Selección segura de fusibles de alto-voltaje para vehículos de nueva energía: tecnologías clave para cuerpos de tubos cerámicos, extinción de arco de CC y diseño de instalaciones

A medida que el sistema de baterías de los vehículos de nueva energía evoluciona hacia el alto voltaje, la gran capacidad y la alta potencia, la seguridad eléctrica de alto-voltaje se ha convertido en una cuestión importante en el diseño del vehículo y del sistema de batería. Como dispositivo clave de protección contra sobrecorriente en el circuito de la batería de energía, el fusible de alto-voltaje debe cortar rápidamente la corriente de falla en condiciones anormales, como cortocircuitos y sobrecargas severas, y limitar la propagación de la energía de falla a través de una estructura confiable de extinción de arco. Por lo tanto, la tensión nominal, la corriente nominal, el poder de corte, el rendimiento de extinción del arco, el aislamiento y las capacidades de resistencia al calor del fusible están directamente relacionados con la seguridad del sistema de alto-voltaje.

 

A diferencia de los circuitos tradicionales de bajo-voltaje, las baterías de energía para vehículos de nueva energía generan corriente continua de alto-voltaje. No existe un punto de cruce por cero-natural para la CC y el arco no puede extinguirse fácilmente después de que se produce un cortocircuito. Por lo tanto, los fusibles de CC de alto-voltaje deben tener capacidades especiales de limitación de corriente y extinción de arco. Cuando se produce un cortocircuito grave en el sistema de batería de alimentación, el fusible debe completar la fusión por fusión, el control del arco y el corte de corriente en muy poco tiempo para evitar daños mayores a la batería, los relés, los conectores y otros componentes de alto-voltaje por la corriente de falla.

 

 

 

Las baterías eléctricas suelen consistir en una gran cantidad de celdas individuales conectadas en serie y en paralelo para formar un paquete de baterías, y su capacidad de almacenamiento de energía y energía de cortocircuito-son mucho mayores que las de los sistemas eléctricos-de bajo voltaje ordinarios. Una vez que ocurre un cortocircuito en el circuito principal, la corriente de falla puede aumentar rápidamente en muy poco tiempo. Sin una protección confiable contra sobrecorriente, el calor generado por una corriente anormal puede causar sobrecalentamiento de los conductores, daños a los materiales aislantes e incluso causar accidentes de seguridad térmica más graves.

 

Los fusibles de alto-voltaje generalmente se instalan en el circuito principal de la batería, el circuito de carga u otras ubicaciones que requieren aislamiento de fallas de alta-energía. Cuando se detecta una sobrecarga grave o una corriente de cortocircuito-, la masa fundida alcanza la condición de fusión a través de su propio calentamiento y utiliza el medio de extinción del arco interno-para limitar el arco, completando así el corte de corriente de falla dentro del tiempo especificado.

 

Por lo tanto, el fusible no es un "fusible" en un sentido simple, sino un componente de aislamiento activo de fallas en el sistema de alto-voltaje de vehículos de nueva energía. Su diseño debe considerar tanto el funcionamiento de baja-energía en condiciones normales de trabajo como la capacidad de interrupción de alta-energía en condiciones de falla.

 

En los productos reales, las estructuras como el cuerpo cerámico del fusible EV generalmente deben tener en cuenta la resistencia mecánica, el rendimiento del aislamiento, la resistencia al calor y la resistencia a la presión interna. Especialmente para aplicaciones de alto voltaje y alta corriente, la elección del material del tubo afectará directamente el margen de seguridad del fusible.

 

 

Los fusibles de alto-voltaje generalmente constan de una masa fundida, un cuerpo de tubo, un relleno extintor de arco, una tapa terminal y una estructura de conexión. Durante el funcionamiento normal, la masa fundida permite que siga pasando la corriente operativa dentro del rango especificado y su propia pérdida de energía debe controlarse dentro de un rango razonable.

 

Cuando el circuito está muy sobrecargado o cortocircuitado-, la temperatura local de la masa fundida aumentará rápidamente y se producirá una fusión.

 

Después de que se rompe la masa fundida, es posible que aún exista una alta energía del arco en el circuito. Para los sistemas de CC, el arco no se puede extinguir confiando en el cruce por cero natural de la CA, por lo que es necesario absorber energía, reducir la temperatura del arco y limitar el canal del arco mediante materiales de extinción del arco.

 

Los medios de extinción de arco-granulares, como la arena de cuarzo, pueden absorber una gran cantidad de calor durante el proceso de fusión y ayudar a formar un producto de fusión con alta resistencia de aislamiento, completando así el aislamiento galvánico final.

 

Durante este proceso, el cuerpo de la tubería no sólo asume el papel de soporte mecánico, sino que también necesita soportar la alta temperatura y presión interna generada durante el proceso de fusión. Si la resistencia mecánica, la resistencia al calor o el rendimiento del aislamiento del cuerpo de la tubería son insuficientes, pueden ocurrir problemas como ruptura de la tubería, formación de arcos externos o fallas del aislamiento incluso si la masa fundida puede funcionar normalmente.

 

Por lo tanto, el diseño del material del cuerpo cerámico para fusibles para vehículos eléctricos no solo puede centrarse en las propiedades mecánicas a temperatura normal, sino que también debe considerar los efectos integrales de la alta temperatura instantánea, el alto voltaje y el impacto del arco durante el proceso de interrupción del cortocircuito.

 

 

Los fusibles de alto-voltaje en vehículos de nueva energía generalmente se instalan en cajas de baterías, cajas de distribución de alto-voltaje u otras ubicaciones con espacio limitado. Debido al alto nivel de integración en estas áreas, las condiciones de disipación de calor, el espacio de instalación y los materiales circundantes afectarán el estado operativo del fusible.

 

Si el fusible se expone a un ambiente de alta temperatura durante mucho tiempo, el material del tubo debe tener una buena estabilidad térmica. Si el material se ablanda, envejece, deforma o degrada las propiedades aislantes bajo estrés térmico sostenido, el margen de seguridad de todo el fusible puede reducirse.

 

Durante la interrupción de una falla, las temperaturas del área local serán mucho más altas que las temperaturas de funcionamiento normales, por lo que los materiales deben poder soportar no solo temperaturas de funcionamiento continuas sino también choques térmicos extremos-a corto plazo. Esto es especialmente importante para los vehículos de nueva energía porque la corriente de falla del sistema de batería de energía puede tener un nivel de energía grande.

 

Los materiales cerámicos tienen altas propiedades de resistencia al calor y aislamiento eléctrico, por lo que se utilizan ampliamente en el cuerpo del tubo y la estructura de aislamiento de fusibles de alto-voltaje. Para fusibles automotrices de alto-voltaje, el tubo cerámico de alúmina para fusibles EV de alto voltaje puede proporcionar un mejor rendimiento integral entre aislamiento, resistencia al calor y estabilidad mecánica.

 

 

 

Las cerámicas de alúmina son un tipo común de material cerámico aislante eléctrico con alta resistencia de aislamiento, resistencia al calor y resistencia mecánica. En los fusibles de alto-voltaje, se pueden usar cerámicas de alúmina para formar un cuerpo de tubo aislante estable para proporcionar un espacio cerrado confiable para el medio interno de extinción del arco y el fundido-.

 

En comparación con algunos materiales aislantes orgánicos, las cerámicas de alúmina tienen una mejor estabilidad dimensional en condiciones de alta temperatura y no se ablandan ni se queman tan fácilmente como los polímeros inflamables. Por lo tanto, en el sistema de alto-voltaje de vehículos de nueva energía con altos requisitos de seguridad contra incendios, los cuerpos de tuberías de cerámica tienen ciertas ventajas estructurales.

 

Para fusibles de diferentes niveles de voltaje, se requiere un diseño integral basado en factores como el espacio libre eléctrico, la resistencia del aislamiento, la resistencia mecánica, el tamaño de la tubería y la presión interna. Las especificaciones específicas del tubo cerámico de alúmina para fusibles eléctricos para automóviles deben coincidir con la estructura de fusión y los parámetros de ruptura de todo el fusible, y no se pueden seleccionar basándose únicamente en el tamaño del tubo.

 

 

 

Al seleccionar un fusible de alto-voltaje, primero debe determinar el voltaje de funcionamiento máximo del sistema. La tensión nominal del fusible debe poder cubrir la tensión operativa máxima del sistema de batería y dejar un margen razonable para el funcionamiento normal y las condiciones transitorias.

 

La siguiente es la corriente nominal. La corriente nominal no se selecciona simplemente en función de la corriente máxima de funcionamiento continuo del vehículo. También debe evaluarse exhaustivamente en función de la temperatura ambiente, el método de instalación, las condiciones de disipación de calor, el tiempo de trabajo continuo y las fluctuaciones actuales. Una corriente nominal excesivamente pequeña puede causar calentamiento frecuente o incluso fusibles falsos durante el funcionamiento normal, mientras que una corriente nominal excesivamente grande puede reducir la velocidad de protección contra fallas.

 

La capacidad de corte también es un indicador importante de los fusibles de CC de alto-voltaje. Los diseñadores deben confirmar que el fusible puede cortar de forma segura la corriente de falla dentro del rango especificado según la corriente máxima de cortocircuito-de la batería de alimentación, la impedancia del sistema y la estructura del circuito de falla.

 

Además, también es necesario prestar atención a las características temporales-actuales. Las velocidades de fusión de diferentes fusibles no son exactamente las mismas y deben seleccionarse de acuerdo con los requisitos del sistema para protección contra cortocircuitos-, protección contra sobrecargas y protección de coordinación de dispositivos.

 

 

El sistema de alimentación de la batería puede enfrentar dos condiciones anormales: sobrecarga y cortocircuito al mismo tiempo. La sobrecarga generalmente se manifiesta cuando la corriente de operación continúa excediendo el rango de diseño normal, pero la corriente de falla aumenta relativamente lentamente; un cortocircuito puede hacer que la corriente alcance rápidamente un nivel alto en un período de tiempo muy corto.

 

Para diferentes tipos de fallas, los fusibles deben lograr las características de protección correspondientes a través de diferentes diseños de fusibles. Por lo tanto, la estructura del producto correspondiente al cuerpo cerámico para fusible de protección contra sobrecargas y cortocircuitos debe diseñarse junto con la masa fundida, el relleno y la capacidad de ruptura nominal.

 

Para los sistemas de alto voltaje-de vehículos de nueva energía, los fusibles también deben formar una relación de protección coordinada con contactores, circuitos de precarga, BMS y sistemas de distribución de alto-voltaje. Mejorar la capacidad de protección de un determinado dispositivo por sí solo no puede reemplazar la estrategia de protección de todo el sistema de alto-voltaje.

 

 

Una dificultad técnica fundamental de los fusibles de CC de alto-voltaje es el control del arco. Después de que la masa fundida se derrita, se puede formar un arco de alta-temperatura entre las dos fracturas. Si el arco continúa, no se puede lograr realmente el aislamiento eléctrico.

 

El relleno extintor de arco y la estructura del tubo determinan conjuntamente el proceso de enfriamiento, segmentación y desionización del arco. El cuerpo estable del tubo cerámico puede mantener la integridad de la estructura interna durante el proceso de fusión, proporcionando un espacio cerrado y estable para el proceso de extinción del arco.

 

Para los fusibles automotrices de CC, la estructura cerámica utilizada por Ceramic for DC Automotive Fuses generalmente debe combinarse y diseñarse en función del voltaje, la corriente, la capacidad de corte y la presión interna. El rendimiento de aislamiento del material es solo la base, y el producto real aún debe verificarse mediante una prueba completa de rotura de cortocircuito-.

 

 

El sistema de alto-voltaje de los vehículos de nueva energía suele tener un alto voltaje de CC, por lo que, además de la protección contra sobrecorriente, el fusible también debe mantener una capacidad de aislamiento suficiente durante las condiciones normales de trabajo y después de la fusión.

 

El diseño del aislamiento implica la rigidez dieléctrica del propio material, así como las distancias de fuga, los espacios libres eléctricos, las estructuras finales y el entorno de instalación. Si el fusible de alto-voltaje está demasiado cerca de la estructura metálica circundante, o si hay contaminación o condensación en la superficie, el margen de aislamiento real puede reducirse.

 

Para estructuras cerámicas aislantes, como el cuerpo fundido cerámico de esteatita eléctrica aislante, el sistema de materiales y las dimensiones estructurales deben determinarse en función de los niveles de voltaje específicos y las condiciones ambientales. Los vehículos de nueva energía también experimentarán cambios de temperatura, cambios de humedad, vibraciones mecánicas e impactos en la carretera durante el funcionamiento real, por lo que la estructura de aislamiento debe tener estabilidad a largo plazo-.

 

 

 

Además del rendimiento del fusible en sí, el lugar de instalación también afecta la seguridad del sistema. Los fusibles de alto-voltaje deben evitarse en lugares superpoblados, tienen condiciones de disipación de calor extremadamente pobres o son susceptibles a daños mecánicos.

 

Si el espacio de instalación está cerca de una fuente de alto calor de la batería, es necesario evaluar la conducción de calor, la radiación de calor y el flujo de aire. Para estructuras que requieren mantenimiento y reemplazo, también se deben considerar plenamente el espacio operativo para el personal de mantenimiento y los requisitos de aislamiento de seguridad de alto voltaje-.

 

En los sistemas de distribución de energía de alto-voltaje, los fusibles generalmente deben colocarse junto con contactores, relés, barras colectoras y terminales de conexión. Para estructuras de tuberías como la carcasa de cerámica para eslabones fusibles, el espacio circundante no solo afecta la disipación de calor, sino que también está relacionado con la distancia segura en condiciones de falla.
 

 

La verificación de fusibles de alto-voltaje para vehículos de nueva energía debe abarcar tanto el funcionamiento normal como las condiciones de trabajo anormales. En condiciones normales de trabajo, se debe prestar atención al aumento de temperatura, la capacidad de carga de corriente continua, la estabilidad de la resistencia y el rendimiento del aislamiento; en condiciones de trabajo anormales, es necesario centrarse en verificar la sobrecarga, el cortocircuito, la capacidad de corte y la capacidad de soportar corrientes extremas.

 

Además, es necesario realizar una evaluación de la confiabilidad ambiental en función del entorno de uso real de los vehículos de nueva energía, incluidas pruebas como ciclos de temperatura alta y baja, calor y humedad, vibración, choque mecánico y energización a largo plazo-.

 

Para productos que utilizan cuerpos tubulares de cerámica de alúmina, también es necesario centrarse en la consistencia dimensional, la calidad de la superficie, la resistencia mecánica y la confiabilidad del ensamblaje de la propia cerámica con las piezas metálicas de los extremos. Los parámetros del material del tubo cerámico de alúmina Al2O3 para fusible de alto -voltaje solo pueden reflejar verdaderamente el nivel de seguridad del producto si se verifican junto con la estructura general del fusible.
 

 

A medida que la plataforma de voltaje de las baterías eléctricas sigue aumentando, los sistemas de alto-voltaje se están desarrollando gradualmente desde la plataforma tradicional de cientos de voltios a niveles de voltaje más altos. Un voltaje más alto del sistema puede reducir la corriente de operación bajo la misma potencia, reduciendo así las pérdidas de conductores en mazos de cables y barras colectoras, pero al mismo tiempo también impone mayores requisitos en cuanto a aislamiento, extinción de arco y protección contra fallas.

 

Una de las futuras direcciones de desarrollo de los fusibles de alto-voltaje es la miniaturización y la alta densidad de potencia. El espacio limitado de instalación del vehículo requiere que el fusible reduzca aún más su tamaño manteniendo su capacidad de corte y mejore su capacidad de manejo de energía de falla por unidad de volumen.

 

Otra dirección importante es la optimización de materiales. El tubo aislante cerámico de alúmina para fusibles requiere un equilibrio entre rigidez dieléctrica, estabilidad térmica, resistencia mecánica y consistencia del procesamiento. A medida que aumente la estandarización de las plataformas de vehículos de nueva energía, la precisión dimensional y la consistencia del lote de los cuerpos de tubos cerámicos también se convertirán en importantes indicadores de fabricación.

 

Además, la integración de fusibles y sistemas de distribución de energía de alto-voltaje seguirá aumentando. Las futuras soluciones de protección de alto voltaje-no solo necesitarán considerar el rendimiento de los fusibles individuales, sino que también requerirán coordinación a nivel de sistema-con contactores, circuitos de precarga, BMS, conectores de alto-voltaje y barras colectoras.

 

 

Desde la perspectiva del diseño de seguridad, el material del cuerpo del tubo fusible de alto-voltaje debe cumplir al menos varios requisitos básicos: tiene suficiente resistencia mecánica para soportar la presión interna generada por el proceso de ruptura; tiene un rendimiento de aislamiento estable para cumplir con los-requisitos de funcionamiento a largo plazo del sistema de alto-voltaje; tiene buena resistencia al calor para mantener la estabilidad estructural en ambientes con temperaturas anormalmente altas; también debe tener una buena consistencia dimensional para asegurar una relación de ensamblaje precisa entre la masa fundida, el relleno y la estructura final.

 

Para aplicaciones de vehículos de nueva energía de alto-voltaje, el tubo cerámico de alúmina al 95 % para fusibles de alto voltaje es una solución representativa de material de tubo cerámico.

 

Su aplicación real aún debe verificarse en función del voltaje nominal, la corriente nominal, la corriente de cortocircuito-y la estructura mecánica del fusible específico.

 

Para diferentes tipos de circuitos auxiliares, también existen diferencias en el tamaño y los parámetros de protección de los fusibles. Por ejemplo, los fusibles auxiliares de vehículos eléctricos con carrocería cerámica son más adecuados para hacer coincidir según la corriente de funcionamiento, el voltaje nominal, el espacio de instalación y otras condiciones del circuito de energía auxiliar, en lugar de simplemente aplicar los parámetros de diseño del circuito principal de la batería de energía.

 

 

 

La seguridad de los fusibles de alto voltaje-para vehículos de nueva energía no está determinada por un solo parámetro, sino por el diseño de la masa fundida, el medio de extinción del arco, el material del tubo, la estructura del extremo, el método de instalación y la estrategia de protección del sistema de alto-voltaje.

 

En los sistemas de CC de alto-voltaje, los fusibles deben limitar rápidamente la energía después de que se produce una falla y, al mismo tiempo, garantizar que el arco generado durante el proceso de ruptura no cause daños secundarios a las estructuras circundantes. Por lo tanto, es necesario el co-diseño entre materiales, parámetros estructurales y eléctricos.

 

Para aplicaciones automotrices de alto-voltaje,Tubo cerámico de alúmina para fusibles automotrices de alto-voltajeno sólo asume las funciones de aislamiento y soporte mecánico, sino que también participa en todo el proceso de control energético de fallo de fusible. A medida que los vehículos de nueva energía se desarrollen hacia el alto voltaje, la alta potencia y la alta integración, la importancia de este concepto de diseño a nivel de sistema-aumentará aún más.

 

En general, la selección de fusibles de alto-voltaje no solo debe centrarse en los dos parámetros básicos de voltaje y corriente nominales, sino que también debe considerar la corriente máxima de cortocircuito-, las características de tiempo-corriente, el poder de corte, la temperatura ambiente, la distancia de aislamiento, la ubicación de instalación y el mantenimiento.