次世代ヒューズテクノロジーでEVと産業システムの安全性を確保
最新のエネルギー貯蔵システムには、安全性と信頼性の両方を確保するために重要なレベルの保護を提供できる高性能の安全コンポーネントと高度な回路保護ソリューションが必要です。
電気自動車は19世紀半ばから存在し、テキサス油田からの安価なガソリンが原油を変えるまで非常に人気がありました。 これらの初期のEVは、エネルギー密度とパワートレインの効率に深刻な問題を抱えていましたが、電気自動車は前世紀の変わり目まで車の速度記録を保持していました。 これらの第1世代の車両用バッテリーシステムの最大の安全性の問題は、主に電解液中の酸の輸送と保管に関連していました（図1）。
1.初期のバッテリーシステムは、エネルギー密度が低く、使用された腐食性物質に悩まされていました。
最新のEVバッテリーパックは、これらの旧式のシステムよりも大幅に高い電力密度と容量を備えており、それらに対処するために必要な安全性の問題とプロセスは、より高度なコアテクノロジーに移行しています。 今日のEVに関連する大電流の管理は、誤って管理された短絡イベントが壊滅的な障害状況になる可能性があるため、主要な安全上の問題になっています。
安全性と性能
効率とエネルギー密度に対する同じ要求がEVのパワーエレクトロニクスにも当てはまり、非常に高いレベルの安全性と機能性も必要です。 今日のEVは、高度なバッテリーシステムと電源管理電子機器の両方を備えている場合にのみ、範囲、パフォーマンス、および安全性のニーズに対応できます。 電力システムにおけるワイドバンドギャップ半導体のような先端材料への移行は両刃の剣であり、性能と安全な操作の必要性の両方を向上させます。
より良いバッテリー
改善されたエネルギー貯蔵の需要は、ほぼすべての市場セクターで着実に高まっています。 医療用ウェアラブルのような小さなデバイスから電力網のような大きなシステムまで、今日のソリューションには高密度バッテリーが必要です。
これらのアプリケーションでは、電力レベルにエラーの余地がないため、安全かつ確実に動作するためのさまざまな方法が必要です。 電力網におけるグリッドのピークシェービングやその他の負荷シフト手法から、それに接続されたEVにサービスを提供する急速充電電子機器まで、関連するバッテリーの安全性を確保することが重要です（図2）。
2.急速充電などの高度な電力アプリケーションは、安全、確実、かつ経済的に動作する必要があります。
安全のための融合
これらの高密度電源管理システムが車両の動作寿命にわたって安全であることを保証するには、堅牢で高性能な保護コンポーネントを設計に統合することが重要です。 ヒューズまたは同様のデバイスは、回路保護コンポーネントとして必要であり、非常に特殊な条件下で電源リンクを切断することにより、短絡状態から車を保護します。 これらの無数のタイプのヒューズの多くは、主要な側面である設計された導体を共有しています。
この調整されたリンク（通常は金属）は、制御された方法で溶融（または気化）することによって接続を切断するように評価されています。 これは通常、短絡によって生じる高温条件下で発生し、電源から完全に遮断することでシステムの安全性を確保します。 ただし、負荷がかかっている回路が常に規則的でスムーズな電流の流れを示すとは限らないという欠点がいくつかあります。
たとえば、高出力パルスが発生する設計では、結果として生じる広い電流変動は、迷惑なトリップを回避するために、より高い値のヒューズを使用することを意味します。 問題は、このソリューションによって回路が過熱や熱障害にさらされやすくなることです。 さらに、ヒューズの使い捨ての側面により、回路ブレーカーなどの高度な安全装置の使用が増えています。これらの装置は、リセット可能で、焼損する部品がありません。
接続するコンタクタ
コンタクタは電気機械式保護装置であり、回路ブレーカーに似ていますが、短絡を停止しないという点で異なります。 むしろ、それらは大電流負荷に直接接続する高性能スイッチングデバイスとして機能します。 外部制御によって操作されるパワーコンタクタは、高電流レベルが存在する場合の要求の厳しい回路リセットタスクに対応します。 リレーと同様の動作で、コンタクタは、切り替え時に発生するアークを制御および抑制する機能も提供します。
高電圧コンタクタは、ハイブリッド車および電気自動車の電力貯蔵、バッテリー充電器、および高電力産業システムの安全性と回路の連続性を保証し、アーク放電と突入の問題を管理しながら、電源をすばやく安全に接続および切断します。 一例はEVで、通常は開いているコンタクタがバッテリーパックとシステム間の接続を管理し、車が使用されていないときに自動的に切断します。
次世代の保護
ヒューズよりも速く回路を開くことができ、迷惑なトリップに対してより耐性のある他の回路保護ソリューションが存在します。 この機能およびその他の高度な機能により、温度ヒューズよりも損傷のリスクが低くなります。 このようなソリューションの例は、SensataTechnologiesブランドのGIGAVACによって開発されたDissmannFuseにあります（図3）。
3. EVを対象とした、Sensata Dissmann Fuseは、発熱が少なく、即効性のある電気機械装置です。
密閉された速効性の電気機械装置は、発熱が少なく、正確な電流でトリップします。 機能には、抵抗の大幅な削減、熱劣化のないこと、システム効率の向上などがあります。 パッシブとパッシブ-アクティブの両方のバリエーションで提供されるデバイスは、電流の流れの磁場（ローレンツ力）を使用してデバイスをトリガーします。 図4は、それがどのように動作するかを示しています。チャートの青い線は、トリガーしきい値を示しています。
4.この図は、Dissmannヒューズのような回路保護ソリューションの動作を示しています。 青い線はトリガーしきい値を示し、デバイスがヒューズよりも速く、目的の動作条件に近い回路を開くことができることを示しています。
このチャートは、デバイスがヒューズよりも速く、目的の動作条件に近い回路を開くことができることを示しています。 200〜500 Aの定格の連続範囲で利用可能で、そのトリガーしきい値のパスも調整可能です。 動作中にほとんど熱を発生しないため、熱老化と、高温と低温の動作サイクルによって引き起こされる厄介なトリップの両方の影響を受けません。これは、時間の経過とともに導体の脆性を引き起こします。
Dissmannヒューズは、正確な電流でトリップする業界初の気密ヒューズとして主張されています。 抵抗、インストール時間、複雑さ、コストを大幅に削減するように設計されており、システム効率の向上に役立ちます。
接続の物理的および操作上の完全性を確保することにより、システムの動作寿命を延ばし、ヒューズは周囲温度に関係なく、高速で一貫したクリア時間を実現します。 これは、ドライブトレインの電子機器の熱的影響への追加が他の熱に敏感なサブシステムのパフォーマンスに影響を与える可能性がある高出力EVではますます重要になっています。
高速動作により、コンタクタのパフォーマンスも向上します。 コンタクタは動作中に浮上し、ヒューズをトリガーするために利用できるはずのエネルギーを放散し、代わりにコンタクタに電流を負荷します。 これにより、ヒューズが短絡を「認識」するのを防ぎ、壊滅的な障害につながる可能性があります。 500Aのコンタクタと500Aのヒューズの状況を見ると、このような構成では、1,000 Aでトリップするのに1〜2秒かかりますが、高速トリップソリューションは、たとえば1,000 Aに設定して、 3ミリ秒。
サーマルヒューズの場合、電流レベルがコンタクタを圧倒し、ヒューズがトリガーするサーマルポイントに負荷が到達するのをブロックすることで負荷を遮断する能力を損なう可能性のある動作領域があります。 このリスクは、0.15mΩ未満の非常に低い接触抵抗を提供する製品で排除されます。これにより、電力損失が減少し、システム効率が向上します。
考慮事項
正確で迅速にトリップする保護デバイスは、高電力システムの回路の安全性に対処しますが、その利点は、高度なバッテリーを提供することだけに限定されません。 産業用ロボットや代替エネルギーシステムなど、無数のさまざまなアプリケーションが、このようなソリューションの効率、熱機能、および動作速度の恩恵を受けることができます。 これらの速効性の密閉された電気機械装置は、熱老化や厄介なトリップが問題となるアプリケーションに最適です。
Dissmannヒューズのような電源保護ソリューションは、コンタクタの調整を支援し、短絡状態での保護を提供します。 次世代のエネルギー貯蔵システムには、安全性と信頼性の両方を確保するために必要な重要なレベルの保護を提供できる、同様に高性能の安全コンポーネントと高度な回路保護ソリューションが必要です。