Сбросимая защита высоковольтных цепей для автомобилей следующего поколения на электротяге
Поддержка от Eaton
Архитектуры электромобилей на аккумуляторной тяге продолжают развиваться. Более высокие скорости зарядки, большая емкость аккумуляторов, двунаправленный поток энергии и компактные размеры увеличивают требования к защите высоковольтных постоянных токовых цепей.
Традиционные схемы защиты, в которых используются контакторы, предохранители и пиротехнические устройства, были разработаны для более ранних платформ электромобилей. В некоторых случаях они по-прежнему эффективны, но более высокая энергия сбоев, более быстрое развитие неисправностей и повышенная сложность системы могут сокращать допустимые возможности проектирования.
В этой статье описывается, как меняется поведение при сбоях в BEV, где традиционные стратегии защиты могут сталкиваться с возрастающими ограничениями, и почему некоторые архитектуры следующего поколения могут извлекать преимущества из более интегрированного и возможного к сбросу подхода.
Архитектуры BEV передают больше энергии с более высокой скоростью
Современные платформы BEV сильно отличаются от предыдущих поколений. Несколько тенденций влияют на электрическую архитектуру:
Высокие скорости зарядки, обусловленные требованиями к быстрому зарядке
Увеличение количества хранимой энергии для более длительного пробега
Более компактные корпуса аккумуляторов, повышающие тепловую и электрическую плотность
Двунаправленный поток энергии (V2L, V2H и V2G), что расширяет возможные сценарии сбоев
Более высокие напряжения в системах, включая платформы 400 В и 800 В и выше
В совокупности эти тенденции увеличивают количество энергии, передаваемой через компактные системы. Поэтому для защитных и переключающих устройств могут потребоваться условия работы при более высоких нагрузках, сокращенных временах реакции и более широком диапазоне сбоев в системах постоянного тока высокого напряжения (HVDC).
Поведение сбоев в системах HVDC меняется
Сбои в системах HVDC — это не новость. Изменился лишь контекст их возникновения. Более высокая запасаемая энергия, более быстрая зарядка и более компактная конструкция могут приводить к более быстрому развитию сбоев. В некоторых архитектурах инженерам необходимо учитывать не только более высокий ток сбоя, но и более быстрое его развитие, сокращенные времена принятия решений и большее количество энергии, передаваемой в первые миллисекунды события, включая:
Быстрый рост тока сбоя
Увеличивается сложность тушения энергии дуги постоянного тока
Сокращается время, доступное для принятия решений по защите
Усиливаются последствия неправильной классификации или задержки реакции
По мере увеличения энергии системы и мощности зарядки некоторые устройства могут потребовать учета токов короткого замыкания в диапазоне от 20 кА до 30 кА или выше. В то же время нормальный ток быстрой зарядки может приближаться к уровням, сужающим разницу между номинальной работой и реакцией на неисправности.
Это может сузить рабочий диапазон защитных устройств.
В таких условиях устройства могут потребоваться для обработки более широкого спектра рабочих и нештатных сценариев, включая:
Постоянный высокий ток во время зарядки
Быстрое прерывание высокого тока неисправности
Стабильная работа во время переходных процессов, ошибок сигналов, потери связи и неисправностей вспомогательных устройств
Ограничения в традиционных архитектурах защиты
Архитектуры предохранителей и контакторов
Традиционная защита BEV основана на последовательной координации:
Обнаружение с помощью BMS и датчиков
Переключение через контакторы
Защита с помощью предохранителей
В этой модели предполагается наличие достаточного времени для обнаружения, сигнализации и передачи управления между компонентами. По мере увеличения рабочего тока и мощности зарядки этот запас может сокращаться. В таких условиях становится всё сложнее обеспечить надежную последовательность действий во всех возможных сценариях, и проявляются различные ограничения.
Пробелы в координации между функциями обнаружения, переключения и прерывания
Контакторы могут не быть оптимизированы для самостоятельного прерывания сбоев постоянного тока высокой мощности.
При сильных сбоях существует риск контактного сваривания и снижения качества изоляции.
В некоторых случаях реакция предохранителя может не сопоставляться со скоростью развития сбоя.
При увеличении напряжения, тока и запасенной энергии системы сокращается допуск при проектировании.
Эти факторы не обязательно указывают на недостатки в конструкции. Во многих случаях они отражают архитектуры, работающие ближе к пределам, принятым на ранних этапах проектирования.
Методы пиротехнической защиты
Пиротехнические устройства могут решать некоторые проблемы с координацией детонаторов путем разрыва цепи. В зависимости от способа реализации они также могут создавать другой набор ограничений.
Зависимость от внешнего триггера: Во многих конструкциях работа устройства зависит от сигнала триггера от другой системы.
Однократная работа: После активации может потребоваться техническое вмешательство и замена компонентов.
Требования к более быстрому триггеру: Будущие аккумуляторные системы могут требовать времени реакции в сотни микросекунд в зависимости от архитектуры и сценария неисправности.
Дополнительная сложность БМС и связанные с этим затраты.
Возможность нежелательной активации: Если временные интервалы оценки становятся слишком короткими или входные данные системы неоднозначны.
По мере увеличения энергии неисправности конструкторам может потребоваться соблюдать баланс между ранним вмешательством и риском действий на основе неполной информации.
Эффективность защиты всё в большей степени зависит от архитектуры
На более ранних платформах электромобилей защита цепей в основном определялась на уровне отдельных компонентов. Инженеры выбирали контакторы, предохранители или пиротехнические устройства в зависимости от их характеристик, затем согласовывали их работу с учётом временных задержек и логики внешнего управления. Если выполнялись базовые требования, можно было использовать множество комбинаций для обеспечения надёжной работы. Однако в некоторых современных архитектурах полностью электрических автомобилей такой подход уже может не обеспечивать достаточной надёжности.
Эффективность защиты может зависеть от того, как в сложных условиях взаимодействуют функции обнаружения, переключения, прерывания, связи и обеспечения питания. Если эти функции не спроектированы с учетом взаимосвязей между собой, одних лишь характеристик компонентов может оказаться недостаточно для достижения желаемого уровня защиты.
Защита цепей всё в большей степени определяется архитектурой системы, а не только характеристиками отдельных компонентов. Концепция защиты влияет на реакцию на неисправности, взаимозависимость подсистем, способность к восстановлению и работоспособность транспортного средства.
Архитектура защиты, предназначенная для будущих платформ BEV, должна:
Обеспечивать работу при более высоком напряжении, токе и уровне накопленной энергии
Интегрировать функции обнаружения, переключения и защиты там, где это целесообразно
Обеспечивать предсказуемую реакцию в рамках определенного диапазона неисправностей
Обеспечьте безопасную работу с ограниченной зависимостью от внешних цепей запуска
По возможности сократите зависимость от одноразовых защитных элементов
При необходимости позвольте восстановление после некатастрофических событий
Интегрированные архитектуры защиты
Формируется новый подход, предусматривающий объединение функций защиты и переключения в одном самодостаточном устройстве. По сравнению с архитектурами, в которых координируются отдельные контакторы, предохранители и пиротехнические устройства, интегрированные решения изначально исключают зависимости от координации.
Объедините функции обнаружения, прерывания и изоляции в одном устройстве
В некоторых реализациях сократите зависимость от тайминга BMS и внешних цепей запуска
Автономно реагируйте на определенные условия сбоев высокой мощности в постоянном токе
В некоторых приложениях обеспечьте более стабильную реакцию на определенные условия сбоев
Возможность сброса и удобство обслуживания
Многие реальные сбои, такие как те, что описаны ниже, не являются катастрофическими.
Сбои зарядных станций
Потеря связи в вспомогательных системах
Временные ситуации перегрузки тока
Неверная работа датчиков или их сбои
При использовании защитных решений одноразового назначения эти сбои всё равно могут привести к:
Застреванию транспортных средств
Дорогостоящей замене компонентов
Замене батарейных блоков
Неясности в вопросах ответственности между транспортным средством, электросетью и зарядной инфраструктурой
Подход с возможностью сброса защиты позволяет восстанавливаться после управляемых сбоев, обеспечивать наличие транспортных средств для помощи и переносить некоторые работ по обслуживанию на запланированные интервалы. Это может значительно сократить время простоя и общую стоимость владения.
Вопросы для оценки со стороны инженерных команд
По мере того как защита становится всё более зависимой от архитектуры, инженерным командам также следует пересмотреть методы оценки технологий и поставщиков. На практике это означает задавание таких вопросов, как:
Какие сценарии неисправностей существуют во всей экосистеме — транспортном средстве, электросети и инфраструктуре зарядки?
Как часто защитные устройства столкнутся с такими событиями в реальных условиях?
Какие неисправности должны позволять восстановлению работы, а какие — нет?
Является ли функция защиты автономной или она зависит от внешних систем и временных параметров?
Может ли эта технология развиваться вместе с уровнями энергии будущих BEV?
Является ли реакция системы предсказуемой и воспроизводимой?
Заключение
Электрические системы BEV развиваются таким образом, что ставят под сомнение архитектуры защиты, разработанные для более ранних платформ. По мере увеличения уровней энергии, мощности зарядки и сложности системы стратегии защиты также могут потребовать совершенствования.
Традиционные подходы сталкиваются с всё большим количеством ограничений, и это происходит не из-за плохой конструкции, а из-за изменения предположений, лежащих в основе работы системы. В некоторых случаях разрывы в координации могут увеличиваться, зависимости — расти, а доступное время реакции — сокращаться.
Интегрированные технологии защиты с возможностью сброса представляют собой сдвиг от одноразовых компонентов к функциям безопасности на уровне архитектуры. Они облегчают реагирование на сбои, уменьшают определенные зависимости и позволяют восстанавливать работу в заданных сценариях, тем самым обеспечивая более надежную основу для платформ следующего поколения электромобилей.
Продукты с защитой цепи Breaktor
Устройство отключения аккумулятора
Устройство отключения аккумулятора (BDU) предназначено для эффективного распределения энергии по всей системе электромобиля. Благодаря интеграции технологии Breaktor BDU обеспечивает повышенное качество и упрощенную архитектуру за счет сочетания переключения тока и возможности сброса двунаправленной защиты от короткого замыкания с быстрым включением (до 900 В).
Благодаря возможности сокращения количества компонентов в сборке BDU до 15 единиц, интегрированный привод катушек Breaktor, устройство для экономии энергии, а также схемы детекции и запуска способствуют снижению общей стоимости и сложности конструкции. Кроме того, самозапускающаяся конструкция, диагностическая электроника и контакты-зеркала обеспечивают максимальную безопасность и надежность.
Раздаточное устройство питания FLEX
Раздаточное устройство питания высокого напряжения нового поколения с интеллектуальными функциями FLEX (FLEX PDU) отслеживает и управляет всем питанием, поступающим к электронным устройствам, а также обеспечивает централизованную защиту электрической системы гибридных, топливно-электрических и полностью электрических коммерческих автомобилей. Будучи полностью настраиваемым для удовлетворения специфических требований коммерческих автомобилей, FLEX PDU может быть интегрировано с Breaktor. Это позволяет обеспечить интегрированную защиту от перегрузок для высокомощных устройств, включая инверторы тяги и устройства быстрой зарядки постоянным током.
Комментарий
Создать учетную запись. Уже зарегистрированы? Войти
Виртуальная конференция по инженерии электромобилей: участие бесплатно
Не пропустите нашу следующую виртуальную конференцию 14–17 сентября 2026 года.
Зарегистрируйтесь на бесплатные вебинары ниже, чтобы забронировать место и посмотреть их в прямом эфире или по запросу.
Загрузить больше сессий