Anàlisi de la tecnologia d'integració elèctrica d'alta-tensió per a vehicles d'energia nova: les barres colectores laminades impulsen l'evolució dels sistemes d'accionament elèctric cap a una gran potència i lleugeresa

A mesura que els vehicles de nova energia (NEV) evolucionen cap a voltatges més alts, potència més gran i una major integració, les arquitectures elèctriques dels vehicles estan experimentant una profunda transformació. Des de plataformes d'alt voltatge de 800 V i estructures innovadores de sistemes de bateries fins a la integració "tot-en{{-" dels sistemes d'accionament elèctrics), les solucions de transmissió d'energia eficients, segures i compactes s'han convertit en una base crucial per millorar el rendiment global del vehicle.

 

En els NEV, la transmissió d'energia entre la bateria de tracció, el sistema d'accionament elèctric, el sistema de càrrega i els equips auxiliars d'alta{0}}tensió requereixen nombrosos components de connexió d'alta-tensió. Si bé els cablejats tradicionals i les barres de coure estàndard compleixen les necessitats bàsiques de connectivitat, s'enfronten cada cop més a reptes pel que fa a la-capacitat de transport de corrent, la compatibilitat electromagnètica (EMC), l'espai d'instal·lació i la fiabilitat en aplicacions caracteritzades per corrents elevats, commutació d'alta-freqüència i dissenys espacials altament integrats.

 

Les barres colectores laminades-caracteritzades per una baixa inductància parasitària, una gran-capacitat de transport de corrent, una estructura compacta i una instal·lació flexible-s'han convertit en una solució clau per a les connexions elèctriques d'alta-tensió als NEV. S'utilitzen àmpliament en paquets de bateries, controladors de motors, inversors, mòduls de potència i sistemes de distribució d'energia.

 

 

 

Els sistemes d'alta tensió-de NEV solen incloure diversos mòduls, com ara la bateria de tracció, la unitat de distribució d'energia d'alta-tensió (PDU), el controlador del motor, el-carregador a bord (OBC) i el compressor d'aire condicionat. A mesura que les plataformes de tensió dels vehicles passen de 400 V a 800 V o més, els sistemes de connexió elèctrica han de complir simultàniament requisits rigorosos per a la transmissió d'alta-intensitat, l'aïllament elèctric, la seguretat i la fiabilitat i l'optimització de l'espai.

 

En comparació amb les connexions de cable tradicionals, les estructures de barres ofereixen una utilització de l'espai superior i un rendiment elèctric més estable. Per a una-àrea de secció transversal determinada, els conductors de coure proporcionen un camí més eficient per a la transmissió de corrent; a més, la seva estructura rígida els fa menys susceptibles als efectes de-vibracions del vehicle a llarg termini.

 

En els sistemes d'accionament elèctric d'alta-potència, la connectivitat de baixa-inductància s'ha convertit en un paràmetre de disseny crític. Per exemple, en sistemes de conversió d'energia que utilitzen dispositius de commutació d'alta-velocitat, la inductància paràsita pot provocar pics de tensió durant els esdeveniments de commutació, cosa que podria comprometre el funcionament segur dels components. En conseqüència, minimitzar la inductància dispersa dins del circuit de connexió és essencial per millorar la fiabilitat del sistema.

 

Per als sistemes d'accionament que utilitzen mòduls de potència IGBT, les barres colectores laminats dissenyades per a accionaments de motor poden optimitzar la disposició dels conductors positius i negatius. Això crea un bucle de corrent més compacte, reduint així els paràmetres paràsits del sistema i millorant l'eficiència de conversió d'energia. Avantatges estructurals i principis de disseny de baixa-inductància de barres colectores laminates

 

Les barres de coure tradicionals d'una-capa requereixen normalment un espai d'instal·lació important i creen grans bucles de camp magnètic entre els terminals positius i negatius. Quan el corrent canvia ràpidament, aquesta gran àrea de bucle genera una inductància paràsit (distribuïda) més alta.

Les barres colectores laminats utilitzen una estructura composta de múltiples capes conductores i materials aïllants. Apilant capes conductores de polaritat oposada segons requisits de disseny específics, els corrents positius i negatius flueixen en direccions oposades en proximitat; això aprofita el principi de cancel·lació del camp electromagnètic per reduir la inductància del bucle.

 

Aquesta estructura no només escurça el camí actual, sinó que també minimitza l'àrea on es genera flux magnètic, millorant així significativament el rendiment elèctric en entorns de commutació d'alta-velocitat.

 

En els inversors de vehicles d'energia nova, les barres colectores laminades per a les unitats de motor basades en IGBT-ofereixen camins de connexió estables per a l'entrada de CC i la sortida de CA als mòduls d'alimentació. Això minimitza les fluctuacions de tensió dels mòduls IGBT durant la commutació d'alta-freqüència i millora l'estabilitat operativa general del sistema.

 

A més, l'estructura laminat millora eficaçment la dissipació tèrmica. En comparació amb els arnes de cablejats tradicionals, l'estructura del conductor pla ofereix una superfície més gran per a la dissipació de calor, ajudant a limitar l'augment de la temperatura durant un funcionament prolongat de corrent alt-.

 

 

El controlador del motor és un component bàsic del tren de propulsió en els vehicles d'energia nova; la seva funció principal és convertir la sortida de CC de la bateria d'alimentació en la CA necessària per conduir el motor. Aquest procés implica una conversió d'energia d'alta-freqüència i gran-potència dins de l'inversor, imposant requisits estrictes a l'estructura d'interconnexió interna.

 

Les barres de l'inversor són responsables de la transmissió d'energia a través de tres seccions principals: entrada de CC, interconnexió del mòdul de potència i sortida de CA.

 

A l'etapa d'entrada de CC, la barra de distribució normalment es connecta a condensadors de filtratge o condensadors d'enllaç CC per reduir la ondulació actual i estabilitzar la tensió. La integració de la barra colectora amb l'estructura del condensador escurça les distàncies de connexió, redueix el nombre de punts de connexió i millora la compacitat del sistema.

 

En combinar les estructures de connexió del condensador amb el disseny de la barra colectora, l'enllaç DC es racionalitza i es redueix la complexitat del muntatge.

 

A l'àrea de connexió del mòdul d'alimentació, les barres colectores laminades s'han de dissenyar amb precisió per adaptar-se a la disposició del mòdul IGBT-tenint en compte paràmetres com ara la posició del terminal, el gruix del conductor, la distància d'aïllament i els mètodes de muntatge-per garantir tant el rendiment elèctric com la fiabilitat mecànica. Per a aplicacions d'inversor d'alta potència-, les barres colectores laminats dissenyades per a corrents elevats satisfan la demanda de transmissió de potència de gran-conducció alhora que optimitzen el disseny estructural per reduir la inductància i la resistència tèrmica; són adequats per a vehicles d'energia nova, equips elèctrics i sistemes d'accionament industrials.

 

 

 

A mesura que els vehicles d'energia nova passen cap a plataformes d'alta-tensió de 800 V, la importància del disseny d'aïllament s'ha tornat cada cop més important.

 

En entorns d'alta-tensió, les barres colectores no només han de suportar la tensió contínua, sinó també les vibracions, les fluctuacions de temperatura i els sobrevolts de tensió que es troben durant el funcionament del vehicle. En conseqüència, el rendiment dels materials d'aïllament, les distàncies de fuga i el disseny de l'espai elèctric s'han convertit en factors clau en el desenvolupament de barres.

 

Les barres colectores laminades solen emprar mètodes d'aïllament com ara PET, PI, resina epoxi o recobriment en pols, amb materials seleccionats en funció dels requisits d'aplicació específics.

 

Per exemple, les barres colectores aïllades envernissades (VIB) milloren la protecció dels conductors mitjançant un recobriment aïllant alhora que mantenen una excel·lent eficiència de l'espai, la qual cosa les fa ideals per a entorns de connexió elèctrica compactes.

 

En comparació amb l'aïllament de màniga tradicional, una estructura d'aïllament integrada minimitza el consum d'espai, donant com a resultat un sistema de connexió d'alta -tensió més compacte.

 

 

Els sistemes elèctrics dels vehicles d'energia nova requereixen solucions tant per a connexions de curt-abast-com les de les unitats de bateries i unitats de propulsió elèctrica-i de llarg-transmissió d'energia entre la bateria de tracció, la unitat de distribució d'energia d'alta-tensió i el sistema de propulsió.

 

Tot i que els cables d'alta{0}}tensió tradicionals ofereixen flexibilitat, són pesats, ocupen un espai important i requereixen grans radis de flexió durant la instal·lació.

 

En canvi, les solucions de barres flexibles i compostes ofereixen una adaptabilitat espacial superior alhora que mantenen una gran capacitat de càrrega de corrent-. En combinar materials conductors com el coure i l'alumini, el pes del sistema es pot reduir encara més, aconseguint un equilibri òptim entre cost i rendiment.

 

Els conceptes de connexió d'alta-fiabilitat desenvolupats originalment per a barres de locomotores elèctriques s'apliquen cada cop més a vehicles d'energia nova, sistemes d'emmagatzematge d'energia a gran-escala i equips elèctrics per al trànsit ferroviari.

 

Per a sistemes de distribució d'energia complexos, el disseny modular redueix la complexitat associada a la instal·lació de múltiples conductors paral·lels, facilitant així el muntatge automatitzat.

 

 

El sistema de bateries de tracció és un dels components més complexos d'un vehicle d'energia nova, que implica el major nombre de connexions elèctriques. Amb l'evolució de les tecnologies estructurals de les bateries, com ara CTP (Cell-to-Pack) i CTC (Cell-to-Chassis), el nivell d'integració de cèl·lules continua augmentant, la qual cosa fa que les solucions d'interconnexió interna siguin més exigents.

 

Els mètodes tradicionals-com els cables i les pestanyes d'interconnexió metàl·liques-sovint tenen problemes amb la complexitat, la baixa eficiència del muntatge i els reptes de fiabilitat quan es connecten un gran nombre de cèl·lules.

 

Les estructures de barres, caracteritzades per grans superfícies conductores i una estabilitat estructural superior, poden satisfer simultàniament les necessitats de circuits de transmissió de corrent i adquisició de senyals.

 

En integrar-se amb circuits impresos flexibles (FPC), sensors de temperatura i línies de control de tensió, les barres permeten un disseny integrat per a les interconnexions de la bateria d'alimentació.

 

A mesura que els nous sistemes de bateries de vehicles energètics (NEV) prioritzen cada cop més una alta integració, miniaturització i intel·ligència, les solucions de barres per a la distribució d'energia elèctrica tindran un paper cada cop més-més crític en les bateries d'energia, la distribució d'energia d'alta-tensió i els sistemes de gestió de l'energia.

 

 

A mesura que els NEV evolucionen cap a un rendiment més elevat, la tecnologia de barres està passant de components conductors simples a solucions elèctriques completes a nivell de sistema-.

 

Els desenvolupaments futurs en barres colectores laminades es centraran en diverses àrees clau:

El primer és un disseny de baixa-inductància. Amb l'ús creixent de dispositius de potència d'alta-velocitat com el SiC (carbur de silici), els sistemes requereixen bucles de corrent més curts i compactes per minimitzar les fluctuacions de tensió durant la commutació.

 

El segon és una major integració. Les barres de bus incorporaran cada cop més condensadors, sensors, dispositius de protecció i components de control per aconseguir una modularitat funcional.

 

El tercer és un disseny lleuger. L'ús de conductors d'alumini, estructures compostes de coure-alumini i processos de fabricació avançats ajudaran a reduir el pes del vehicle i ampliar l'autonomia.

 

A més, les barres es poden personalitzar per a aplicacions específiques-adaptades als paràmetres elèctrics, l'espai d'instal·lació i les condicions ambientals-per garantir una compatibilitat òptima del sistema.
 

 

 

La trajectòria de desenvolupament dels NEV està passant d'un únic enfocament a augmentar la capacitat de la bateria cap a millorar l'eficiència del sistema, optimitzar les estructures i millorar les capacitats d'integració generals.

 

Des de les connexions de la bateria d'alimentació interna i la conversió d'energia de l'inversor fins a la distribució d'energia d'alta-tensió a tot el vehicle, la tecnologia de barres s'està convertint en una pedra angular dels sistemes d'alta-tensió NEV.

 

Impulsades per principis de disseny que posen èmfasi en la baixa inductància, l'alta fiabilitat i l'alta integració, les solucions conductores avançades-com ara barres de coure per a energies alternatives-continuaran jugant un paper vital en els NEV, els sistemes d'emmagatzematge d'energia i els nous sectors d'equips energètics. En el futur, impulsat pel desenvolupament de plataformes de 800 V, sistemes d'accionament elèctric d'alta-potència i sistemes d'energia intel·ligents,barres colectores laminadesevolucionarà més enllà dels simples components de connexió per convertir-se en una base tecnològica clau per als sistemes de gestió d'energia elèctrica d'alta-eficiència dels vehicles d'energia nova.