Sicherheitsauswahl von Hochspannungssicherungen für Fahrzeuge mit neuer Energie: Schlüsseltechnologien für Keramikrohrkörper, Gleichstromlichtbogenlöschung und Installationsdesign

Da sich das Energiebatteriesystem von Fahrzeugen mit neuer Energie in Richtung hoher Spannung, großer Kapazität und hoher Leistung entwickelt, ist die elektrische Hochspannungssicherheit zu einem wichtigen Thema bei der Konstruktion des Fahrzeugs und des Batteriesystems geworden. Als wichtiges Überstromschutzgerät im Stromkreis der Batterie muss die Hochspannungssicherung den Fehlerstrom unter ungewöhnlichen Bedingungen wie Kurzschluss und schwerer Überlastung schnell unterbrechen und die Ausbreitung der Fehlerenergie durch eine zuverlässige Lichtbogenlöschstruktur begrenzen. Daher stehen Nennspannung, Nennstrom, Ausschaltvermögen, Lichtbogenlöschleistung, Isolierung und Hitzebeständigkeit der Sicherung in direktem Zusammenhang mit der Sicherheit des Hochspannungssystems.

 

Anders als herkömmliche Nieder{0}}-Stromkreise geben neue Energiefahrzeugbatterien Hoch--Spannungsgleichstrom ab. Es gibt keinen natürlichen Nulldurchgangspunkt für Gleichstrom und der Lichtbogen kann sich nach einem Kurzschluss nicht einfach selbst löschen. Daher müssen Hochspannungs-Gleichstromsicherungen über spezielle Strombegrenzungs- und Lichtbogenlöschfunktionen verfügen. Wenn im Leistungsbatteriesystem ein schwerwiegender Kurzschluss auftritt, muss die Sicherung die Schmelzsicherung, die Lichtbogenkontrolle und die Stromabschaltung in sehr kurzer Zeit durchführen, um weitere Schäden an der Batterie, den Relais, Anschlüssen und anderen Hochspannungskomponenten durch den Fehlerstrom zu vermeiden.

 

 

 

Leistungsbatterien bestehen in der Regel aus einer großen Anzahl einzelner Zellen, die in Reihe und parallel zu einem Batteriepaket verbunden sind, und ihre Energiespeicherkapazität und Kurzschlussenergie sind viel höher als bei gewöhnlichen Niederspannungssystemen. Tritt im Hauptstromkreis ein Kurzschluss auf, kann der Fehlerstrom innerhalb kürzester Zeit stark ansteigen. Ohne zuverlässigen Überstromschutz kann die durch abnormale Ströme erzeugte Wärme zu einer Überhitzung der Leiter, Schäden an Isoliermaterialien und sogar zu schwerwiegenderen thermischen Sicherheitsunfällen führen.

 

Hochspannungssicherungen werden normalerweise im Hauptstromkreis der Leistungsbatterie, im Ladestromkreis oder an anderen Orten installiert, die eine Hochenergie-Fehlerisolierung erfordern. Wenn eine starke Überlastung oder ein Kurzschlussstrom erkannt wird, erreicht die Schmelze durch ihre eigene Erwärmung den Schmelzzustand und nutzt das interne Lichtbogenlöschmedium, um den Lichtbogen zu begrenzen, wodurch die Fehlerstromabschaltung innerhalb der angegebenen Zeit abgeschlossen wird.

 

Daher handelt es sich bei der Sicherung nicht um eine „Sicherung“ im einfachen Sinne, sondern um eine aktive Fehlerisolationskomponente im Hochspannungssystem von New-Energy-Fahrzeugen. Bei seinem Design müssen sowohl der Betrieb bei geringem Stromverbrauch unter normalen Arbeitsbedingungen als auch die Abschaltfähigkeit bei hoher Energie unter Fehlerbedingungen berücksichtigt werden.

 

In tatsächlichen Produkten müssen Strukturen wie der Keramikkörper von EV Fuse normalerweise mechanische Festigkeit, Isolationsleistung, Hitzebeständigkeit und Innendruckbeständigkeit berücksichtigen. Insbesondere bei Hochspannungs- und Hochstromanwendungen hat die Wahl des Rohrmaterials direkten Einfluss auf die Sicherheitsmarge der Sicherung.

 

 

Hochspannungssicherungen bestehen normalerweise aus einer Schmelze, einem Rohrkörper, einem lichtbogenlöschenden Füllmaterial, einer Endkappe und einer Verbindungsstruktur. Während des normalen Betriebs lässt die Schmelze den Betriebsstrom innerhalb des angegebenen Bereichs weiter durch, und ihr eigener Leistungsverlust sollte innerhalb eines angemessenen Bereichs kontrolliert werden.

 

Wenn der Stromkreis stark überlastet oder kurzgeschlossen ist, steigt die lokale Temperatur der Schmelze schnell an und es kommt zu einer Sicherung.

 

Nach dem Aufbrechen der Schmelze kann im Stromkreis noch eine hohe Lichtbogenenergie vorhanden sein. Bei Gleichstromsystemen kann der Lichtbogen nicht durch den natürlichen Nulldurchgang des Wechselstroms gelöscht werden. Daher ist es notwendig, Energie zu absorbieren, die Lichtbogentemperatur zu senken und den Lichtbogenkanal durch lichtbogenlöschende Materialien zu begrenzen.

 

Körnige Lichtbogen--Löschmittel wie Quarzsand können während des Schmelzvorgangs eine große Wärmemenge absorbieren und dabei helfen, ein Schmelzprodukt mit hoher Isolationsstärke zu bilden, wodurch die endgültige galvanische Trennung abgeschlossen wird.

 

Dabei übernimmt der Rohrkörper nicht nur die Rolle des mechanischen Trägers, sondern muss auch den hohen Temperaturen und dem Innendruck standhalten, die beim Schmelzvorgang entstehen. Wenn die mechanische Festigkeit, Hitzebeständigkeit oder Isolationsleistung des Rohrkörpers unzureichend ist, kann es zu Problemen wie Rohrbruch, äußerer Lichtbogenbildung oder Isolationsversagen kommen, selbst wenn die Schmelze selbst normal funktionieren kann.

 

Daher kann sich das Materialdesign des Keramikkörpers für EV-Sicherungen nicht nur auf die mechanischen Eigenschaften bei normaler Temperatur konzentrieren, sondern muss auch die umfassenden Auswirkungen von augenblicklichen hohen Temperaturen, hoher Spannung und Lichtbogeneinwirkung während des Kurzschlussunterbrechungsprozesses berücksichtigen.

 

 

Hochspannungssicherungen werden in Fahrzeugen mit neuer Energie normalerweise in Batteriekästen, Hochspannungsverteilerkästen oder anderen Orten mit begrenztem Platz eingebaut. Aufgrund des hohen Integrationsgrads in diesen Bereichen wirken sich die Wärmeableitungsbedingungen, der Installationsabstand und die umgebenden Materialien auf den Betriebszustand der Sicherung aus.

 

Wenn die Sicherung längere Zeit einer Umgebung mit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, muss das Rohrmaterial eine gute thermische Stabilität aufweisen. Wenn das Material unter anhaltender thermischer Belastung weich wird, altert, sich verformt oder seine Isoliereigenschaften verschlechtert, kann sich der Sicherheitsspielraum der gesamten Sicherung verringern.

 

Während einer Störungsunterbrechung sind die lokalen Temperaturen viel höher als die normalen Betriebstemperaturen, daher müssen die Materialien nicht nur den kontinuierlichen Betriebstemperaturen, sondern auch kurzfristigen extremen Temperaturschocks standhalten können. Dies ist besonders wichtig für Fahrzeuge mit neuer Energie, da der Fehlerstrom des Leistungsbatteriesystems ein hohes Energieniveau haben kann.

 

Keramische Materialien weisen eine hohe Hitzebeständigkeit und elektrische Isolationseigenschaften auf und werden daher häufig im Rohrkörper und in der Isolationsstruktur von Hochspannungssicherungen verwendet. Für Hochspannungssicherungen im Automobilbereich kann Aluminiumoxid-Keramikrohr für Hochspannungs-EV-Sicherung eine bessere Gesamtleistung zwischen Isolierung, Hitzebeständigkeit und mechanischer Stabilität bieten.

 

 

 

Aluminiumoxidkeramik ist eine gängige Art von elektrisch isolierendem Keramikmaterial mit hohem Isolationswiderstand, Hitzebeständigkeit und mechanischer Festigkeit. In Hochspannungssicherungen kann Aluminiumoxidkeramik zur Bildung eines stabilen Isolierrohrkörpers verwendet werden, der einen zuverlässig geschlossenen Raum für die interne Schmelze und das Lichtbogenlöschmedium bietet.

 

Im Vergleich zu einigen organischen Isoliermaterialien weisen Aluminiumoxidkeramiken unter Hochtemperaturbedingungen eine bessere Dimensionsstabilität auf und werden nicht so leicht weich und brennen wie brennbare Polymere. Daher haben Keramikrohrkörper im Hochspannungssystem von New-Energy-Fahrzeugen mit hohen Brandschutzanforderungen gewisse strukturelle Vorteile.

 

Für Sicherungen unterschiedlicher Spannungsebene ist eine umfassende Auslegung erforderlich, die auf Faktoren wie elektrischem Abstand, Isolationsstärke, mechanischer Festigkeit, Rohrgröße und Innendruck basiert. Die spezifischen Spezifikationen des Aluminiumoxid-Keramikrohrs für elektrische Kfz-Sicherung müssen mit der Schmelzstruktur und den Ausschaltparametern der gesamten Sicherung übereinstimmen und können nicht allein anhand der Rohrgröße ausgewählt werden.

 

 

 

Bei der Auswahl einer Hochspannungssicherung müssen Sie zunächst die maximale Betriebsspannung des Systems ermitteln. Die Nennspannung der Sicherung sollte in der Lage sein, die maximale Betriebsspannung des Leistungsbatteriesystems abzudecken und einen angemessenen Spielraum für Normalbetrieb und Übergangsbedingungen zu lassen.

 

Als nächstes kommt der Nennstrom. Der Nennstrom wird nicht einfach anhand des maximalen Dauerarbeitsstroms des Fahrzeugs ausgewählt. Es muss außerdem umfassend auf der Grundlage der Umgebungstemperatur, der Installationsmethode, der Wärmeableitungsbedingungen, der kontinuierlichen Arbeitszeit und der Stromschwankungen bewertet werden. Ein zu kleiner Nennstrom kann im Normalbetrieb zu häufiger Erwärmung oder sogar falschen Sicherungen führen, während ein zu großer Nennstrom die Fehlerschutzgeschwindigkeit verringern kann.

 

Auch das Ausschaltvermögen ist ein wichtiger Indikator für Hochspannungs-Gleichstromsicherungen. Entwickler müssen bestätigen, dass die Sicherung den Fehlerstrom innerhalb des angegebenen Bereichs sicher unterbrechen kann, basierend auf dem maximalen Kurzschlussstrom der Leistungsbatterie, der Systemimpedanz und der Struktur des Fehlerstromkreises.

 

Darüber hinaus ist auch auf die zeit-aktuellen Eigenschaften zu achten. Die Schmelzgeschwindigkeiten verschiedener Sicherungen sind nicht genau gleich und müssen entsprechend den Systemanforderungen für Kurzschlussschutz, Überlastschutz und Gerätekoordinationsschutz ausgewählt werden.

 

 

Das Leistungsbatteriesystem kann zwei anormalen Zuständen ausgesetzt sein: Überlastung und Kurzschluss gleichzeitig. Eine Überlastung äußert sich in der Regel dadurch, dass der Betriebsstrom weiterhin den normalen Auslegungsbereich überschreitet, der Fehlerstrom jedoch relativ langsam ansteigt; Ein Kurzschluss kann dazu führen, dass der Strom in sehr kurzer Zeit schnell einen hohen Wert erreicht.

 

Für unterschiedliche Fehlerarten müssen Sicherungen durch unterschiedliche Sicherungskonstruktionen entsprechende Schutzeigenschaften erreichen. Daher muss die Produktstruktur, die dem Keramikkörper für Überlast- und Kurzschlussschutzsicherungen entspricht, zusammen mit der Schmelze, dem Füllstoff und dem Nennausschaltvermögen entworfen werden.

 

Für Hochspannungssysteme neuer Energiefahrzeuge müssen Sicherungen auch eine koordinierte Schutzbeziehung mit Schützen, Vorladeschaltungen, BMS und Hochspannungsverteilungssystemen eingehen. Die Verbesserung der Schutzfähigkeit eines bestimmten Geräts allein kann nicht die Schutzstrategie des gesamten Hochspannungssystems ersetzen.

 

 

Eine zentrale technische Schwierigkeit von Hochspannungs-Gleichstromsicherungen ist die Lichtbogenkontrolle. Nach dem Schmelzen der Schmelze kann sich zwischen den beiden Brüchen ein Hochtemperaturbogen bilden. Bleibt der Lichtbogen bestehen, kann keine wirkliche elektrische Trennung erreicht werden.

 

Der lichtbogenlöschende Füllstoff und die Rohrstruktur bestimmen gemeinsam den Abkühlungs-, Segmentierungs- und Entionisierungsprozess des Lichtbogens. Der stabile Keramikrohrkörper kann die Integrität der inneren Struktur während des Schmelzvorgangs aufrechterhalten und bietet so einen geschlossenen und stabilen Raum für den Lichtbogenlöschvorgang.

 

Bei DC-Autosicherungen muss die von Ceramic for DC Automotive Fuses verwendete Keramikstruktur normalerweise auf der Grundlage von Spannung, Strom, Ausschaltvermögen und Innendruck angepasst und ausgelegt werden. Die Isolationsleistung des Materials ist nur die Grundlage und das eigentliche Produkt muss noch durch einen vollständigen Kurzschlusstest überprüft werden.

 

 

Das Hochspannungssystem von New-Energy-Fahrzeugen verfügt normalerweise über eine hohe Gleichspannung. Daher muss die Sicherung neben dem Überstromschutz auch unter normalen Arbeitsbedingungen und nach dem Absichern eine ausreichende Isolationsfähigkeit aufrechterhalten.

 

Beim Isolationsdesign geht es um die Durchschlagsfestigkeit des Materials selbst sowie um Kriechstrecken, elektrische Abstände, Endstrukturen und die Installationsumgebung. Wenn sich die Hochspannungssicherung zu nahe an der umgebenden Metallstruktur befindet oder wenn sich auf der Oberfläche Verschmutzung oder Kondensation befindet, kann sich der tatsächliche Isolationsspielraum verringern.

 

Für isolierende Keramikstrukturen, wie z. B. geschmolzene elektrische Steatit-Keramikkörper, müssen das Materialsystem und die Strukturabmessungen auf der Grundlage spezifischer Spannungsniveaus und Umgebungsbedingungen bestimmt werden. Fahrzeuge mit neuer Energie werden während des tatsächlichen Betriebs auch Temperaturschwankungen, Feuchtigkeitsschwankungen, mechanischen Vibrationen und Straßenstößen ausgesetzt sein, daher muss die Isolationsstruktur über eine langfristige Stabilität verfügen.

 

 

 

Neben der Leistung der Sicherung selbst hat auch der Einbauort Einfluss auf die Anlagensicherheit. Hochspannungssicherungen sollten an überfüllten Standorten vermieden werden, da dort die Wärmeableitung extrem schlecht ist oder sie anfällig für mechanische Beschädigungen sind.

 

Befindet sich der Installationsraum in der Nähe einer starken Wärmequelle der Leistungsbatterie, müssen Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Luftstrom bewertet werden. Bei Bauwerken, die gewartet und ausgetauscht werden müssen, sollten auch der Betriebsraum für das Wartungspersonal und die Anforderungen an die Hochspannungssicherheitsisolierung vollständig berücksichtigt werden.

 

In Hochspannungs-Stromverteilungssystemen müssen Sicherungen normalerweise zusammen mit Schützen, Relais, Sammelschienen und Anschlussklemmen ausgelegt werden. Bei Rohrstrukturen wie Keramikgehäusen für Sicherungseinsätze beeinflusst der umgebende Raum nicht nur die Wärmeableitung, sondern hängt auch mit dem Sicherheitsabstand unter Fehlerbedingungen zusammen.
 

 

Die Überprüfung von Hochspannungssicherungen für New-Energy-Fahrzeuge sollte sowohl den normalen Betrieb als auch anormale Arbeitsbedingungen abdecken. Unter normalen Arbeitsbedingungen muss auf Temperaturanstieg, Dauerstrombelastbarkeit, Widerstandsstabilität und Isolationsleistung geachtet werden. Unter anormalen Arbeitsbedingungen ist es notwendig, sich auf die Überprüfung von Überlast, Kurzschluss, Ausschaltvermögen und der Fähigkeit, extremen Strömen standzuhalten, zu konzentrieren.

 

Darüber hinaus muss eine Bewertung der Umweltzuverlässigkeit auf der Grundlage der tatsächlichen Einsatzumgebung von Fahrzeugen mit neuer Energie durchgeführt werden, einschließlich Tests wie Hoch- und Niedrigtemperaturzyklen, Hitze und Feuchtigkeit, Vibration, mechanischer Schock und Langzeitbestromung.

 

Bei Produkten, die Aluminiumoxid-Keramikrohrkörper verwenden, muss auch auf die Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität, mechanische Festigkeit und Montagezuverlässigkeit der Keramik selbst mit den Endmetallteilen geachtet werden. Die Materialparameter des Al2O3-Aluminiumoxid-Keramikrohrs für Hochspannungssicherungen können das Sicherheitsniveau des Produkts nur dann wirklich widerspiegeln, wenn sie zusammen mit der gesamten Sicherungsstruktur überprüft werden.
 

 

Da die Spannungsplattform von Energiebatterien weiter zunimmt, entwickeln sich Hochspannungssysteme nach und nach von der traditionellen Plattform mit Hunderten von Volt hin zu höheren Spannungsniveaus. Eine höhere Systemspannung kann bei gleicher Leistung den Betriebsstrom reduzieren und dadurch Leiterverluste in Kabelbäumen und Sammelschienen reduzieren, stellt aber gleichzeitig auch höhere Anforderungen an Isolierung, Lichtbogenlöschung und Fehlerschutz.

 

Eine der zukünftigen Entwicklungsrichtungen von Hochspannungssicherungen ist Miniaturisierung und hohe Leistungsdichte. Der begrenzte Einbauraum im Fahrzeug erfordert eine weitere Reduzierung der Größe der Sicherung bei gleichzeitiger Beibehaltung ihres Ausschaltvermögens und einer Verbesserung ihrer Fehlerenergiebewältigungskapazität pro Volumeneinheit.

 

Eine weitere wichtige Richtung ist die Materialoptimierung. Aluminiumoxidkeramik-Isolatorrohre für Sicherungen erfordern ein Gleichgewicht zwischen Durchschlagsfestigkeit, thermischer Stabilität, mechanischer Festigkeit und Verarbeitungskonsistenz. Mit zunehmender Standardisierung neuer Energiefahrzeugplattformen werden auch die Maßhaltigkeit und die Chargenkonsistenz von Keramikrohrkörpern zu wichtigen Fertigungsindikatoren.

 

Darüber hinaus wird die Integration von Sicherungen und Hochspannungs-Stromverteilungssystemen weiter zunehmen. Zukünftige Hochspannungsschutzlösungen müssen nicht nur die Leistung der einzelnen Sicherungen berücksichtigen, sondern erfordern auch eine Koordination auf Systemebene mit Schützen, Vorladeschaltungen, BMS, Hochspannungsanschlüssen und Sammelschienen.

 

 

Aus sicherheitstechnischer Sicht sollte das Material des Hochspannungs-Sicherungsröhrenkörpers mindestens mehrere grundlegende Anforderungen erfüllen: Es verfügt über ausreichende mechanische Festigkeit, um dem durch den Bruchvorgang erzeugten Innendruck standzuhalten; Es verfügt über eine stabile Isolationsleistung, um die langfristigen Betriebsanforderungen des Hochspannungssystems zu erfüllen. Es verfügt über eine gute Hitzebeständigkeit, um die strukturelle Stabilität in Umgebungen mit ungewöhnlich hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Es sollte außerdem eine gute Dimensionskonsistenz aufweisen, um eine genaue Montagebeziehung zwischen Schmelze, Füllstoff und Endstruktur sicherzustellen.

 

Für Hochspannungsanwendungen in Fahrzeugen mit neuer Energie ist das 95 % Aluminiumoxid-Keramikrohr für Hochspannungssicherungen eine repräsentative Lösung aus Keramikrohrmaterialien.

 

Die tatsächliche Anwendung muss noch anhand der spezifischen Nennspannung, des Nennstroms, des Kurzschlussstroms und der mechanischen Struktur der Sicherung überprüft werden.

 

Für verschiedene Arten von Hilfsstromkreisen gibt es auch Unterschiede in der Größe und den Schutzparametern der Sicherungen. Beispielsweise eignen sich Zusatzsicherungen für Elektrofahrzeuge mit Keramikkörper besser für die Anpassung basierend auf dem Betriebsstrom, der Nennspannung, dem Installationsraum und anderen Bedingungen des Zusatzstromkreises, als einfach die Entwurfsparameter des Hauptstromkreises der Leistungsbatterie anzuwenden.

 

 

 

Die Sicherheit von Hochspannungssicherungen für neue Energiefahrzeuge wird nicht durch einen einzelnen Parameter bestimmt, sondern durch das Schmelzdesign, das Lichtbogenlöschmedium, das Rohrmaterial, die Endstruktur, die Installationsmethode und die Strategie zum Schutz des Hochspannungssystems.

 

In Hochspannungs-Gleichstromsystemen müssen Sicherungen die Energie nach Auftreten eines Fehlers schnell begrenzen und gleichzeitig sicherstellen, dass der beim Abschaltvorgang erzeugte Lichtbogen keine Sekundärschäden an umliegenden Strukturen verursacht. Daher ist ein gemeinsames Design zwischen Materialien, strukturellen und elektrischen Parametern erforderlich.

 

Für Hochspannungs--Automobilanwendungen,Aluminiumoxid-Keramikröhre für Hochspannung-Automobilsicherungenübernimmt nicht nur die Isolations- und mechanischen Stützfunktionen, sondern ist auch am gesamten Energiesteuerungsprozess bei Sicherungsausfall beteiligt. Mit der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge hin zu Hochspannung, hoher Leistung und hoher Integration wird die Bedeutung dieses Designkonzepts auf Systemebene weiter zunehmen.

 

Insgesamt sollte sich die Auswahl von Hochspannungssicherungen nicht nur auf die beiden grundlegenden Parameter Nennspannung und Nennstrom konzentrieren, sondern auch den maximalen Kurzschlussstrom, die Zeit-Stromeigenschaften, das Ausschaltvermögen, die Umgebungstemperatur, den Isolationsabstand, den Installationsort und die Wartung berücksichtigen.