So dimensionieren Sie einen Hochspannungs-Gleichstromschütz für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme

Mit der zunehmenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen und Energiespeichertechnologie steigt auch die Nachfrage nach effizienten Lade- und Energiespeicherlösungen für Elektrofahrzeuge. Ein wichtiges Element eines DC-Schnellladegeräts ist ein Hochspannungs-DC-Schütz. Die Wahl eines geeigneten Hochspannungs-Gleichstromschützes trägt dazu bei, dass die Stromübertragung sicher und effizient ist.

In diesem Leitfaden besprechen wir Faktoren, die Sie bei der Dimensionierung eines Hochspannungs-Gleichstromschützes berücksichtigen sollten.

Was ein Hochspannungs-Gleichstromschütz bewirkt

Das Gleichstromschütz wird im Stromfluss zwischen Ihrem Batteriepack und der Last (Wechselrichter des Elektrofahrzeugantriebs oder ein PCS in einem stationären Lagerregal) verwendet. Es ist offensichtlich, dass es in der Lage sein muss, den Stromkreis zu öffnen und zu schließen. Die physikalische Funktionsweise macht die Verwendung eines Gleichstromschützes schwierig.

In einem Wechselstromkreis geht der Strom 100 oder 120 Mal pro Sekunde auf Null zurück, was natürliche Möglichkeiten zur Lichtbogenlöschung bietet. Bei Gleichstrom passiert das nicht. Ein zwischen trennenden Kontakten in einem Gleichstromkreis gebildeter Lichtbogen bleibt bestehen, bis er durch eine äußere Kraft (magnetisches Ausblasen, Kontaktgeometrie oder sogar die unterbrechende Konstruktion des Schützes selbst) aus dem System entfernt wird. Aus diesem Grund können Sie die Leistungsfähigkeit des DC-Schützes nicht einfach anhand der AC-Stromstärke bestimmen.

In einer typischen EV- oder ESS-Architektur sehen Sie normalerweise drei Schützrollen:

• Positive und negative Hauptschütze: Dabei handelt es sich um eine Reihe von Schützen, die den gesamten Packstrom führen und als primäre Isolierung für die Batterie dienen.

• Vorladeschütz: Ein Schütz mit niedriger Nennleistung, normalerweise zusammen mit einem Widerstand, das zur Steuerung des Einschaltstroms zum Hauptschütz beim ersten Schließen einer kapazitiven Last verwendet wird.

• Schnelllade- oder Hilfsschütze: Zu finden in EV- und Hybrid-ESS-Systemen, bei denen ein zusätzlicher Strompfad unabhängig geschaltet werden muss.

Gleichstromschütze sollten nicht nur auf die Nennspannung des Pakets ausgelegt werden. Die Batteriespannung ändert sich im gesamten Ladezustandsbereich; Daher müssen Sie die Nennspannung des Schützes verwenden, um sicherzustellen, dass es die maximale Paketspannung bewältigen kann, die selbst beim Laden oder Ausgleichen auftreten kann.

Wichtige elektrische Parameter, die Sie vor der Auswahl eines Schützes definieren müssen

Systemspannung vs. Nennisolationsspannung vs. Betriebsspannung

Passen Sie die Größe nicht nur an die Nennspannung Ihres Akkus an. Die Batteriespannung schwankt über das Ladezustandsfenster hinweg, sodass Sie die Nennspannung des Schützes benötigen, um die maximale Spannung abzudecken, die der Akku jemals anlegen wird, einschließlich Ausgleichsbedingungen und Ladebeendigung.

• Passen Sie die Spannungsklasse an Ihre Architektur an: Für 400-V-Plattformen müssen Sie Schütze mit einer Nennspannung von 450 bis 750 VDC verwenden. Bei 800-V-Plattformen sind die Schütze jedoch der Klasse 900-1000 VDC zugeordnet; ESS-Stränge im Versorgungsmaßstab, die bei 1500 VDC arbeiten, erfordern Schütze derselben Klasse, die für den Betrieb auf dieser Ebene ausgelegt und getestet sind.

• Überprüfen Sie die Durchschlagsfestigkeit getrennt von der Betriebsleistung: Die Isolierung eines Schützes muss Überspannungstransienten standhalten, nicht nur stationären Zuständen.

Die HGÜ-Schütze der CHC6-Serie von Chinehow decken diesen Bereich direkt ab, mit Modellen mit einer Nennspannung von bis zu 1500 VDC, die sowohl Automobil- als auch Netzspannungsklassen unterstützen, ohne dass Sie zu einem kundenspezifischen Teil gezwungen werden.

Dauerstrombewertung

Ihr Dauerstromwert muss den schlechtesten realistischen Betriebszustand widerspiegeln, nicht den Durchschnitt. Schauen Sie sich an:

• Nennlaststrom: Der vom System im Normal- und Dauerbetrieb aufgenommene Strom.

• Spitzen- oder Stoßstrom: Die vorübergehenden Ströme, die während Beschleunigungs-, regenerativem Brems- oder Schnellladevorgängen auftreten.

• Einschaltdauer: Die Häufigkeit und Dauer des Schließens des Schützes im belasteten Zustand. Der Arbeitszyklus eines Hauptschützes eines Elektrofahrzeugs kann mehrere Stunden dauern, während der Arbeitszyklus des Schützes des Energiespeichersystems mehrere Tage dauern kann.

• Leistungsreduzierung bei Umgebungstemperatur: Hersteller veröffentlichen Leistungsreduzierungskurven, da sich der Kontaktwiderstand und die Wärmeableitung mit der Gehäusetemperatur ändern. Ein für 300 A bei 25 °C ausgelegtes Schütz hält diese Nennleistung nicht unbedingt in einem versiegelten 60 °C-Batteriefach.

Stromkapazität herstellen und unterbrechen

Hier greifen viele Dimensionierungsleitfäden und genau hier versagen unterdimensionierte Schütze im Einsatz.

• Der Tragstrom des Schützes ist der Strom, den das Gerät bei stabilem Schließen führt.

• Der Unterbrechungsstrom des Schützes ist der Strom, den das Schütz benötigt, um sicher und zuverlässig zu unterbrechen, ohne dass es zu Schweißnähten an den Kontakten oder zur Bildung eines Lichtbogens kommt.

• Die Kurzschlussunterbrechungsleistung gibt Aufschluss darüber, wie sich das Schütz verhält, wenn es einen Fehlerstrom unterbricht, der viel höher ist als sein normaler Betriebsstrom.

Wenn Ihre Abschaltleistung nicht zu Ihrem Fehlerstromszenario passt, erhalten Sie ein Schütz, das genau dann schließt, wenn es geöffnet werden muss. Das ist das Szenario, das jeder BMS-Ingenieur vermeiden möchte.

Mechanische und elektrische Lebensdauer (Zyklusbewertung)

In den Datenblättern der Schütze sind zwei Lebensdauerangaben aufgeführt: die mechanische Lebensdauer (Betrieb ohne elektrische Last) und die elektrische Lebensdauer (Betrieb beim Schalten des Nennstroms). Passen Sie dies an Ihre tatsächliche Anwendung an. Ein Elektrofahrzeug, das seinen Hauptschütz Dutzende Male am Tag ein- und ausschaltet, benötigt eine andere Lebensdauerbewertung als eine stationäre ESS-Einheit, die möglicherweise einmal schließt und wochenlang geschlossen bleibt.

Dimensionierung für Einschalt- und Vorladebedingungen

In jedem EV-Wechselrichter und jedem ESS-Leistungsumwandlungssystem sind auf der Lastseite Zwischenkreiskondensatoren vorhanden. Das direkte Anschließen des Hauptschützes an die ungeladene Kondensatorbank führt zu einer Einschaltstromspitze, die für einige Millisekunden das Zehnfache oder mehr Ihres normalen Betriebsstroms beträgt. Diese Einschaltstromspitze kann zum Verschweißen der Kontaktpunkte am Schütz führen, das der Einschaltstromspitze nicht standhalten kann.

Der Grund für die Verwendung einer Vorladeschaltung ist diese Einschaltstromspitze, der das Schütz mit niedrigerer Leistung standhalten kann, indem neben dem Schütz ein Vorladewiderstand in Reihe geschaltet wird.

• Dimensionieren Sie den Vorladewiderstand und das Schütz gemeinsam: Der Widerstand begrenzt den Stromfluss, während das Schütz eine ausreichende Unterbrechungsfähigkeit für den verbleibenden Strom benötigt, falls der Vorladekreis im Fehlerfall unterbrochen werden muss.

• Stellen Sie die Vorladezeit als Systemparameter und nicht als nachträglichen Gedanken ein: Wenn sie zu schnell ist, ist das Hauptschütz möglicherweise nicht geschützt. Wenn es zu langsam ist, verzögert es den gesamten Startvorgang.

• Überprüfen Sie, ob die Nennleistung Ihres Hauptlieferanten davon ausgeht, dass die Vorladung bereits abgeschlossen ist: Wenn die Architektur Ihres Entwurfs den Hauptlieferanten vom rohen Einschaltstrom isoliert, sollten Sie das Hauptschütz für dieses Szenario nicht überdimensionieren. Dies wäre eine Überdimensionierung und eine zusätzliche Kostenbelastung.

Lichtbogenunterdrückung und Auswahl des Kontaktmaterials

Das Unterbrechen eines Gleichstromlichtbogens bei 400 V, ganz zu schweigen von 1000 V oder 1500 V, erfordert eine bewusste Konstruktion und nicht nur größere Kontakte.

• Blow-out-Designs nutzen ein Magnetfeld, um den Lichtbogen schnell zu verlängern und aufzulösen. Sie sind in den meisten HGÜ-Schützen in Automobil- und ESS-Qualität üblich.

• Hermetisch abgedichtete und mit Keramik abgedichtete Schütze halten die Kontaktkammer vor Umgebungsverschmutzung und Feuchtigkeit isoliert und verlängern so die Lebensdauer in rauen Umgebungen unter der Haube oder im Außenbereich von Schaltschränken. von Chinehow Die keramikversiegelten Relais der CHC-Serie fallen in diese Kategorie und wurden speziell für Automobil- und Hochzyklusanwendungen entwickelt, bei denen die Dichtungsqualität die Lebensdauer bestimmt.

• Die Auswahl des Kontaktmaterials ist für die Schweißfestigkeit von Bedeutung: Silber-Zinn-Oxid (AgSnO₂) und Silber-Nickel-Legierungen werden häufig gewählt, da sie bei wiederholtem Schalten der Materialübertragung widerstehen, was die elektrische Lebensdauer unter realen Arbeitszyklen direkt verlängert.

Umweltbedingte und mechanische Leistungsminderungsfaktoren

Die Datenblattbewertungen gehen von Standardtestbedingungen aus. Ihre Installation stimmt mit ziemlicher Sicherheit nicht genau mit ihnen überein.

• Umgebungs- und Gehäusetemperatur: Batteriepacks und ESS-Schränke können sehr warm sein. Verwenden Sie das vom Hersteller bereitgestellte Leistungsminderungsdiagramm für Ihre eigene erwartete Betriebstemperatur, nicht für die Umgebungstemperatur.

• Höhenminderung: Eine geringe Luftdichte in großen Höhen führt zu einer verringerten Spannungsfestigkeit und ist für Solarmodule auf Dächern und ESS-Systeme in Bergregionen sowie für Elektrofahrzeuge, die in der Höhe betrieben werden, von Bedeutung. Die Schütze, die für den Betrieb auf Meereshöhe ausgelegt sind, erfordern möglicherweise eine Spannungsreduzierung über 2000 Meter hinaus.

• Vibration und Schock: In Automobilanwendungen müssen Schütze bestimmte Vibrationsspezifikationen erfüllen, während bei ESS-Geräten je nach Standort andere Überlegungen zu Schock und seismischen Ereignissen angestellt werden.

• Schutz vor eindringendem Eindringen (IP-Schutzart): Für Fächer unter der Motorhaube von Elektrofahrzeugen, Batteriepacks und ESS-Außenschränken gelten unterschiedliche Anforderungen. Es sollte bestätigt werden, dass die IP-Schutzart der Schütze ihrem tatsächlichen Installationsort entspricht.

Dimensionierung von Gleichstromschützen für EV-Anwendungen

Bei EV-Antriebssträngen werden die Schütze häufig mit hoher Zyklenzahl geschaltet, kombiniert mit einem breiten Spannungsfenster, wenn die Batterie altert und sich ihr Innenwiderstand ändert.

• Hauptschütze (positiv und negativ): Passen Sie die Größe an den größtmöglichen maximalen Dauerentladestrombedarf Ihres Antriebsumrichters an, einschließlich des regenerativen Bremsstroms, der in die andere Richtung fließt, aber noch innerhalb der Nennwerte liegt.

• Vorladeschütz: Die Größe richtet sich speziell nach der Zwischenkreiskapazität Ihres Wechselrichters und nicht nach einem allgemeinen Prozentsatz der Nennleistung des Hauptschützes.

• Schnellladepfad: Beim Schnellladen sind die Ströme über längere Zeiträume viel höher als im Normalbetrieb, sodass thermische Zyklen wichtiger sind als der maximale Strom allein.

• Koordination mit BMS und Sicherungsschutz: Die Unterbrechungskapazität Ihres Schützes muss so ausgelegt sein, dass es mit den Sicherungen Ihres Pakets zusammenarbeitet, anstatt sie zu bekämpfen. Wenn Ihre Sicherungen den Fehler nicht schnell genug beheben können, muss Ihr Schütz möglicherweise einen Überlaststrom unterbrechen.

Dimensionierung von Gleichstromschützen für Energiespeichersysteme (BESS/Solar)

ESS-Anwendungen unterscheiden sich von Elektrofahrzeugen in einem wesentlichen Punkt: dem Arbeitszyklus. Ein stationärer Batterieschütz schließt oft einmal und bleibt stunden- oder tagelang geschlossen, anstatt Dutzende Male täglich zu wechseln.

• PV-String- und Combiner-Box-Schütze im Vergleich zu batterieseitigen Schützen: Aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens von PV-Strings und Batteriesätzen bei Kurzschlüssen unterscheiden sich die Fehlerbedingungen auf der Solarseite des Stromkreises von denen auf der Batterieseite.

• Die Dauerbetriebsbewertung ist hier wichtiger als die Zyklenlebensdauer: Es ist wichtig, dass der Auftragnehmer längere Schließzeiten bewältigen kann, und nicht über eine hohe Bewertung in Bezug auf die Schaltzyklen.

• Koordination mit SCADA- und Notabschaltsystemen: Eine netzgebundene Installation muss über eine Form der Schnellabschaltfunktion verfügen. Dies sollte bei der Auslegung Ihrer Schützdimensionierungskriterien berücksichtigt werden.

• Parallele String-Schaltung: Wenn zwei oder mehr Batteriestränge an denselben Bus angeschlossen sind, muss das Lastungleichgewicht berücksichtigt werden und nicht der Gesamtsystemstrom, der gleichmäßig auf die Strings aufgeteilt wird.

Eine Schritt-für-Schritt-Checkliste zur Größenbestimmung

• Schritt 1: Definition des Spannungsfensters – Bestimmen Sie die minimale und maximale Packspannung über den gesamten Ladezustandsbereich, einschließlich etwaiger Überspannungen.

• Schritt 2: Dauer- und Spitzenstrom – Berücksichtigen Sie Regeneration, Schnellladestrom oder jedes Lastverteilungsszenario mit parallelen Strings.

• Schritt 3: Unterbrechungskapazität – Bestimmen Sie Ihr Fehlerstromszenario und wie Sie es mit vorgeschalteten Sicherungen oder Leistungsschaltern koordinieren.

• Schritt 4: Ziel für Einschaltdauer und Lebensdauer – Bestimmen Sie die Lebensdauer des Schützes im Verhältnis zu Ihrer geschätzten Schalthäufigkeit während der gesamten Lebensdauer.

• Schritt 5: Reduzierung der Umgebungsbedingungen – Berücksichtigen Sie Umgebungstemperatur, Höhe und Gehäuseaspekte.

• Schritt 6: Spulen- und Steuerspannung – Stellen Sie sicher, dass die Kompatibilität mit Ihrer vorhandenen Niederspannungsinfrastruktur und ggf. allen PWM-Spulen besteht.

• Schritt 7: Zertifizierungsanforderung – Stellen Sie sicher, dass das von Ihnen ausgewählte Schütz nach den für Ihre Endmarktanwendung relevanten Standards zertifiziert ist. Typische zu berücksichtigende Zertifizierungen wären UL 2202 / UL 2231 (Ladesysteme für Elektrofahrzeuge) / IEC 60947-4-1 / IEC-bezogene Schütznormen / ISO 6469 (elektrische Sicherheit von Elektrofahrzeugen).

Abschluss

Der DC-Schütz fungiert als letzter Gatekeeper und physische Barriere für das gesamte Energiespeichersystem. Bei der Auswahl dieses Geräts müssen Sie Spannungsspitzen, bidirektionale Fehlerströme und die Abdichtung gegenüber der Umgebung sorgfältig berücksichtigen.

Aus Sicherheitsgründen stellt Chinehow ein umfassendes Sortiment an Solarsystem- und Energiespeicherschützen für Anwendungen mit hoher Nachfrage her. Kontaktieren Sie uns jetzt für maßgeschneiderte Hochspannungsschaltlösungen für Ihr nächstes Projekt.

FAQs

Welche Nennspannung benötige ich für den Schütz eines EV-Batteriepacks?

Ein Batterieschütz für ein Elektrofahrzeug (EV) erfordert eine Nennspannung, die mindestens dem 1,25-fachen der maximalen Arbeitsspannung Ihres Batteriesystems entspricht, typischerweise 500 V bis 1000 V DC oder höher.

Wie berechne ich den Dauerstromwert für ein Gleichstromschütz?

Um den erforderlichen Dauernennstrom für ein Gleichstromschütz zu berechnen, multiplizieren Sie den normalen Betriebsstrom Ihrer Last mit einem Sicherheits- und Betriebsfaktor von 1,25 bis 1,50 und wenden Sie dann Reduzierungsfaktoren für Temperatur und Höhe an.

Kann ich dasselbe Schütz sowohl für EV- als auch für stationäre ESS-Anwendungen verwenden?

Ja, Sie können häufig dasselbe Schützmodell sowohl für Anwendungen in Elektrofahrzeugen (EV) als auch in stationären Energiespeichersystemen (ESS) verwenden, vorausgesetzt, dass der Dauerstrom, die maximale Systemspannung und das Ausschaltvermögen des Schützes den Anforderungen beider Systeme entsprechen.