EV ve Enerji Depolama Sistemleri için Yüksek Gerilim DC Kontaktörünün Boyutlandırılması

Elektrikli araçların ve enerji depolama teknolojisinin popülaritesinin artmasıyla birlikte, verimli EV şarjı ve enerji depolama çözümlerine olan talep de buna paralel olarak artıyor. DC hızlı şarj cihazının önemli bir unsuru yüksek voltajlı DC kontaktörüdür. Uygun bir yüksek gerilim DC kontaktörünün seçilmesi, güç aktarımının güvenli ve verimli olmasını sağlamaya yardımcı olur.

Bu kılavuzda, yüksek gerilim DC kontaktörünü boyutlandırırken dikkate almanız gereken faktörleri tartışacağız.

Yüksek Gerilim DC Kontaktörü Ne Yapar?

DC kontaktörü, pil takımınız ile yük (EV sürücü invertörü veya sabit bir depolama rafındaki bir PCS) arasındaki güç akışında kullanılır. Devreyi açıp kapatabilmesi gerektiği açıktır. Bunu yapmanın fiziği, DC kontaktörünü zorlaştıran şeydir.

Bir AC devresinde akım saniyede 100 veya 120 kez sıfıra gider, böylece arkın sönmesi için doğal fırsatlar sağlanır. DC akımıyla bu gerçekleşmez. Bir DC devresindeki ayırıcı kontaklar arasında oluşan bir ark, bazı harici kuvvetler (manyetik patlama, kontak geometrisi ve hatta kontaktörün kendisinin kesintiye uğrayan tasarımı) onu sistemden çıkarana kadar açık kalır. Bu nedenle DC kontaktörünün yeteneklerini tanımlamak için yalnızca AC akım değerini kullanamazsınız.

Tipik bir EV veya ESS mimarisinde genellikle üç kontaktör rolü görürsünüz:

• Ana pozitif ve negatif kontaktörler: Bu, tüm paket akımını taşıyan ve akü için birincil izolasyon görevi gören bir dizi kontaktördür.

• Ön şarj kontaktörü: Kapasitif bir yüke ilk kapanma sırasında ana kontaktöre gelen ani akımı kontrol etmek için normalde bir dirençle birlikte kullanılan düşük değerli bir kontaktör.

• Hızlı şarj veya yardımcı kontaktörler: Ek bir akım yolunun bağımsız olarak değiştirilmesi gereken EV ve hibrit ESS sistemlerinde bulunur.

DC kontaktörler yalnızca nominal paket voltajına göre boyutlandırılmamalıdır. Akü voltajı, şarj durumu aralığı boyunca değişir; bu nedenle, şarj veya dengeleme sırasında bile oluşabilecek maksimum paket voltajını karşılama kabiliyetini sağlamak için kontaktörün nominal voltajını kullanmanız gerekecektir.

Kontaktör Seçmeden Önce Tanımlamanız Gereken Temel Elektriksel Parametreler

Sistem voltajı, nominal izolasyon voltajı ve çalışma voltajı

Yalnızca nominal paket voltajınıza göre boyutlandırma yapmayın. Akü voltajı şarj durumu penceresi boyunca dalgalanır, bu nedenle dengeleme koşulları ve şarjın sonlandırılması dahil olmak üzere paketin sunacağı maksimum voltajı karşılamak için kontaktörün nominal voltajına ihtiyacınız vardır.

• Gerilim sınıfını mimarinize göre eşleştirin: 400V platformlar için 450 - 750 VDC arası kontaktörler kullanmanız gerekecektir. Ancak 800V platformlarda kontaktörler 900-1000VDC sınıfında olacaktır; 1500VDC'de çalışan şebeke ölçekli ESS dizileri, bu seviyede çalışacak şekilde derecelendirilmiş ve test edilmiş aynı sınıftan kontaktörler gerektirir.

• Dielektrik dayanım değerini çalışma değerinden ayrı olarak kontrol edin: Bir kontaktörün yalıtımı yalnızca sabit durumlara değil, geçici aşırı gerilimlere de dayanıklı olmalıdır.

Chinehow'un CHC6 Serisi HVDC kontaktörleri, sizi özel bir parçaya zorlamadan hem otomotiv hem de şebeke ölçekli voltaj sınıflarını desteklemek için 1500VDC'ye kadar derecelendirilmiş modellerle bu aralığı doğrudan kapsar.

Sürekli Akım Değeri

Sürekli akım derecelendirmenizin ortalamayı değil, en kötü gerçekçi çalışma koşulunu yansıtması gerekir. Şuna bakın:

• Nominal yük akımı: Sistemin normal ve kararlı durumda çalışırken çektiği akım.

• Tepe veya dalgalanma akımı: Hızlanma, rejeneratif frenleme veya hızlı şarj olayları sırasında görülen geçici akımlar.

• Görev döngüsü: Yüklü durumda kontaktörün kapanma sıklığı ve süresi. Elektrikli araç ana kontaktörünün görev döngüsü birkaç saat sürebilirken, enerji depolama sistemi kontaktörünün görev döngüsü günlerce sürekli olabilir.

• Ortam sıcaklığında azalma: Temas direnci ve termal dağılım muhafaza sıcaklığına göre değiştiğinden üreticiler değer kaybı eğrileri yayınlar. 25°C'de 300A olarak derecelendirilen bir kontaktörün bu değeri mutlaka 60°C'lik kapalı bir pil bölmesinde tutması gerekmez.

Mevcut Kapasiteyi Yapma ve Kesme

Burası birçok boyutlandırma kılavuzunun yetersiz kaldığı yerdir ve tam da küçük boyutlu kontaktörlerin sahada başarısız olduğu yerdir.

• Kontaktörün taşıma akımı, cihazın stabil kapanma sırasında taşıdığı akımdır.

• Kontaktörün kesme akımı, kontaklarda kaynak yapılmadan veya ark oluşmadan, kontaktörün emniyetli ve emniyetli bir şekilde kesmesi gereken akımdır.

• Kısa devre kesme değeri, normal çalışma akımından çok daha yüksek bir arıza akımını keserken kontaktörün nasıl performans gösterdiği hakkında bilgi verir.

Kesinti oranınız arıza akımı senaryonuzla eşleşmiyorsa, açılmasına ihtiyaç duyduğunuz anda tam olarak kaynakla kapanan bir kontaktöre sahip olursunuz. Bu, her BMS mühendisinin kaçınmak istediği senaryodur.

Mekanik ve Elektrik Ömrü (Döngü Derecelendirmesi)

Kontaktör veri sayfaları iki ömür rakamını listeler: mekanik ömür (elektrik yükü olmayan işlemler) ve elektriksel ömür (nominal akımı değiştirirken yapılan işlemler). Bunu gerçek uygulamanızla eşleştirin. Ana kontaktörünü günde onlarca kez çalıştıran bir EV, bir kez kapanıp haftalarca kapalı kalabilen sabit bir ESS ünitesinden farklı bir kullanım ömrüne ihtiyaç duyar.

Ani Akım ve Ön Şarj Koşulları için Boyutlandırma

Herhangi bir EV invertöründe ve herhangi bir ESS güç dönüşüm sisteminde, yük tarafında DC-bağlantı kapasitörleri bulunur. Ana kontaktörün doğrudan şarj edilmemiş kapasitör kümesine bağlanması, birkaç milisaniye boyunca normal çalışma akımınızın on katı veya daha fazla olan bir ani akım yükselmesine neden olur. Bu miktardaki ani akım yükselmesi, ani akım yükselmesine dayanma kabiliyetine sahip olmayan kontaktör üzerindeki temas noktalarını kaynaklama kapasitesine sahiptir.

Bir ön şarj devresine sahip olmanın nedeni, düşük dereceli kontaktörün, kontaktörle birlikte seri olarak bir ön şarj direncine sahip olmasıyla dayanabildiği bu ani akım yükselmesidir.

• Ön şarj direncini ve kontaktörü birlikte boyutlandırın: Direnç akım akışını kısıtlarken, bir arıza durumunda ön şarj devresinin kesilmesi gerektiğinde kontaktör kalan akım için yeterli kesme kapasitesine ihtiyaç duyar.

• Ön şarj süresini sonradan akla gelen bir düşünce olarak değil, bir sistem parametresi olarak ayarlayın: Çok hızlıysa ana kontaktör korunmayabilir. Çok yavaşsa tüm başlatma prosedürünü geciktirir.

• Ana yüklenicinizin derecelendirmesinin ön şarjın zaten tamamlanmış olduğunu varsaydığını doğrulayın: Tasarımınızın mimarisi ana yükleniciyi ham ani akımdan izole ediyorsa, bu senaryo için ana kontaktörü aşırı boyutlandırmayın. Bu, aşırı tasarım ve ek maliyet yükü anlamına gelir.

Ark Bastırma ve Kontak Malzemesi Seçimi

Bırakın 1000V veya 1500V"u, 400V"ta bir DC arkını kesmek, yalnızca daha büyük kontaklar değil, bilinçli tasarım gerektirir.

• Üfleme tasarımları, arkı hızlı bir şekilde uzatmak ve dağıtmak için bir manyetik alan kullanır ve çoğu otomotiv ve ESS kalitesinde HVDC kontaktörlerinde yaygındır.

• Hermetik olarak kapatılmış ve seramikle kapatılmış kontaktörler, kontak odasını ortam kirliliğinden ve nemden izole ederek, zorlu kaput altı veya dış kabin ortamlarında kullanım ömrünü uzatır. Chinehow'un CHC Serisi seramik yalıtımlı röleleri bu kategoriye girer ve sızdırmazlık kalitesinin hizmet ömrünü belirlediği otomotiv ve yüksek çevrim uygulamaları için özel olarak üretilmiştir.

• Kaynak direnci için kontak malzemesi seçimi önemlidir: Gümüş-kalay-oksit (AgSnO₂) ve gümüş-nikel alaşımları yaygın seçimlerdir çünkü tekrarlanan anahtarlama sırasında malzeme transferine direnç gösterirler ve bu da gerçek görev döngüleri altında elektrik ömrünü doğrudan uzatır.

Çevresel ve Mekanik Değer Kaybı Faktörleri

Veri sayfası derecelendirmeleri standart test koşullarını varsayar. Kurulumunuz neredeyse kesinlikle onlarla tam olarak eşleşmiyor.

• Ortam ve muhafaza sıcaklığı: Akü paketleri ve ESS kabinleri çok sıcak olabilir. Üretici tarafından sağlanan değer kaybı grafiğini, ortam sıcaklığı için değil, kendi beklenen çalışma sıcaklığınız için kullanın.

• İrtifa kaybı: Yüksek irtifalardaki düşük hava yoğunluğu, dielektrik dayanımının azalmasına neden olur ve çatı üstü güneş panelleri ve dağlık bölge ESS sistemleri ile yüksekte çalışan EV araçları için önemlidir. Deniz seviyesinde çalışmaya uygun kontaktörler, 2000 metrenin ötesinde voltaj düşüşü gerektirebilir.

• Titreşim ve şok: Otomotiv uygulamalarında kontaktörlerin belirli titreşim özelliklerini karşılaması gerekirken ESS cihazlarının konumlarına bağlı olarak şok ve sismik olaylarla ilgili başka hususları vardır.

• Giriş koruması (IP derecesi): EV'nin kaput altı bölmeleri, pil paketleri ve dış mekan ESS kabinleri için farklı gereksinimler vardır. Kontaktörlerin IP derecesinin gerçek kurulum sahalarına karşılık geldiği doğrulanmalıdır.

EV Uygulamaları için DC Kontaktörlerin Boyutlandırılması

EV güç aktarma organları, pil yaşlandıkça ve dahili direnci değiştikçe kontaktörleri geniş bir voltaj aralığıyla birlikte sık sık, yüksek döngülü anahtarlamaya tabi tutar.

• Ana paket kontaktörleri (pozitif ve negatif): Diğer yönde akan ancak yine de değerler dahilinde olan rejeneratif frenleme akımı da dahil olmak üzere sürücü invertörünüzün mümkün olan en büyük maksimum sürekli deşarj akımı gereksinimine göre boyut.

• Ön şarj kontaktörü: Ana kontaktörün değerinin genel bir yüzdesi yerine, özellikle invertörünüzün DC bağlantı kapasitansına göre boyutlandırın.

• Hızlı şarj yolu: Hızlı şarj sırasında akımlar, uzun süreli normal çalışmaya göre çok daha yüksektir, bu da termal döngüleri tek başına maksimum akımdan daha önemli hale getirir.

• BMS ve sigorta koruması ile koordinasyon: Kontaktörünüzün kesme kapasitesi, sigorta paketinizle savaşmak yerine onlarla işbirliği yapacak şekilde tasarlanmalıdır. Sigortalarınız arızayı yeterince hızlı temizleyemezse kontaktörünüzün aşırı yük akımını kesmesi gerekebilir.

Enerji Depolama Sistemleri (BESS/Solar) için DC Kontaktörlerin Boyutlandırılması

ESS uygulamaları EV"lerden önemli bir açıdan farklılık gösterir: görev döngüsü. Sabit bir akü kontaktörü, günde onlarca kez döngü yapmak yerine genellikle bir kez kapanır ve saatlerce veya günlerce kapalı kalır.

• PV dizisi ve birleştirici kutu kontaktörleri ve akü tarafı kontaktörleri: Kısa devre sırasında PV dizeleri ve akü paketlerinin davranış farklılıkları nedeniyle devrenin solar tarafında oluşacak arıza koşulları, akü tarafında mevcut olanlardan farklıdır.

• Sürekli görev derecelendirmesi burada döngü ömründen daha önemlidir: Yüklenicinin, anahtarlama döngüleri açısından yüksek bir derecelendirmeye sahip olmak yerine, uzun süreli kapanma dönemlerini kaldırabilmesi önemlidir.

• SCADA ve acil kapatma sistemleri ile koordinasyon: Şebekeye bağlı bir kurulumun bir tür hızlı kapatma özelliğine sahip olması gerekecektir. Kontaktör boyutlandırma kriterlerinizi tasarlarken bu dikkate alınmalıdır.

• Paralel dizi değiştirme: Eğer iki veya daha fazla akü dizisi aynı veriyoluna bağlıysa, toplam sistem akımının diziler arasında eşit olarak bölünmesi yerine yük dengesizliğinin hesaba katılması gerekli olacaktır.

Adım Adım Boyutlandırma Kontrol Listesi

• Adım 1: Gerilim penceresi tanımı — Aşırı gerilimler de dahil olmak üzere tüm şarj durumu aralığı boyunca minimum ve maksimum paket voltajını belirleyin.

• Adım 2: Sürekli ve Tepe Akımı — Rejenerasyonu, hızlı şarj akımını veya paralel dizilerle herhangi bir yük paylaşım senaryosunu hesaba katın.

• Adım 3: Kesinti Kapasitesi — Arıza akımı senaryonuzdan ve herhangi bir sigorta veya kesici korumasıyla nasıl koordinasyon sağlayacağınızı belirleyin.

• Adım 4: Görev Döngüsü ve Döngü Ömrü Hedefi – Hizmet ömrü boyunca tahmini anahtarlama frekansınıza göre kontaktörün döngü ömrünü belirleyin.

• Adım 5: Çevresel Azalma – Ortam sıcaklığını, rakımı ve muhafaza hususlarını hesaba katın.

• Adım 6: Bobin ve Kontrol Gerilimi —Mevcut alçak gerilim altyapınızla ve gerekiyorsa PWM bobinleriyle uyumluluk olduğundan emin olun.

• Adım 7: Sertifikasyon gerekliliği —Seçtiğiniz kontaktörün son pazar uygulamanızla ilgili standartlara uygun olduğundan emin olun. Dikkate alınması gereken tipik sertifikalar UL 2202 / UL 2231 (EV şarj sistemleri) / IEC 60947-4-1 / IEC ile ilgili kontaktör standartları / ISO 6469 (EV elektrik güvenliği) olacaktır.

Çözüm

DC kontaktörü, tüm enerji depolama sistemi için son bekçi ve fiziksel bariyer görevi görür. Bu cihazı seçerken voltaj yükselmelerini, çift yönlü arıza akımlarını ve çevresel sızdırmazlığı dikkatli bir şekilde göz önünde bulundurmalısınız.

Güvenlik amacıyla Chinehow, yüksek talep gören uygulamalara yönelik kapsamlı bir güneş sistemi ve enerji depolama kontaktörleri serisi üretmektedir. Bir sonraki projenize yönelik özelleştirilmiş yüksek gerilim anahtarlama çözümleri için hemen bizimle iletişime geçin .

SSS

EV akü paketi kontaktörü için hangi voltaj değerine ihtiyacım var?

Elektrikli araç (EV) akü paketi kontaktörü, akü sisteminizin maksimum çalışma voltajının en az 1,25 katı olan, genellikle 500 V ila 1000 V DC veya daha yüksek bir voltaj değerine ihtiyaç duyar.

Bir DC kontaktörünün sürekli akım değerini nasıl hesaplarım?

Doğru Akım (DC) kontaktörü için gereken sürekli akım değerini hesaplamak için yükünüzün normal çalışma akımını 1,25 ila 1,50 güvenlik ve görev faktörüyle çarpın ve ardından sıcaklık ve yükseklik için değer kaybı faktörlerini uygulayın.

Aynı kontaktörü hem EV hem de sabit ESS uygulamaları için kullanabilir miyim?

Evet, kontaktörün sürekli akımı, maksimum sistem voltajı ve kesme kapasitesinin her iki sistemin gereksinimlerine uygun olması koşuluyla, hem Elektrikli Araç (EV) hem de Sabit Enerji Depolama Sistemi (ESS) uygulamaları için aynı kontaktör modelini sıklıkla kullanabilirsiniz.