Во-первых, он должен обладать быстродействующими защитными характеристиками постоянного тока для быстрого прерывания сильных перегрузок и токов короткого замыкания. Во-вторых, он должен быть компактным, виброустойчивым, долговечным и конструктивно взаимозаменяемым. В-третьих, и это самое важное, но часто упускаемое из виду, материал трубки предохранителя должен обладать устойчивостью к высоким температурам и быть негорючим и негорючим.
Автомобильные высоковольтные предохранители работают в течение длительного времени в закрытых, ограниченных пространствах без эффективного охлаждения. Это особенно верно, когда они находятся в закрытой среде с высокой температурой с аккумуляторной батареей. Неправильный выбор материала может привести к термическому плавлению и возгоранию корпуса предохранителя. Как говорится, «то, что делает вас, может вас сломать». Чтобы обеспечить всестороннюю безопасность, правильный выбор автомобильных высоковольтных предохранителей должен быть выполнен с особой важностью и тщательным рассмотрением.
Почему предохранители являются стандартом для защиты аккумулятора электромобиля
Использование высоковольтных предохранителей для защиты от перегрузки по току в системах литиевых батарей в электромобилях, с одной стороны, основано на четких требованиях национального стандарта GB/T18384.1. Что еще более важно, это связано с тем, что когда в системе литиевой батареи происходит серьезная перегрузка или короткое замыкание, необходимы прочные и надежные «ворота» для отсечения и устранения чрезвычайно разрушительной энергии короткого замыкания, эффективно предотвращая эскалацию и распространение высоковольтных аварий с перегрузкой по току.
Из-за ограниченного пространства в транспортных средствах нецелесообразно устанавливать громоздкие и дорогие автоматические выключатели постоянного тока. Таким образом, использование компактных, относительно недорогих и легко устанавливаемых быстродействующих предохранителей постоянного тока в качестве основного защитного устройства для ограничения и прерывания аномальных электрических неисправностей стало признанным стандартом безопасности в индустрии электромобилей, как внутри страны, так и за рубежом.
Быстродействующий предохранитель постоянного тока содержит элемент из чистого серебра, сваренный внутри трубы, заполненной уплотненным кварцевым песком высокой чистоты. При нормальной работе собственное микроомное сопротивление предохранителя незначительно. Когда аккумуляторная система испытывает сильную перегрузку или ток короткого замыкания в несколько тысяч ампер, серебряный элемент и кварцевый песок работают вместе, чтобы завершить весь процесс «плавления-гашения-прерывания дуги» в течение миллисекунд, поглощая и рассеивая весь высоковольтный импульсный ток и высокоэнергетическое тепло внутри корпуса предохранителя.
Во время этого процесса трубка предохранителя должна выдерживать давление расширения 200-300 МПа, создаваемое внутренней высоковольтной дугой, а также лучистое тепло, превышающее 1000°С. Если материал трубки не обладает достаточной высокотемпературной механической прочностью, он разорвется, взорвется и выбросит дугу, что приведет к высокотемпературной карбонизации и горению.
Скрытая опасность: органические тела предохранителей
После 2014 года, в связи со значительным ростом производства электромобилей и увеличением энергетической емкости силовых аккумуляторов, фатальный недостаток использования органических материалов для корпусов предохранителей начал проявляться в различных инцидентах. Пользователи сообщали о многочисленных случаях возгорания корпуса предохранителя с использованием органических композитных трубок, в основном происходящих в процессе зарядки электрических автобусов с системами свыше 500 В.
Такие факторы, как превышение гарантийного срока службы батареи, использование органического материала для предохранителя, ослабленные проводящие винты или нахождение корпуса предохранителя слишком близко к металлической стенке корпуса, могут вызвать случайную электрическую дугу и возгорание. Ранее, из-за неполной информации с мест аварий и нежелания некоторых производителей транспортных средств и аккумуляторов раскрывать подробности, такие проблемы, как неконтролируемый перезаряд литиевых аккумуляторов, приводящий к утечке, короткое замыкание и неправильная установка предохранителей, не были глубоко изучены в качестве основных причин.
Почему корпус органического композитного предохранителя плавится и воспламеняется, в то время как внутренний серебряный элемент и кварцевый песок остаются в основном нетронутыми? Откуда взялся этот мощный всплеск короткого замыкания? Эти вопросы не только привели к длительной путанице и спорам между поставщиками и клиентами, но и вызвали общественные сомнения и беспокойство по поводу безопасности электромобилей на новых источниках энергии.
Углубленные исследования явления самовоспламенения органических тел предохранителей показали, что температура теплового искажения органических композиционных материалов обычно ниже 200°C. При длительной эксплуатации в закрытой высокотемпературной среде аккумуляторной батареи или высоковольтного бокса, особенно при установке в углу с плохой вентиляцией, материал подвергается значительному термическому старению. Это приводит к постепенному снижению как его механической, так и изоляционной прочности.
Неконтролируемый перезаряд особенно распространен в электробусах, заряжающихся при высоком напряжении (выше 500 В). Скачок короткого замыкания, вызванный утечкой батареи или поломкой конденсатора из-за перезарядки, может привести к обратному ходу реле и предохранителям, что приведет к быстрому скачку внутренней температуры. Это ускоряет деградацию органической трубки. Когда температура окружающей среды превышает температуру плавления материала, корпус предохранителя быстро карбонизируется, превращая исходный изоляционный слой в проводящий. Затем высоковольтный скачок образует внешнюю дуговую трассу вдоль стенки трубы, яростно сжигая органический материал и вызывая его самовоспламенение. Это, в свою очередь, приводит к воспламенению электрических кабелей внутри высоковольтного бокса, что приводит к полному возгоранию автомобиля. По словам очевидцев, весь процесс может занять всего несколько секунд, но разрушительная энергия поражает воображение.
<Последовательность отказа органического композитного предохранителя электромобиля>
<Последовательность отказа органического композитного предохранителя электромобиля>Эта теория была окончательно подтверждена отчетом о расследовании пожара в электробусе «4.26» в Шэньчжэне, опубликованным 9 августа 2015 года. Группа из 14 экспертов в области электромобилей, силовых аккумуляторов, электрики и зарядки пришла к выводу, что «авария была вызвана перезарядкой силовой батареи, что привело к утечке батареи, короткому замыканию и, в конечном итоге, к возгоранию». Это открытие раскрыло глубинную причину более ранних инцидентов с возгоранием корпуса предохранителя и служит жизненно важным уроком.
Почти во всех зарегистрированных случаях возгорания корпуса предохранителя на электробусах, вызванного коротким замыканием аккумулятора или разряда конденсатора, картина одна и та же: сверхвысокотемпературная дуга быстро распространяется по поверхности корпуса предохранителя, не только расплавляя медные выводы, но и способная прожечь 5-миллиметровую стальную пластину высоковольтной коробки. Это указывает на температуру, превышающую 1200°C. В такой среде органическая композитная трубка, рассчитанная всего на 200 °C, мгновенно сжигается. Хотя могут остаться остатки внутреннего элемента и песка, защитная функция предохранителя полностью утрачивается.
Таким образом, мы приходим к выводу, что до тех пор, пока BMS и системы управления зарядными сваями не могут достичь 100% эффективного контроля над ошибками перезаряда и переразряда литиевых аккумуляторов, использование органических композитных материалов для высоковольтных корпусов предохранителей не является научно обоснованным или безопасным решением.
Превосходное решение: 95% глиноземистой керамики
<Органический отказ предохранителя электромобиля до и после инцидента>
Всестороннее исследование безопасности, проведенное среди более чем 50 отечественных компаний по интеграции электромобилей и аккумуляторов, показало, что 97% пользователей одобрили вариант «негорючей трубки», а 64% конкретно одобрили «высокопрочные керамические трубки».
Основываясь на этом явном пользовательском предпочтении абсолютной безопасности, мы в GONGFU Fuse приняли решающее решение отказаться от органических композитных материалов, которые мы использовали в течение восьми лет. Вместо этого мы перешли на высокоизоляционную, устойчивую к высоким температурам и негорючую керамику из 95% глинозема (Al₂O₃ корунда) для наших корпусов предохранителей. Поскольку абсолютная безопасность электромобилей является нашей основной целью, мы внедрили эту модернизацию продукта на наших массовых производственных линиях.
Таблица 1: Сравнение эксплуатационных характеристик материалов корпуса автомобильных предохранителей
| Температура теплового искажения материала трубы (°C) | Прочность на изгиб (МПа) | Диэлектрическая прочность (KV/мм) | |
|---|---|---|---|
| Фенольная формованная трубка | 120-130 | 80 | 2 |
| Меламиновая ламинированная трубка | 150-180 | 180 | 6 |
| Трубка для намотки из эпоксидного стекловолокна | 120 | 290 | 10 |
| Керамическая трубка с содержанием 95% глинозема | 1650 | 280-320 | 22 |
Причина, по которой наши предохранители марки GFEFUSE, включая серии 5H20L, 5H30L, 5H38L, H10H, H14FE, H14FA, 7H30L, 7H38L, 10H30L и 10H38L, выбирают керамику, доказана тщательными испытаниями. Во время испытания на дуговую разрядку, в то время как клеммы предохранителя были повреждены дугой, трубка из керамики из 95% глинозема осталась полностью неповрежденной, выдержав суровые высокотемпературные испытания. Мы не видели случаев растрескивания, вспышки дуги или горения с нашими керамическими трубчатыми предохранителями, доказывая, что выбор высокопрочной керамики из 95% глинозема является правильным и рациональным решением для производства автомобильных высоковольтных предохранителей.
Недавние испытания в соответствии с обязательной сертификацией безопасности CCC в Китае показали, что автомобильный высоковольтный предохранитель 500 В/400 А завершает весь процесс прерывания дуги плавления всего за 7,22 миллисекунды при воздействии тока короткого замыкания 20 кА. Это полностью подтверждает, что предохранители на керамических трубках не только устойчивы к высоким температурам и негорючи, но и обладают исключительной производительностью, с ограничением по току 9,43 кА и временем гашения дуги 5,49 мс.
Заключительная рекомендация по безопасности
В связи с недавними инцидентами с возгоранием электромобилей Министерство промышленности и информационных технологий Китая выпустило уведомления о всестороннем расследовании угроз безопасности. Мы надеемся, что, прочитав эту статью, производители транспортных средств и аккумуляторов уделят большое внимание структуре материала и правильному выбору высоковольтных предохранителей во время их проверок безопасности. Не стоит считать, что простая установка любого предохранителя делает систему «застрахованной» и безопасной; Расследование должно начаться с того, чтобы убедиться, что сам взрыватель является «огнеупорным».
<Осциллограмма испытания на короткое замыкание керамического предохранителя CCC>
Мы также рекомендуем производителям аккумуляторов не устанавливать высоковольтные предохранители внутри аккумуляторного отсека. Гораздо лучше изолировать их в отдельном, независимом вольере. Это не только безопаснее, но и удобнее для осмотра и замены, избавляя от необходимости частой разборки основного аккумуляторного блока. В конце концов, как только электромобили будут продаваться в больших количествах, люди, заменяющие эти расходные материалы, часто будут непрофессионалами.
О компании DONGGUAN GONGFU ELECTRONICS CO., LTD.
Являясь специализированным разработчиком и проектировщиком, GONGFU Electronics предлагает универсальные решения для предохранителей, держателей предохранителей, автомобильных предохранителей, автомобильных держателей предохранителей, предохранителей постоянного тока, фотоэлектрических предохранителей и предохранителей накопителей энергии.