniente da un altro sistema.

Funzionamento one-shot: Dopo l’attivazione, potrebbero essere necessarie interventi di manutenzione e il sostituzione dei componenti.

Requisiti di trigger più rapidi: I futuri sistemi a batteria potrebbero richiedere tempi di risposta misurabili in centinaia di microsecondi, a seconda dell’architettura e dello scenario di guasto.

Complessità aggiuntiva del BMS e costi correlati.

Potenziale di attivazione indesiderata: Se le finestre di valutazione diventano molto brevi o gli input del sistema sono ambigui.

Con l’aumento dell’energia legata al guasto, i progettisti potrebbero dover bilanciare un intervento tempestivo con il rischio di agire su informazioni incomplete.

Le prestazioni di protezione dipendono sempre di più dall’architettura

Nelle piattaforme EV precedenti, la protezione dei circuiti era per lo più una scelta a livello di componente: gli ingegneri selezionavano contattori, fusibili o dispositivi pirotecnici in base alle loro caratteristiche tecniche, per poi coordinarli tramite margini temporali e logiche di controllo esterne. Se venivano soddisfatte le esigenze di base, era possibile utilizzare molte combinazioni funzionanti. Tuttavia, in alcune architetture BEV moderne, questo approccio da solo potrebbe non essere più sufficiente.

Le prestazioni di protezione possono dipendere da come interagiscono rilevamento, commutazione, interruzione, comunicazione e disponibilità di energia in condizioni estreme. Quando tali funzioni non sono progettate in modo coordinato, le sole specifiche dei componenti potrebbero non essere sufficienti per raggiungere il livello desiderato di prestazioni di protezione.

La protezione dei circuiti è sempre più determinata dall’architettura del sistema, e non soltanto dalle specifiche dei singoli componenti. Il concetto di protezione influisce sulla risposta agli errori, sulle dipendenze tra sottosistemi, sulla capacità di recupero e sulla disponibilità del veicolo.

Un’architettura di protezione pensata per le future piattaforme BEV dovrebbe:

Essere in grado di gestire tensioni, correnti ed energia immagazzinata più elevate

Integrare, ove opportuno, funzioni di rilevamento, commutazione e protezione

Fornire una risposta prevedibile nell’intero intervallo di errori definito

Mantenere un funzionamento sicuro riducendo la dipendenza da catene di attivazione esterne

Minimizzare la dipendenza da elementi di protezione monouso ove possibile

Permettere il ripristino dopo eventi non catastrofici quando appropriato

Architetture di protezione integrate

Sta emergendo un approccio diverso, che integra protezione e commutazione in un unico dispositivo autonomo. Rispetto alle architetture che coordinano contattori, fusibili e dispositivi pirotecnici separati, gli approcci integrati eliminano per progetto le dipendenze di coordinamento.

Combinare funzioni di rilevamento, interruzione e isolamento in un unico dispositivo

Ridurre la dipendenza dal timing del BMS e da catene di attivazione esterne in alcune implementazioni

Rispondere autonomamente a condizioni di guasto in corrente continua ad alta energia definite

Fornire una risposta più coerente in diverse condizioni di guasto in alcune applicazioni

Protezione riportabile in condizioni normali e facilità di manutenzione

Molti guasti che si verificano nella realtà non sono catastrofici.

Degradazioni delle stazioni di carica

Persa la comunicazione nei sistemi ausiliari

Eventi di sovracorrente transitoria

Letture errate o malfunzionamenti dei sensori

Con soluzioni di protezione monouso, questi eventi possono comunque causare:

Vehicoli bloccati

Sostituzione costosa di componenti

Cambio dei pannelli batteria

Responsabilità poco chiare tra veicolo, rete elettrica e infrastrutture di carica

Un approccio di protezione riavviabile consente di riprendersi da eventi gestibili, garantendo la disponibilità dei veicoli ausiliari e permettendo di posticipare alcune operazioni di manutenzione agli intervalli previsti. Ciò può ridurre notevolmente i tempi di inattività e il costo totale di possesso

Domande di valutazione per i team ingegneristici

Man mano che la protezione diventa sempre più dipendente dall’architettura, i team ingegneristici dovrebbero riconsiderare anche il modo in cui vengono valutate le tecnologie e i fornitori. In pratica, ciò significa porre domande come:

Quali scenari di guasto esistono in tutto l’ecosistema: veicolo, rete e infrastrutture di ricarica?

Con che frequenza i dispositivi di protezione incontreranno questi eventi nel mondo reale?

Quali guasti dovrebbero permettere il ripristino e quali no?

La funzione di protezione è autonoma, o dipende da sistemi esterni e da fattori temporali?

La tecnologia può evolversi in linea con i futuri livelli di energia dei veicoli elettrici a batteria?

La risposta del sistema è prevedibile e ripetibile?

Conclusione

I sistemi elettrici dei veicoli elettrici a batteria stanno evolvendo in modi che mettono alla prova le architetture di protezione sviluppate per piattaforme precedenti. Con l’aumento dei livelli di energia, della potenza di ricarica e della complessità del sistema, anche le strategie di protezione potrebbero dover evolversi.

Gli approcci tradizionali si trovano di fronte a sempre maggiori limitazioni, non perché siano male progettati, ma perché le ipotesi di base sul sistema stanno cambiando. In alcune applicazioni, i divari nella coordinazione possono ampliarsi, le dipendenze aumentare e il tempo di reazione disponibile ridursi.

Le tecnologie di protezione integrate e riresettabili rappresentano un passaggio dai componenti monouso alle funzioni di sicurezza a livello architetturale. Semplificando alcuni aspetti della risposta agli errori, riducendo determinate dipendenze e consentendo il recupero in scenari definiti, esse forniscono una base più sostenibile per le piattaforme di veicoli elettrici di nuova generazione.

Prodotti con protezione circuitale Breaktor

Unità di disconnessione della batteria

L’unità di disconnessione della batteria (BDU) è progettata per distribuire in modo efficiente l’energia in tutto il sistema del veicolo elettrico. Grazie all’integrazione di Breaktor, la BDU garantisce una qualità migliorata e un’architettura semplificata, combinando lo switching di corrente con una protezione bidirezionale contro i cortocircuiti riresettabile e un’attivazione rapida (fino a 900V).

Grazie alla possibilità di ridurre fino a 15 componenti nell’assemblaggio della BDU, il driver di bobina integrato di Breaktor, l’economizzatore nonché i circuiti di rilevamento e attivazione contribuiscono a ridurre i costi complessivi e la complessità del sistema. Inoltre, il suo design a attivazione automatica, l’elettronica diagnostica e i contatti specchiati garantiscono la massima sicurezza e affidabilità.

Unità di distribuzione dell’energia FLEX

L’unità di distribuzione dell’energia intelligente ad alta tensione di nuova generazione FLEX (FLEX PDU) monitora e gestisce tutta l’energia distribuita agli apparati elettronici e fornisce una protezione centralizzata per il sistema elettrico dei veicoli commerciali ibridi, a celle a combustibile e completamente elettrici. Completamente personalizzabile per soddisfare le esigenze specifiche dei veicoli commerciali, la FLEX PDU può essere integrata con Breaktor. Ciò consente una protezione integrata contro sovracorrenti per carichi ad alta potenza, inclusi gli inverter di trazione e le ricariche rapide in corrente continua.

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