الاختيار الآمن لصمامات الجهد العالي-لمركبات الطاقة الجديدة: التقنيات الأساسية لجسم الأنبوب الخزفي، وإطفاء قوس التيار المستمر، وتصميم التركيب

مع تطور نظام بطاريات الطاقة لمركبات الطاقة الجديدة نحو الجهد العالي والسعة الكبيرة والطاقة العالية، أصبحت السلامة الكهربائية ذات الجهد العالي-مشكلة مهمة في تصميم السيارة ونظام البطارية. كجهاز رئيسي لحماية التيار الزائد في دائرة بطارية الطاقة، يحتاج مصهر الجهد العالي- إلى قطع تيار العطل بسرعة في ظل ظروف غير طبيعية مثل الدائرة القصيرة والحمل الزائد الشديد، والحد من انتشار طاقة العطل من خلال هيكل إطفاء القوس الموثوق به. ولذلك، فإن الجهد المقنن، والتيار المقنن، وقدرة الكسر، وأداء إطفاء القوس، والعزل، وقدرات مقاومة الحرارة للمصهر ترتبط ارتباطًا مباشرًا بسلامة نظام الجهد العالي-.

 

تختلف بطاريات الطاقة الجديدة في مركبات الطاقة عن دوائر الجهد المنخفض- التقليدية، حيث تنتج تيارًا مباشرًا عالي الجهد-. لا توجد نقطة عبور صفرية طبيعية- للتيار المستمر، ولا يمكن للقوس أن ينطفئ تلقائيًا بسهولة بعد حدوث ماس كهربائي. ولذلك،-تحتاج صمامات التيار المستمر ذات الجهد العالي إلى قدرات خاصة للحد من التيار وإطفاء القوس الكهربائي. عندما يحدث ماس كهربائي خطير في نظام بطارية الطاقة، يجب أن يكمل المصهر عملية الصهر والتحكم في القوس وقطع التيار في وقت قصير جدًا لتجنب حدوث المزيد من الضرر للبطارية والمرحلات والموصلات والمكونات الأخرى ذات الجهد العالي -بسبب تيار العطل.

 

 

 

تتكون بطاريات الطاقة عادةً من عدد كبير من الخلايا المفردة المتصلة على التوالي وبالتوازي لتشكل حزمة بطارية، كما أن سعة تخزين الطاقة وطاقة الدائرة القصيرة-أعلى بكثير من الأنظمة الكهربائية العادية ذات الجهد المنخفض-. بمجرد حدوث ماس كهربائي في الدائرة الرئيسية، قد يرتفع تيار الخلل بسرعة في وقت قصير جدًا. بدون حماية موثوقة من التيار الزائد، قد تتسبب الحرارة الناتجة عن التيار غير الطبيعي في ارتفاع درجة حرارة الموصلات، وتلف المواد العازلة، وحتى التسبب في حوادث سلامة حرارية أكثر خطورة.

 

عادةً ما يتم تركيب منصهرات الجهد العالي-في الدائرة الرئيسية لبطارية الطاقة، أو دائرة الشحن، أو غيرها من المواقع التي تتطلب-عزل أعطال الطاقة العالية. عند اكتشاف حمل زائد شديد أو تيار دائرة قصيرة-، يصل المصهور إلى حالة الانصهار من خلال التسخين الخاص به، ويستخدم وسيط إطفاء القوس الداخلي - للحد من القوس، وبالتالي إكمال قطع تيار العطل خلال الوقت المحدد.

 

ومن ثم، فإن المصهر ليس "منصهرًا" بالمعنى البسيط، ولكنه مكون نشط لعزل الأخطاء في نظام الجهد العالي- لمركبات الطاقة الجديدة. ويحتاج تصميمه إلى الأخذ في الاعتبار كلاً من التشغيل منخفض الطاقة-في ظل ظروف العمل العادية وإمكانيات كسر الطاقة العالية-في ظل ظروف الأعطال.

 

في المنتجات الفعلية، عادةً ما تحتاج الهياكل مثل هيكل EV Fuse Ceramic Body إلى مراعاة القوة الميكانيكية، وأداء العزل، ومقاومة الحرارة، وتحمل الضغط الداخلي. خاصة بالنسبة لتطبيقات الجهد العالي والتيار العالي، فإن اختيار مادة الأنبوب سيؤثر بشكل مباشر على هامش أمان المصهر.

 

 

تتكون صمامات الجهد العالي-عادةً من مادة مصهورة وجسم أنبوبي وحشو إطفاء القوس وغطاء طرفي وهيكل توصيل. أثناء التشغيل العادي، يسمح المصهور بمرور تيار التشغيل ضمن النطاق المحدد، ويجب التحكم في فقدان الطاقة الخاص به ضمن نطاق معقول.

 

عندما تكون الدائرة محملة بشكل زائد أو قصيرة للغاية-، سترتفع درجة الحرارة المحلية للمصهور بسرعة، وسيحدث فتيل.

 

بعد أن ينكسر الذوبان، قد تظل طاقة القوس العالية موجودة في الدائرة. بالنسبة لأنظمة التيار المستمر، لا يمكن إطفاء القوس بالاعتماد على عبور الصفر الطبيعي للتيار المتردد، لذلك من الضروري امتصاص الطاقة، وتقليل درجة حرارة القوس، وحصر قناة القوس من خلال مواد إطفاء القوس.

 

يمكن لوسائط الإطفاء القوسية الحبيبية-مثل رمل الكوارتز أن تمتص كمية كبيرة من الحرارة أثناء عملية الصهر وتساعد في تكوين منتج صهر يتمتع بقوة عزل عالية، وبالتالي استكمال العزل الجلفاني النهائي.

 

خلال هذه العملية، لا يقوم جسم الأنبوب بدور الدعم الميكانيكي فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى تحمل درجة الحرارة العالية والضغط الداخلي المتولد أثناء عملية الصهر. إذا كانت القوة الميكانيكية أو مقاومة الحرارة أو أداء العزل لجسم الأنبوب غير كافية، فقد تحدث مشاكل مثل تمزق الأنبوب أو الانحناء الخارجي أو فشل العزل حتى لو كان المصهور نفسه يعمل بشكل طبيعي.

 

ولذلك، فإن التصميم المادي للجسم الخزفي لصمامات EV لا يمكن أن يركز فقط على الخواص الميكانيكية عند درجة الحرارة العادية، ولكن يجب أيضًا أن يأخذ في الاعتبار التأثيرات الشاملة لدرجة الحرارة المرتفعة اللحظية والجهد العالي وتأثير القوس أثناء عملية كسر الدائرة القصيرة.

 

 

عادةً ما يتم تركيب صمامات الجهد العالي- في مركبات الطاقة الجديدة في صناديق البطاريات أو صناديق توزيع الجهد العالي- أو في مواقع أخرى ذات مساحة محدودة. ونظرًا لمستوى التكامل العالي في هذه المناطق، فإن ظروف تبديد الحرارة وتباعد التركيب والمواد المحيطة ستؤثر جميعها على حالة تشغيل المصهر.

 

إذا تعرض المصهر لبيئة ذات درجة حرارة عالية لفترة طويلة، فيجب أن تتمتع مادة الأنبوب بثبات حراري جيد. إذا أصبحت المادة أكثر ليونة أو تقادمًا أو تشوهًا أو تدهورًا في خصائص العزل تحت ضغط حراري مستمر، فقد يتم تقليل هامش أمان المصهر بأكمله.

 

أثناء انقطاع الأعطال، ستكون درجات حرارة المنطقة المحلية أعلى بكثير من درجات حرارة التشغيل العادية، لذا يجب أن تكون المواد قادرة على تحمل ليس فقط درجات حرارة التشغيل المستمرة ولكن أيضًا-الصدمات الحرارية الشديدة قصيرة المدى. وهذا مهم بشكل خاص لمركبات الطاقة الجديدة لأن تيار الخلل في نظام بطارية الطاقة قد يكون له مستوى طاقة كبير.

 

تتمتع المواد الخزفية بمقاومة عالية للحرارة وخصائص عزل كهربائي، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في هيكل الأنبوب وهيكل العزل لصمامات الجهد العالي-. بالنسبة لصمامات السيارات ذات الجهد العالي-، يمكن أن يوفر أنبوب سيراميك الألومينا لصمام EV عالي الجهد أداءً شاملاً أفضل بين العزل ومقاومة الحرارة والاستقرار الميكانيكي.

 

 

 

سيراميك الألومينا هو نوع شائع من المواد الخزفية العازلة للكهرباء ذات مقاومة عزل عالية ومقاومة للحرارة وقوة ميكانيكية. في صمامات الجهد العالي-، يمكن استخدام سيراميك الألومينا لتكوين جسم أنبوب عازل ثابت لتوفير مساحة مغلقة يمكن الاعتماد عليها للصهر الداخلي ووسط الإطفاء القوسي-.

 

بالمقارنة مع بعض المواد العازلة العضوية، يتمتع سيراميك الألومينا بثبات أفضل للأبعاد في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة ولا يلين ويحترق بسهولة مثل البوليمرات القابلة للاشتعال. لذلك، في نظام الجهد العالي- لمركبات الطاقة الجديدة التي تتطلب متطلبات عالية للسلامة من الحرائق، تتمتع أجسام الأنابيب الخزفية بمزايا هيكلية معينة.

 

بالنسبة للصمامات ذات مستويات الجهد المختلفة، يلزم تصميم شامل بناءً على عوامل مثل الخلوص الكهربائي، وقوة العزل، والقوة الميكانيكية، وحجم الأنبوب، والضغط الداخلي. يجب أن تتوافق المواصفات المحددة لأنبوب سيراميك الألومينا لصمامات السيارات الكهربائية مع هيكل الذوبان ومعلمات الكسر للمصهر بالكامل، ولا يمكن تحديدها بناءً على حجم الأنبوب وحده.

 

 

 

عند تحديد منصهر{0}عالي الجهد، فإنك تحتاج أولاً إلى تحديد الحد الأقصى لجهد تشغيل النظام. يجب أن يكون الجهد المقنن للمصهر قادرًا على تغطية الحد الأقصى لجهد التشغيل لنظام بطارية الطاقة وترك هامش معقول للتشغيل العادي والظروف العابرة.

 

التالي هو التصنيف الحالي. لا يتم تحديد التيار المقنن ببساطة بناءً على الحد الأقصى لتيار العمل المستمر للمركبة. كما يحتاج أيضًا إلى تقييم شامل بناءً على درجة الحرارة المحيطة، وطريقة التثبيت، وظروف تبديد الحرارة، ووقت العمل المستمر، والتقلبات الحالية. قد يتسبب التيار المقنن الصغير جدًا في تسخين متكرر أو حتى صمامات زائفة أثناء التشغيل العادي، في حين أن التيار المقنن الكبير جدًا قد يقلل من سرعة الحماية من الأخطاء.

 

تعد قدرة القطع أيضًا مؤشرًا مهمًا-لصمامات التيار المستمر ذات الجهد العالي. يحتاج المصممون إلى التأكد من أن المصهر يمكنه قطع تيار العطل بأمان ضمن النطاق المحدد بناءً على الحد الأقصى لتيار الدائرة القصيرة - لبطارية الطاقة، ومقاومة النظام، وبنية دائرة العطل.

 

بالإضافة إلى ذلك، من الضروري أيضًا الانتباه إلى خصائص الوقت الحالي-. إن سرعات ذوبان الصمامات المختلفة ليست متماثلة تمامًا، ويجب تحديدها وفقًا لمتطلبات النظام لحماية الدائرة القصيرة-، والحماية من الحمل الزائد، وحماية تنسيق الجهاز.

 

 

قد يواجه نظام بطارية الطاقة حالتين غير طبيعيتين: الحمل الزائد وقصر الدائرة في نفس الوقت. يظهر الحمل الزائد عادةً مع استمرار تيار التشغيل في تجاوز نطاق التصميم الطبيعي، لكن تيار الخلل يزداد ببطء نسبيًا؛ قد يؤدي قصر الدائرة إلى وصول التيار بسرعة إلى مستوى عالٍ في فترة زمنية قصيرة جدًا.

 

بالنسبة لأنواع الأعطال المختلفة، تحتاج الصمامات إلى تحقيق خصائص الحماية المقابلة من خلال تصميمات الصمامات المختلفة. لذلك، يجب تصميم هيكل المنتج المتوافق مع الجسم الخزفي لصمام الحماية من الحمل الزائد والدائرة القصيرة جنبًا إلى جنب مع قدرة الذوبان والحشو والقدرة على الكسر المقدرة.

 

بالنسبة لأنظمة الجهد العالي- لمركبات الطاقة الجديدة، تحتاج الصمامات أيضًا إلى تكوين علاقة حماية منسقة مع الموصلات ودوائر الشحن المسبق وأنظمة إدارة المباني (BMS) وأنظمة توزيع الجهد العالي-. إن تحسين قدرة الحماية لجهاز معين وحده لا يمكن أن يحل محل إستراتيجية الحماية لنظام الجهد العالي- بأكمله.

 

 

إحدى الصعوبات الفنية الأساسية التي تواجه-صمامات التيار المستمر ذات الجهد العالي هي التحكم في القوس. بعد ذوبان المنصهر، قد يتشكل قوس درجة حرارة عالية-بين الكسرين. إذا استمر القوس، لا يمكن تحقيق العزل الكهربائي حقًا.

 

تحدد حشوة إطفاء القوس وهيكل الأنبوب بشكل مشترك عملية التبريد والتجزئة وإزالة الأيونات للقوس. يمكن لجسم الأنبوب الخزفي المستقر أن يحافظ على سلامة الهيكل الداخلي أثناء عملية الصهر، مما يوفر مساحة مغلقة ومستقرة لعملية إطفاء القوس.

 

بالنسبة لصمامات السيارات التي تعمل بالتيار المستمر، عادةً ما يحتاج الهيكل الخزفي الذي تستخدمه السيراميك لصمامات السيارات التي تعمل بالتيار المستمر إلى المطابقة والتصميم بناءً على الجهد والتيار وقدرة القطع والضغط الداخلي. يعتبر أداء العزل للمادة هو الأساس فقط، ولا يزال المنتج الفعلي بحاجة إلى التحقق من خلال اختبار كامل لكسر الدائرة القصيرة-.

 

 

عادةً ما يشتمل نظام الجهد العالي-لمركبات الطاقة الجديدة على جهد تيار مستمر مرتفع، لذلك بالإضافة إلى الحماية من التيار الزائد، يحتاج المصهر أيضًا إلى الحفاظ على قدرة عزل كافية أثناء ظروف العمل العادية وبعد الصهر.

 

يتضمن تصميم العزل قوة العزل الكهربائي للمادة نفسها، بالإضافة إلى مسافات الزحف، والخلوصات الكهربائية، والهياكل النهائية، وبيئة التثبيت. إذا كان منصهر الجهد العالي- قريبًا جدًا من الهيكل المعدني المحيط، أو إذا كان هناك تلوث أو تكثيف على السطح، فقد يتم تقليل هامش العزل الفعلي.

 

بالنسبة للهياكل الخزفية العازلة مثل الجسم المصهور بالسيراميك الكهربي العازل، يجب تحديد نظام المواد والأبعاد الهيكلية بناءً على مستويات الجهد المحددة والظروف البيئية. ستواجه مركبات الطاقة الجديدة أيضًا تغيرات في درجات الحرارة، وتغيرات في الرطوبة، واهتزازات ميكانيكية، وتأثيرات على الطريق أثناء التشغيل الفعلي، لذا يحتاج هيكل العزل إلى -ثبات طويل الأمد.

 

 

 

بالإضافة إلى أداء المصهر نفسه، يؤثر موقع التثبيت أيضًا على سلامة النظام. يجب تجنب-صمامات الجهد العالي في الأماكن المزدحمة، أو التي تكون ظروف تبديد الحرارة فيها سيئة للغاية، أو تكون عرضة للتلف الميكانيكي.

 

إذا كانت مساحة التثبيت قريبة من مصدر حرارة عالي لبطارية الطاقة، فيجب تقييم التوصيل الحراري والإشعاع الحراري وتدفق الهواء. بالنسبة للهياكل التي تتطلب الصيانة والاستبدال، يجب أيضًا مراعاة مساحة التشغيل لموظفي الصيانة ومتطلبات العزل الآمن للجهد العالي- بشكل كامل.

 

في أنظمة توزيع الطاقة ذات الجهد العالي-، عادةً ما يلزم وضع الصمامات جنبًا إلى جنب مع الموصلات والمرحلات وقضبان التوصيل وأطراف التوصيل. بالنسبة لهياكل الأنابيب مثل غلاف السيراميك لوصلة الصمامات، فإن المساحة المحيطة لا تؤثر فقط على تبديد الحرارة، ولكنها ترتبط أيضًا بالمسافة الآمنة في ظل ظروف الخطأ.
 

 

يجب أن يشمل التحقق من صمامات الجهد العالي-لمركبات الطاقة الجديدة التشغيل العادي وظروف العمل غير الطبيعية. في ظل ظروف العمل العادية، يجب الانتباه إلى ارتفاع درجة الحرارة، والقدرة على حمل التيار المستمر، واستقرار المقاومة، وأداء العزل؛ في ظل ظروف العمل غير الطبيعية، من الضروري التركيز على التحقق من الحمل الزائد، وقصر الدائرة، وقدرة الكسر، والقدرة على تحمل التيارات الشديدة.

 

بالإضافة إلى ذلك، يجب إجراء تقييم الموثوقية البيئية استنادًا إلى بيئة الاستخدام الفعلي لمركبات الطاقة الجديدة، بما في ذلك اختبارات مثل دورات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، والحرارة والرطوبة، والاهتزاز، والصدمات الميكانيكية، والتنشيط على المدى الطويل-.

 

بالنسبة للمنتجات التي تستخدم أجسام أنابيب سيراميك الألومينا، فمن الضروري أيضًا التركيز على اتساق الأبعاد وجودة السطح والقوة الميكانيكية وموثوقية تجميع السيراميك نفسه مع الأجزاء المعدنية النهائية. يمكن أن تعكس معلمات المادة لأنبوب سيراميك الألومينا Al2O3 للصمامات ذات الجهد العالي- مستوى أمان المنتج بشكل حقيقي فقط إذا تم التحقق منها مع هيكل المصهر الشامل.
 

 

مع استمرار زيادة منصة الجهد الكهربائي لبطاريات الطاقة، تتطور أنظمة الجهد العالي-تدريجيًا من النظام الأساسي التقليدي الذي يبلغ مئات الفولتات إلى مستويات الجهد الأعلى. يمكن أن يؤدي ارتفاع جهد النظام إلى تقليل تيار التشغيل تحت نفس الطاقة، وبالتالي تقليل خسائر الموصل في أحزمة الأسلاك وقضبان التوصيل، ولكنه في نفس الوقت يضع أيضًا متطلبات أعلى على العزل وإطفاء القوس والحماية من الأخطاء.

 

أحد اتجاهات التطوير المستقبلية لصمامات الجهد العالي-هو التصغير وكثافة الطاقة العالية. تتطلب المساحة المحدودة لتركيب السيارة أن يقوم المصهر بتقليل حجمه بشكل أكبر مع الحفاظ على قدرته على الكسر، وتحسين قدرته على التعامل مع طاقة الأعطال لكل وحدة حجم.

 

الاتجاه المهم الآخر هو تحسين المواد. يتطلب أنبوب عازل سيراميك الألومينا للمصهر وجود توازن بين قوة العزل الكهربائي، والاستقرار الحراري، والقوة الميكانيكية، واتساق المعالجة. مع زيادة توحيد منصات مركبات الطاقة الجديدة، فإن دقة الأبعاد واتساق الدفعة لأجسام الأنابيب الخزفية ستصبح أيضًا مؤشرات تصنيع مهمة.

 

بالإضافة إلى ذلك، سيستمر تزايد التكامل بين الصمامات وأنظمة توزيع الطاقة ذات الجهد العالي-. لن تحتاج حلول الحماية من الجهد العالي- المستقبلية إلى مراعاة أداء الصمامات الفردية فحسب، بل ستتطلب أيضًا التنسيق على مستوى النظام- مع الموصلات ودوائر الشحن المسبق وأنظمة إدارة المباني وموصلات الجهد العالي- وأشرطة التوصيل.

 

 

من منظور تصميم السلامة،-يجب أن تلبي مادة هيكل أنبوب المصهر عالي الجهد على الأقل العديد من المتطلبات الأساسية: أن تتمتع بقوة ميكانيكية كافية لتحمل الضغط الداخلي الناتج عن عملية الكسر؛ يتمتع بأداء عزل مستقر لتلبية متطلبات التشغيل طويلة المدى -لنظام الجهد العالي-؛ لديها مقاومة جيدة للحرارة للحفاظ على الاستقرار الهيكلي في بيئات درجة الحرارة المرتفعة بشكل غير طبيعي؛ يجب أن يتمتع أيضًا بتناسق جيد في الأبعاد لضمان وجود علاقة تجميع دقيقة بين الهيكل المصهور والحشو والنهاية.

 

بالنسبة لتطبيقات مركبات الطاقة الجديدة ذات الجهد العالي-، فإن أنبوب سيراميك الألومينا بنسبة 95% لصمامات الجهد العالي هو حل تمثيلي لمواد الأنابيب الخزفية.

 

لا يزال تطبيقه الفعلي بحاجة إلى التحقق بناءً على الجهد المقنن للمصهر، والتيار المقنن، وتيار الدائرة القصيرة-، والهيكل الميكانيكي.

 

بالنسبة للأنواع المختلفة من الدوائر المساعدة، هناك أيضًا اختلافات في الحجم ومعلمات الحماية للصمامات. على سبيل المثال، تعتبر الصمامات المساعدة للمركبات الكهربائية ذات الهيكل الخزفي أكثر ملاءمة للمطابقة بناءً على تيار التشغيل، والجهد المقدر، ومساحة التثبيت، والظروف الأخرى لدائرة الطاقة المساعدة، بدلاً من مجرد تطبيق معلمات التصميم للدائرة الرئيسية لبطارية الطاقة.

 

 

 

لا يتم تحديد سلامة صمامات الجهد العالي- لمركبات الطاقة الجديدة من خلال معلمة واحدة، ولكن من خلال تصميم الصهر ووسيط إطفاء القوس ومواد الأنبوب والهيكل النهائي وطريقة التثبيت واستراتيجية حماية نظام الجهد العالي-.

 

في أنظمة التيار المستمر ذات الجهد العالي-، تحتاج الصمامات إلى الحد من الطاقة بسرعة بعد حدوث خطأ، مع ضمان أن القوس المتولد أثناء عملية الكسر لا يسبب ضررًا ثانويًا للهياكل المحيطة. لذلك، يعد التصميم المشترك-بين المواد والمعلمات الهيكلية والكهربائية أمرًا ضروريًا.

 

بالنسبة لتطبيقات السيارات ذات الجهد العالي-،أنبوب سيراميك الألومينا -لمنصهرات السيارات ذات الجهد العاليلا يتولى وظائف العزل والدعم الميكانيكي فحسب، بل يشارك أيضًا في عملية التحكم في طاقة فشل الصمامات بأكملها. مع تطور مركبات الطاقة الجديدة نحو الجهد العالي والطاقة العالية والتكامل العالي، ستتزايد أهمية مفهوم التصميم على مستوى النظام-.

 

بشكل عام، يجب ألا يركز اختيار منصهرات الجهد العالي- فقط على المعلمتين الأساسيتين للجهد المقدر والتيار المقنن، ولكن يجب أيضًا مراعاة الحد الأقصى لتيار الدائرة القصيرة-وخصائص التيار الزمني-وسعة القطع ودرجة الحرارة المحيطة ومسافة العزل وموقع التثبيت والصيانة.