توسط مارکوس بِک، Sensata technologies
در سیستم باتری‌های پیشرفته خودرو برقی، کیفیت انرژی الکترونیک به تعیین کیفیت محصول نهایی، سطح عملکرد آن و اعتبار آن قابل اعتماد بودن آن کمک می‌کند. این امر در جدیدترین سیستم‌های مدیریت و شارژ باتری که از نیمه هادی‌های پهنای باند و توپولوژی‌های قدرت پیشرفته استفاده می‌کنند، تأکید شده است. در چنین سیستم الکترونیکی پیشرفته‌ای، اگر سیستم‌های ایمنی به سرعت و با اطمینان کار نکنند، کل سیستم باتری می‌تواند دچار یک خرابی فاجعه بار شود که می‌تواند محصول و کاربرد آن را به طور جدی تحت تأثیر قرار دهد.
تقاضا برای سیستم‌های ذخیره انرژی بهبود یافته
تقریباً هر فضای برنامه پیشرفته که در حال توسعه است، نیاز به سیستم‌های باتری نسل جدید دارد. سیستم‌های انرژی سطح شبکه هوشمند به اندازه وسایل نقلیه الکتریکی پیشرفته، نیاز به ذخیره انرژی زیاد دارند، و این نیازها به معنای واقعی کلمه به هم متصل هستند. هر فضا الزامات خاص خود را دارد ، اما نیاز اصلی، ذخیره انرژی ایمنی، قابل اعتماد بودن و ذخیره انرژی اقتصادی است.
در فضاهای کاربردی حیاتی مانند ایمنی خودرو، زیر سیستم‌های بدون خطر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. سیستم باتری در یک خودروی الکتریکی شبیه به مخزن بنزین در یک وسیله نقلیه سوختی است، که انرژی ذخیره شده در آن باید امن باشد. در باتری مدرن انرژی زیادی وجود دارد و قطعاً خرابی فاجعه آمیز می‌تواند باعث فرار حرارتی (آتش‌سوزی) شود. افزایش روز افزون تبلیغات حول محور آتش‌سوزی در خودروهای برقی باعث جلب توجه هرچه بیشتر به این خطر شده است، به همین دلیل باید نگرانی‌های ایمنی عمومی شوند تا از تأثیرات مغایر در پذیرش عمومی خودروهای برقی کاسته شود.
تراکم سلول بالاتر در سیستم های باتری پیشرفته، نیازمند پروتکل‌ها و دستگاه‌های ایمنی مناسبی است، زیرا سطح قدرت درگیر در هنگام کنترل مدارهای کوتاه چالشی بسیار مهم است. تولیدکنندگان برای ایجاد یک سیستم تضمین شده و قابل اعتماد باید اجزایی با کارایی بالا را در طرح‌های خود ادغام کنند، زیرا یک سیستم مستحکم و ایمن به تضمین قابلیت اعتماد یک وسیله نقلیه در طول عمرش کمک خواهد کرد.
نقش فیوزها و کنتاکتورها
فیوزها یا دستگاه‌های مشابه، به اجزای حفاظت مدار نیازمند هستند که در صورت اتصال کوتاه با شکستن خط در شرایط خاص از سیستم محافظت می‌کنند و در خودرو برقی نیر کاربرد دارند. فیوزها انواع مختلفی دارند، اما عنصر اصلی در هر قطعه از کنداکتور مهندسی شده، معمولا فلزی است که به صورت کنترل شده و تحت شرایط دمای خط بالا توسط یک اتصال کوتاه دارای درجه شکست (ذوب) می‌شود.
اما این پاسخ اشکالاتی نیز دارد؛ مهم‌ترین آن‌ها این است که یک مدار قدرت تحت بار لزوما جریان مداوم ندارد. در طرح‌هایی که پالس‌هایی با قدرت بالا احتیاج دارند، طیف گسترده‌ای از جریان، استفاده از فیوز با جریان بالاتر را برای برطرف شدن مزاحمت، هدایت می‌کند اما این باعث می‌شود سیستم در برابر گرمای بیش از حد و مسائل حرارتی آسیب پذیر باشد. این و جنبه غیرقابل برگشت فیوزها منجر به افزایش استفاده از وسایل ایمنی الکترومکانیکی مانند قطع کننده‌های مدار شده است که می‌توانند مجدداً تنظیم شوند زیرا آن‌ها برای عملکرد به عناصر مخرب متکی نیستند.
کنتاکتور نوعی دیگر از محافظت کننده‌های الکترومکانیکی است، اما با قطع کننده مدار یک تفاوت عمده دارد؛ کنتاکتور قرار نیست جریان کوتاه را قطع کند. کنتاکتورها برای اتصال مستقیم به بارهای با جریان بالا طراحی شده‌اند، آن‌ها دستگاه‌های سوئیچینگ با قدرت بالا هستند که توسط یک کنترل خارجی اداره می شوند. کنتاکتورهای برق در شرایطی که نیاز به تنظیم مجدد جریان و سطح بالای جریان است ترجیح داده می‌شوند. اگرچه در عمل به رله‌ها مشابه هستند اما کنتاکتورها در استحکام و ویژگی‌های موجود برای کنترل و سرکوب قوس‌های ایجاد شده هنگام تعویض متفاوت هستند.
وقتی موضوع سیستم باتری‌ها مطرح می‌شود، کنتاکتورهای ولتاژ بالا تداوم مدار ایمن را در خودروهای هیبریدی و برقی و همچنین در سیستم‌های شارژ و کاربردهای صنعتی پر قدرت فراهم می کنند. این نوع کنتاکتورها می‌توانند به سرعت و ایمن مدار را متصل و یا دوباره متصل کنند، و موقعیت‌های کمان و نفوذ را کنترل کنند. به عنوان مثال؛ در خودروهای برقی، کنتاکتورهای باز معمولا بسته باتری را به به صورت ایمن به سیستم وصل می‌کنند، و در هنگامی که وسیله نقلیه بلا استفاده است از هم جدا می‌کند.
راه حلی سریعتر و دقیق‌تر
چندین راه حل محافظت از مدار وجود دارد که می‌تواند یک مدار را سریعتر از فیوز باز کند و این محافظت را نزدیک‌تر به شرایط کار عادی و بدون ایجاد مزاحمت انجام دهد، در نتیجه احتمال آسیب کم‌تری نسبت به فیوز حرارتی دارد. یکی از چنین راه حل‌هایی در خودرو برقی، محصول گیگافیوز از برند تجاری Sensata Technologies’ GIGAVAC است، که یک دستگاه الکترومکانیکی محکم و بدون درز با سرعت عمل بالا با تولید حرارت بسیار پایین است که امکان عبور مدار را در جریانهای دقیق فراهم می‌کند و دارای طرحی است که بطور قابل توجهی مقاومت را کاهش می‌دهد، پیری حرارتی را از بین می‌برد و بهره‌وری سیستم را افزایش می‌دهد.
گیگافیوز از برند تجاری Sensata Technologies’s GIGAVAC وسیله‌ای است با سرعت بالا که مدار را در جریانهای دقیق و مشخص قطع می‌کند.
در هر دو ترکیب منفعل و منفعل/فعال، این دستگاه از میدان مغناطیسی جریان، نیروی لورنتز، برای راه انداختن دستگاه/باز کردن دستگاه استفاده می‌کند. شکل زیر نمونه‌ای از نحوه عملکرد گیگافیوز را نشان می‌دهد. خط آبی که نمایانگر آستانه تحریک است، در شکل نشان داده شده است که دستگاه می‌تواند مدار را سریعتر از فیوز و به شرایط عملیاتی مطلوب نزدیک کند. مسیر آستانه‌های تحریک را می‌توان بر اساس ساخت دستگاه برش مدار تنظیم کرد.
فیوزهایی که گرمای کمی را در عملیات تولید می‌کنند، از پیری حرارتی و مزاحمت‌های ناشی از چرخه گرم/سرد مصون هستند. چنین چرخه‌های دما با گذشت زمان می‌تواند باعث شود که فلز رسانا در فیوزها شکننده شود و با به خطر انداختن یکپارچگی فیزیکی اتصال، عمر عملیاتی را کاهش دهد. مهندسان باید بدون در نظر گرفتن دمای محیط، فیوزهایی با زمان دقیق و ثابت را معین کنند. این ویژگی‌ها به کاربر نهایی اجازه می‌دهد تا یک مدار ایمن را طراحی کند و در عین حال نیازهای اجرایی کنتاکتور را نیز کاهش دهد.
این نمودار چگونگی راه حل‌های محافظت از مدارهایی مانند GigaFuse GIGAVAC را نشان می‌دهد؛ با خط آبی که نمایانگر آستانه تحریک است که دستگاه می‌تواند مدار را سریعتر از فیوز به شرایط عملیاتی و اجرایی مطلوب نزدیک کند.
انتخاب مناسب فیوز همچنین برای خودرو برقی می‌تواند عملکرد کنتاکتور در مدار را بهبود بخشد. در واقع کنتاکتوری که با فیوز اشتباه جفت شده است، می‌تواند فیوز را از عملکرد مطلوب خود دور کند. با تماس گرفتن کنتاکتور، مقداری از انرژی لازم برای فعال کردن فیوز را از بین می‌برد و جریان را روی کنتاکتور بار می کند. یک کنتاکتور بارگذاری شده می‌تواند فیوز را از دیدن جریانهای کوتاه منع کند، که می‌تواند منجر به خرابی فاجعه باری شود.
حرکت به جلو
توانایی دستگاه‌های محافظ الکتریکی برای پرداختن به ایمنی مدار در سیستم‌های پر قدرت، محدود به باتری‌های پیشرفته نیست. بسیاری از برنامه ها، از کنترل حرکت گرفته تا تولید انرژی متناوب، می‌توانند از راندمان، عملکرد حرارتی و سرعت چنین مؤلفه‌ای بهره‌مند شوند. این نوع دستگاه الکترومکانیکی با سرعت عمل بالا و محکم به ویژه در شرایطی که پیری حرارتی و مزاحمت‌های جریان که مشکل ساز هستند، بسیار مفید است.
سیستم‌های باتری پیشرفته به دلایل مختلف از افزایش ایمنی و عملکرد باتری گرفته تا تشویق پذیرش بیشتر بازار از خوردوهای الکتریکی، نیاز به راه حل‌های پیشرفته برای محافظت در مدار دارند. سطح بالای جریان و تراکم نیرو نیز در سیستم‌های باتری نسل جدید به همان اندازه نیاز به اجزای ایمنی با کارایی بالا دارند. راه حل های محافظت از مدار مانند GigaFuse به طراحان این امکان را می‌دهد تا سطح حفاظت لازم را برای سیستم‌های باتری پیشرفته امروز و آینده فراهم کنند.
مقاله بسیار جالب و کاربردی بود. بسیار ممنون