Захист високовольтних схем із можливістю скидання для автомобілів на електротязі нового покоління

Спонсорствує Eaton

Архітектури електромобілів на акумуляторному харчуванні продовжують розвиватися. Вищі швидкості заряджання, більша кількість збереженої енергії, двонапрямковий потік енергії та компактніші форм-фактори можуть підвищити вимоги до захисту ланцюгів високої напруги постійного струму.

Традиційні архітектури захисту, які поєднують контактори, запобіжники та піротехнічні пристрої, були розроблені для попередніх платформ електромобілів на акумуляторному харчуванні. У деяких застосуваннях вони все ще ефективні, але більша енергія несправностей, швидше розвиток несправностей та більша складність системи можуть зменшити доступний діапазон для проектування.

У цій статті описується, як змінюється поведінка при несправностях у BEV, де традиційні стратегії захисту можуть стикатися з все більшими обмеженнями, та чому деякі архітектури наступного покоління можуть отримати перевагу від більш інтегрованого та скидного підходу.

Архітектури BEV передають більше енергії з вищою швидкістю

Сучасні платформи BEV суттєво відрізняються від попередніх поколінь. Кілька тенденцій змінюють електричну архітектуру:

Вищі швидкості заряджання, спричинені вимогами до швидкого заряджання

Більше збереженої енергії для забезпечення більшої дальності їзди

Більш компактні корпуси акумуляторів, що підвищують теплову та електричну щільність

Білокутний потік енергії (V2L, V2H та V2G), що розширює можливі сценарії несправностей

Вищі системні напруги, включаючи платформи 400 В та 800 В та вище

Разом ці тенденції збільшують кількість енергії, яка передається через компактні системи. Тому може знадобитися використання пристроїв захисту та комутації, здатних працювати при вищих навантаженнях, у скорочений час реакції та в більш широкому діапазоні умов несправностей високовольтного постійного струму (HVDC).

Поведінка несправностей HVDC змінюється

Несправності HVDC — це не щось нове. Змінилась лише ситуація, в якій вони виникають. Вища кількість збереженої енергії, швидше заряджання та більш щільна компонувальна схема можуть спричинити швидше посилення несправностей. У деяких архітектурах інженерам доводиться керувати не лише вищим струмом несправності, а й швидшим розвитком несправностей, скороченим часом прийняття рішень та більшою кількістю переданої енергії протягом перших мілісекунд події, зокрема:

Швидке зростання струму несправності

Підвищена складність гасіння енергії дуги постійного струму

Зменшений час, доступний для прийняття рішень щодо захисту

Більш серйозні наслідки неправильної класифікації чи затримки реакції

У міру зростання енергії системи та потужності заряджання деякі застосування можуть потребувати врахування струмів короткого замикання в діапазоні від 20 кА до 30 кА або навіть вище. Водночас звичайний струм швидкого заряджання може наближатися до рівнів, які зменшують маржу між номінальною роботою та реакцією на несправності.

Це може звузити діапазон роботи пристроїв захисту.

У таких умовах пристрої можуть потребувати обробки ширшого спектру сценаріїв роботи та несправностей, зокрема:

Постійний високий струм під час заряджання

Швидке переривання високого струму несправності

Прогнозована робота під час транзитних явищ, помилок сигналів, втрати зв’язку та несправностей допоміжних пристроїв

Обмеження в традиційних архітектурах захисту

Архітектури запобіжників та контакторів

Традиційний захист BEV ґрунтується на послідовній координації:

Виявлення за допомогою BMS та датчиків

Переключення через контактори

Захист за допомогою запобіжників

Ця модель передбачає достатньо часу для виявлення, сигналізації та передачі інформації між компонентами. У міру зростання робочого струму та потужності заряджання цей запас може скорочуватися. За таких умов може ставати все складніше забезпечувати надійну послідовність дій у всьому спектрі можливих сценаріїв, і проявляються кілька обмежень.

Прогалини у координації між функціями виявлення, переключення та переривання

Контактори можуть не бути оптимізовані для самостійного переривання несправностей постійного струму високої потужності.

Під час суворих умов несправностей існує ризик контактного зварювання та погіршення характеристик ізоляції.

У деяких випадках час реакції запобіжника може не відповідати швидкості розвитку несправностей.

Зі зростанням напруги, струму та накопиченої енергії системи зменшується маржа проектування.

Ці фактори не обов’язково свідчать про недоліки в проектуванні. У багатьох випадках вони відображають архітектури, які працюють ближче до меж, припущених під час попередніх етапів проектування.

Підходи до піротехнічного захисту

Піротехнічні пристрої можуть вирішувати деякі проблеми з координацією запалювачів, змушуючи циркуляційну схему роз’єднуватися. Залежно від способу реалізації вони також можуть створювати інший набір обмежень.

Залежність від зовнішнього тригера: У багатьох конструкціях робота залежить від сигналу тригера від іншої системи.

Операція одноразового виконання: Після активації може знадобитися технічне втручання та заміна компонентів.

Вимоги до швидкості тригера: Майбутні батарейні системи можуть вимагати часу реакції, що становить сотні мікросекунд, залежно від архітектури та сценарію несправності.

Додаткова складність BMS та пов’язані з цим витрати.

Ризик небажаної активації: Якщо часи оцінки стають дуже короткими або вхідні дані системи є неоднозначними.

У міру зростання енергії несправності проектувальникам може знадобитися знаходити баланс між раннім втручанням та ризиком дій на основі неповної інформації.

Ефективність захисту все більше залежить від архітектури

У ранніх платформах електромобілів захист схем в основному здійснювався на рівні окремих компонентів. Інженери обирали контактори, запобіжники чи піротехнічні пристрої з урахуванням їхніх характеристик, а потім координували їх за допомогою параметрів таймінгу та зовнішньої логіки керування. Якщо дотримувалися базові вимоги, можна було створити багато комбінацій, які функціонували належним чином. Однак для деяких сучасних архітектур BEV такий підхід сам по собі може більше не забезпечувати достатньої надійності.

Ефективність захисту може залежати від того, як співпрацюють функції виявлення, перемикання, переривання, комунікації та наявності живлення в складних умовах. Якщо ці функції не спроектовані так, щоб працювати синхронно, одних лише характеристик компонентів може виявитися недостатньо для досягнення бажаного рівня ефективності захисту.

Захист схем все більше визначається архітектурою системи, а не лише характеристиками окремих компонентів. Концепція захисту впливає на реакцію на несправності, залежності між підсистемами, можливості відновлення та доступність транспортного засобу.

Архітектура захисту, призначена для майбутніх платформ BEV, повинна:

Забезпечувати роботу при вищій напрузі, струмі та кількості збереженої енергії

Інтегрувати функції виявлення, перемикання та захисту там, де це доцільно

Забезпечувати прогнозовану реакцію в межах визначеного діапазону несправностей

Забезпечуйте безпечну роботу з обмеженою залежністю від зовнішніх ланцюгів запуску

Де це можливо, мінімізуйте залежність від одноразових елементів захисту

У відповідних випадках дозволяйте відновлення після некатастрофічних подій

Інтегровані архітектури захисту

З’являється інший підхід, який поєднує захист та переключення в один самодостатній пристрій. Порівняно з архітектурами, які координують окремі контактори, запобіжники та піротехнічні пристрої, інтегровані рішення за своєю суттю усувають потребу в координації.

Об’єднуйте функції виявлення, переривання та ізоляції в одному пристрої

У деяких реалізаціях зменшуйте залежність від таймінгу BMS та зовнішніх ланцюгів запуску

Автономно реагуйте на визначені умови несправностей постійного струму з високою енергією

У деяких застосуваннях забезпечуйте більш послідовну реакцію на визначені умови несправностей

Відновлювана захист та можливість обслуговування

Багато реальних несправностей, як-от ті, що описані нижче, не є катастрофічними.

Несправності зарядних станцій

Втрата зв’язку в допоміжних системах

Тимчасові перевантаження струмом

Неправильні показники чи несправності датчиків

За використанням захисних рішень одноразового призначення ці несправності все одно можуть призвести до:

Залишення транспортних засобів на місці

Дорогого заміни компонентів

Заміни акумуляторних батарей

Неясності щодо відповідальності між транспортним засобом, електромережею та інфраструктурою зарядки

Підхід з можливістю скидання захисту дозволяє відновитися після керованих подій, забезпечує наявність транспортних засобів для підтримки та переносити певні роботи з обслуговування на заплановані інтервали. Це може суттєво зменшити час простою та загальну вартість володіння.

Питання для оцінки з боку інженерних команд

Оскільки захист все більше залежить від архітектури, інженерним командам також варто переглянути спосіб оцінки технологій та постачальників. На практиці це означає постановку таких запитань:

Які сценарії несправностей існують у всій екосистемі — транспортному засобі, мережі та інфраструктурі зарядки?

Як часто пристрої захисту будуть стикатися з цими подіями у реальному світі?

Які несправності мають дозволяти відновлення, а які — ні?

Чи є функція захисту автономною, чи вона залежить від зовнішніх систем та часу?

Чи може ця технологія розвиватися разом із майбутніми рівнями енергії BEV?

Чи є реакція системи прогнозованою та відтворюваною?

Висновок

Електричні системи BEV розвиваються таким чином, що ставлять під сумнів архітектури захисту, розроблені для попередніх платформ. У міру зростання рівнів енергії, потужності заряджання та складності системи стратегії захисту також можуть потребувати оновлення.

Традиційні підходи стикаються з все більшою кількістю обмежень, не тому, що вони погано спроєктовані, а тому, що змінюються припущення щодо системи. У деяких застосуваннях прогалини у координації можуть збільшуватися, залежності — посилюватися, а час реакції — скорочуватися.

Інтегровані технології захисту з можливістю скидання є кроком уперед від одноразових компонентів до функцій безпеки на рівні архітектури. Спрощуючи певні аспекти реагування на несправності, зменшуючи кількість залежностей та дозволяючи відновлення у

визначених сценаріях, вони створюють більш стабільну основу для платформ електромобілів наступного покоління.

Продукти з захистом контуру Breaktor

Пристрій від’єднання акумулятора

Пристрій від’єднання акумулятора (BDU) розроблений для ефективного розподілу енергії по всій системі електромобіля. Завдяки інтеграції Breaktor BDU забезпечує кращу якість та спрощену архітектуру, поєднуючи перемикання струму та скидний двонапрямковий захист від короткого замикання із швидким запуском (до 900 В).

Завдяки можливості скорочення кількості компонентів у сумішу BDU на 15 одиниць, інтегрований привод котушки Breaktor, економайзер та схеми вимірювання/активації знижують загальну вартість та складність конструкції. Крім того, самоактивуюча конструкція, діагностична електроніка та контакти-дзеркала сприяють забезпеченню максимальної безпеки та надійності.

FLEX блок розподілу живлення

Блок розподілу живлення високої напруги нового покоління з інтелектуальним керуванням FLEX (FLEX PDU) контролює та керує всім живленням, що подається до електронних пристроїв, та забезпечує централізований захист електричної системи для гібридних, транспортних засобів на паливних елементах та повністю електричних комерційних автомобілів. FLEX PDU можна повністю налаштувати відповідно до конкретних вимог комерційного автомобіля та інтегрувати з Breaktor. Це дозволяє забезпечити інтегрований захист від перевантажень для потужних пристроїв, зокрема інверторів тяги та пристроїв швидкої зарядки від DC.

Коментар

Створіть обліковий запис. Вже зареєстровані? Увійдіть

Віртуальна конференція з інженерії електромобілів: вхід безкоштовний

Не пропустіть нашу наступну віртуальну конференцію 14–17 вересня 2026 року.

Зареєструйтесь на безкоштовні вебінари нижче, щоб забронювати своє місце та переглянути їх у прямому ефірі або за потреби.

Завантажити більше сеансів