خط الدفاع الأخير في أنظمة تخزين الطاقة: تحليل تكنولوجيا صمامات التيار المستمر

في أنظمة تخزين الطاقة، تتحمل صمامات التيار المستمر، باعتبارها مكونات وقائية مهمة، المسؤولية الأساسية المتمثلة في القطع السريع لتيار العطل في ظل ظروف الدائرة القصيرة- الشديدة. إنها تحقق العزل المادي للدائرة من خلال آلية الصهر الحراري للعنصر القابل للانصهار تحت الحمل الزائد أو ظروف الدائرة القصيرة-، وتتميز بسرعة استجابة سريعة، وقدرة كسر عالية، وموثوقية هيكلية قوية. خاصة في أنظمة التيار المستمر ذات الجهد العالي-، عند دمجها مع مواد العزل العالية-مثل السيراميك لصمامات السيارات التي تعمل بالتيار المستمر، يمكن تحسين مستوى الأمان العام للنظام بشكل ملحوظ.

 

 

 

يتكون فتيل التيار المستمر لتخزين الطاقة النموذجي من ثلاثة أجزاء: العنصر القابل للانصهار، والغلاف، ووسيط الإطفاء -القوسي. عادةً ما يكون العنصر القابل للانصهار مصنوعًا من مواد أساسها الفضة أو النحاس-، ويتم التحكم في موضع الصهر ووقته من خلال تصميم هيكل متعدد-. يتكون الغلاف في الغالب من مواد سيراميكية عالية القوة-، مثل سيراميك الألومنيوم بنسبة 95%، لتحمل درجات الحرارة المرتفعة والضغط الميكانيكي الناتج في لحظة الصهر. يتم استخدام حشو رمل الكوارتز الداخلي لامتصاص طاقة القوس بسرعة، مما يحقق إطفاء القوس بشكل فعال.

 

عندما يتجاوز التيار القيمة المقدرة ويتراكم إلى طاقة معينة (I²t)، يذوب العنصر القابل للانصهار ويتبخر بسرعة ليشكل استراحة. يتم بعد ذلك كسر القوس الكهربائي وإطفائه بفعل رمل الكوارتز. يمكن إكمال العملية برمتها في ميكروثانية. على غرار التصميم الهيكلي للأنبوب الخزفي لمصهر الجهد العالي، يمنع هذا بشكل فعال إعادة اشتعال القوس في بيئات الجهد العالي-، مما يضمن سلامة النظام.

 

 

عادةً ما يتم تصنيف صمامات التيار المستمر لتخزين الطاقة وفقًا لمعيار IEC 60269. استنادًا إلى قدرة التكسير وسيناريو التطبيق، يمكن تقسيمها إلى أنواع gG، وar، وgR، وgPV. ومن بين هذه الأنواع، يعتبر النوعان gR وgG مناسبين لحماية مجموعة البطاريات والحافلات، بينما يستخدم النوع aR بشكل أساسي لحماية أشباه موصلات الطاقة.

 

في أنظمة التيار المستمر ذات الجهد العالي-، يعتمد الاستقرار الهيكلي للصمامات بدرجة كبيرة على العازل الخزفي، مثل الجسم الخزفي للحمل الزائد ومصهر حماية الدائرة القصيرة. لا يوفر هذا العازل الدعم الميكانيكي فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا حاسمًا في العزل الكهربائي، مما يشكل أساسًا مهمًا لتحقيق قدرة كسر عالية.

 

 

بناءً على شكلها الهيكلي، تنقسم صمامات تخزين الطاقة DC بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: نوع الأنبوب الدائري، والنوع المكعب، ونوع اللوحة المسطحة.

 

تستخدم الصمامات من نوع الأنبوب الدائري في الغالب هيكل أنبوب خزفي، مثل الأنبوب الخزفي لـ EV DC Fuse، وهو مناسب لسيناريوهات التطبيق القياسية؛ يتم تثبيت الصمامات من النوع المكعب بمسامير وهي مناسبة لأنظمة التيار العالي والجهد العالي. يستخدم هيكلها الداخلي عادةً غلافًا سيراميكيًا عالي الكثافة- لتحسين تبديد الحرارة والقوة الميكانيكية.

 

تُستخدم الصمامات من نوع اللوحة المسطحة (نوع الشفرة) بشكل أساسي داخل وحدات البطارية. يسهل هيكل الارتفاع-المنخفض تصميمًا مضغوطًا. في بعض الأنظمة شديدة التكامل، يمكن أيضًا دمج الصمامات مع صناديق الجهد العالي-كوحدات معيارية. تضمن المكونات الهيكلية الخزفية، مثل غلاف السيراميك لوصلة الصمامات، أداء العزل مع الأخذ في الاعتبار أيضًا الاكتناز الهيكلي والموثوقية.

 

 

يتم تحديد أداء مصهر التيار المستمر بشكل أساسي من خلال معلمات مثل جول متكامل (I²t)، والجهد المقنن، والتيار المقنن، وقدرة القطع. يعكس I²t قدرة تحمل الطاقة للمصهر وهو مؤشر رئيسي لمنع حدوث أعطال. يجب أن يتطابق الجهد المقنن مع مستوى جهد النظام لمنع إعادة اشتعال القوس بعد احتراق المصهر.

 

في بيئات التشغيل ذات درجات الحرارة العالية-، يعد استقرار المواد الخزفية أمرًا مهمًا بشكل خاص. على سبيل المثال، يتمتع الجسم المصهور بالسيراميك الكهربي العازل بمقاومة ممتازة للحرارة وخصائص عزل، مما يضمن التشغيل المستقر طويل الأمد للمصهر في البيئات التي تزيد درجة حرارتها عن 50 درجة. في الوقت نفسه، يجب أن تغطي قدرة القطع الحد الأقصى لتيار الدائرة القصيرة - للنظام؛ حاليًا، تستخدم أنظمة تخزين الطاقة السائدة عادةً منتجات ذات قدرة كسر تبلغ 100 كيلو أمبير وما فوق.

 

 

في أنظمة تخزين الطاقة، يتم وضع صمامات التيار المستمر بشكل أساسي في العقد الرئيسية مثل الطرف الموجب لمجموعات البطاريات، وقضيب التوصيل، وجانب التيار المستمر في أجهزة الكمبيوتر. ومن ناحية مجموعة البطاريات، يتم استخدامها لعزل أخطاء المجموعة-المفردة؛ وعلى جانب شريط التوصيل، فهي توفر حماية على مستوى النظام-؛ ومن ناحية أجهزة الكمبيوتر، فإنها تحمي أجهزة الطاقة مثل IGBTs.

 

تتطلب مواقع التطبيق المختلفة تصميمات هيكلية مختلفة. على سبيل المثال، في سيناريوهات تكامل المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة، غالبًا ما يتم استخدام السيراميك لصمامات المركبات الكهربائية والهجينة كمواد عازلة أساسية لتلبية متطلبات الموثوقية في ظل الاهتزازات العالية ودرجات الحرارة العالية وبيئات الجهد العالي.

 

 

 

يتطلب اختيار المصهر دراسة شاملة لمطابقة الجهد، ومطابقة التيار، وتنسيق I²t، وقدرة القطع. يتم تحديد التيار المقنن عادةً بما يتراوح بين 1.2 إلى 1.5 مرة من الحد الأقصى لتيار التشغيل للنظام، مع الأخذ في الاعتبار أيضًا انخفاض درجة الحرارة. علاوة على ذلك، في أنظمة الحماية- المتعددة المستويات، يجب ضمان التنسيق الانتقائي، مما يعني أنه يجب تشغيل الصمامات ذات المستوى الأدنى- أولاً.

 

فيما يتعلق باختيار الهيكل، يوصى باستخدام أنظمة الجهد العالي-باستخدام هيكل مكعب مع مواد سيراميكية عالية القوة-مثل سيراميك الألومينا لـ Bolted Connect EV Fuse لضمان الاستقرار الميكانيكي الممتاز وأداء العزل في ظل زيادات التيار العالية.

 

 

مع تطور أنظمة تخزين الطاقة نحو مستويات جهد أعلى (أعلى من 1500 فولت)، يتم وضع متطلبات أعلى على قدرة الإطفاء -القوسية وأداء المواد للصمامات. سوف تتطور المنتجات المستقبلية نحو قدرة كسر أعلى، والتصغير، والذكاء، مثل دمج وظائف الإشارة إلى الصمامات والمراقبة عن بعد.

 

على مستوى المواد، سيؤدي استخدام سيراميك الألومينا عالي النقاء-والهياكل الخزفية المركبة إلى تعزيز الأداء بشكل أكبر. أصبحت الهياكل مثل الأنبوب الخزفي لوصلة منصهر شاحن EV والجسم الخزفي لسلسلة الصمامات المسدودة تدريجيًا حلولًا رئيسية في مجال حماية التيار المستمر ذي الجهد العالي-.
 

 

 

باعتبارها جهاز حماية أساسي في أنظمة تخزين الطاقة، فإن أداء صمامات التيار المستمر يؤثر بشكل مباشر على سلامة واستقرار النظام. مع التطور السريع لصناعات السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة، يستمر الطلب على المكونات الهيكلية للصمامات ذات الموثوقية العالية وأداء العزل العالي في النمو.

 

ومن خلال التركيز على هذا الاتجاه، فإننا نركز على البحث والتطوير وتصنيع المكونات الهيكلية الخزفية عالية الأداء-، وتوفير حلول متعددة لسلسلة المنتجات، بما في ذلكجسم سيراميك منصهر EV، جسم سيراميكي لصمام السيارة الكهربائية، وجسم سيراميكي لصمام السيارة الكهربائية المساعد. من خلال الاستفادة من تقنية سيراميك الألومينا الناضجة وإمكانيات التصنيع الدقيقة، يمكنها توفير عزل مستقر وموثوق ودعم هيكلي لصمامات التيار المستمر ذات الجهد العالي-، مما يلبي متطلبات التطبيق الصارمة للطاقة الجديدة والمركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.