Osnove dizajna sabirnice za EV baterije i sisteme za pohranu energije: izbor bakra, oplate i izolacije

Sabirnice su najmanje glamurozan dio EV baterija, i ono o čemu bi inženjeri obično željeli da su razmišljali ranije. Oni prenose struju paketa, određuju dio termalnog budžeta, a kada dođe do kvara na spojnoj tački, skidaju cijeli paket sa sobom. Za razliku od ćelija i modula, koji imaju dobro-utvrđene puteve kvalifikacije dobavljača, sabirnice često završavaju kasno projektovane, nejasno citirane i ponovo{3}}navedene nakon prvog prototipa toplotnog rada. Ovaj vodič prolazi kroz odluke koje su važne, redoslijedom koje treba donijeti, tako da kupac može prvi put ispravno odrediti utisnutu sabirnicu.

Shanyo godinama štampa i oblaže sabirnice zajedno sa proizvodnjom metalnih kupola i nizova kupola, a ovaj članak odražava pitanja koja se najčešće vraćaju od kupaca električnih vozila, skladišta energije i invertera. Fokus je na utisnutim bakrenim sabirnicama, koje pokrivaju većinu baterija i aplikacija za distribuciju energije, s napomenama o tome gdje ekstrudirani i obrađeni dijelovi imaju smisla umjesto toga.

Zašto je dizajn sabirnice bitan u EV bateriji

Baterija prenosi veliku struju kroz desetke serijskih i paralelnih veza. Svaki spoj između sabirnice i terminala ćelije ili konektora modula je tačka otpora, a otpor pretvara struju u toplinu. Dva su cilja dizajna stoga uvijek ista: održavati otpor dovoljno niskim da porast temperature ostane unutar budžeta kućišta, i održavati mehaničku vezu stabilnom tokom vijeka trajanja vozila, uključujući vibracije, termičke cikluse i opterećenja prilikom sudara.

Sabirnica također ima strukturalne i montažne uloge. U tipičnom paketu prizmatičnih ćelija, sabirnice čine električnu kičmu, a njihova geometrija određuje kako se ćelije mogu servisirati, kako paket odvodi toplinu i koliko rada je potrebno za sklop modula. Dobro-dizajnirana utisnuta sabirnica skraćuje vrijeme montaže, a loše dizajnirana se pojavljuje kao povratna polja sa izgorjelim terminalima ili napuklim spojevima.

Izbor razreda bakra: C1100, C1020 i C194

Tri vrste bakra pokrivaju skoro svaku primjenu sabirnice, a izbor je cijena-u odnosu-učinak koji bi trebao biti napravljen na osnovu trenutnog opterećenja i profila temperature, a ne iz navike.

• C1100 (ETP bakar):Zadana vrijednost za većinu aplikacija. Elektrolitički bakar otpornog na korak nudi dobru provodljivost (oko 101% IACS), lako se pečati i ploča, i najniža je-skupina. Pravi je izbor za inverterske ormare, police za skladištenje energije i distribuciju električne energije potrošača, gdje radne temperature ostaju umjerene.
• C1020 (OFHC bakar):Bakar visoke provodljivosti-bez kiseonika{1}}. Odsustvo kiseonika čini ga standardom za aplikacije sa visokim očekivanjima pouzdanosti i strožim zahtevima za čistoćom, uključujući i automobilske baterije gde je bitno-trajno ponašanje korozije. Provodljivost je slična C1100; razlika je trošak i čistija metalurgija.
• C194 (legura bakra{1}}gvožđa):Legura bakra visoke{0}}vrste sa nižom provodljivošću (oko 60-70% IACS), ali bolja svojstva opruge i otpornost na omekšavanje. Koristi se tamo gdje sabirnica mora držati oblik pod opterećenjem-na primjer, kontaktna ruka ili sabirnica koja se udvostručuje kao opružni element - po cijenu većeg otpora i više topline po amperu.

Praktično pravilo: ako proračun porasta temperature ostavlja marginu, C1100 štedi novac. Ako je paket vruć, ili je program automobilski sa očekivanjima trajnosti od deset- godina, C1020 je sigurnija specifikacija. C194 je poseban izbor, a ne zadani.

Rute proizvodnje: štancanje vs ekstruzija vs strojna obrada

Tri proizvodne rute se razlikuju po cijeni, slobodi geometrije i vremenu isporuke, a pravi ovisi o složenosti oblika i volumenu.

Štancanjeje dominantna ruta za ravne sabirnice, dijelove u obliku slova L- i dijelove s više-rupa u velikom obimu. Progresivna matrica utiskuje profil, buši rupe za montažu i obrezuje ivice u jednoj operaciji pritiska, što održava jediničnu cenu niskom i čvrstom konzistentnošću dimenzija. Štancane sabirnice odgovaraju konektorima ćelija baterije, modul{4}}--vezama i razvodnim šipkama debljine do oko 3 mm u većini slučajeva, sa mogućim debljim dijelovima ovisno o uzorku rupa i zahtjevima savijanja.

Ekstruzijakoristi se kada se poprečni-presjek mora promijeniti duž dužine-na primjer, šipka kojoj je potreban deblji središnji presjek i tanji spojni krajevi, ili šuplji presjek. Ekstruzija ima veće troškove alata i duže vrijeme isporuke, a ima ekonomskog smisla samo pri značajnoj količini ili kada je profil zaista potreban.

Mašinska obrada(CNC glodanje ili struganje) je prototip i ruta male-obine. Upravlja složenim 3D oblicima, uskim tolerancijama karakteristika i brzim promjenama, po jediničnim cijenama koje ga čine neprivlačnim iznad nekoliko hiljada komada. Mnogi programi sa žigosanim sabirnicama počinju s obrađenim uzorcima za validaciju, a zatim prelaze na žigosanje za proizvodnju.

Za kupce koji upoređujuproizvođači bakrenih sabirnica, pitanje procesa je jednako važno kao i cijena: dobavljač koji pečat u kući-kontroliše alate, vrijeme isporuke i kvalitet dimenzija drugačije od onoga koji ugovara mašinsku obradu.

Izbor oplata: nikl, kalaj, srebro i zlato

Pokrivanje sabirnice ima tri zadatka: štiti bakar od korozije, održava kontaktnu površinu vodljivom i ponekad postavlja definirano ponašanje trenja ili momenta na vijčanim spojevima. Četiri uobičajene završne obrade odgovaraju različitim uslovima.

• nikl:Radni konj. Niklovanje dobro štiti bakar, otporno je na tamnjenje i kompatibilno je s većinom terminalnih materijala. Otpor kontakta je veći od srebra ili zlata, što je bitno pri visokim gustoćama struje, ali za mnoge distributivne aplikacije budžet otpora ima prostora. Nikl je također najjeftiniji od četiri i najlakši za kontrolu u-linijama za gašenje velikih količina.
• lim:Mekan i{0}}prijatan za lemljenje, lim se koristi tamo gdje će se sabirnica lemiti ili gdje je potrebna konekcija kontroliranog momenta na aluminijske terminale. Kalaj ima dobru otpornost na koroziju, ali donja granica radne temperature-iznad oko 100 stepeni kontinuirano, kalaj počinje da omekšava i puzi pod pritiskom, što mijenja otpor spoja tokom vremena.
• Srebro:Najveća{0}}praktična završna obrada, koja se koristi na visokostrujnim -šipcima gdje je svaki miliom bitan. Srebro sporo oksidira na zraku i tamni u okolini sumpora, tako da posrebrene - poluge obično sadrže inhibitor tamnjanja ili su specificirane za zapečaćene sklopove. Za aplikacije sa inverterima i visoko{5}}strujnim pohranama, srebro je uobičajen izbor.
• zlato:Rezervisano za slabe-signalne i kontrolne sabirnice, ili gdje veza mora ostati bez korozije-u agresivnim okruženjima. Zlato je skupo, tako da je pozlata-puna dužina na električnoj sabirnici rijetko opravdana; selektivno nanošenje na kontaktne jastučiće je uobičajen pristup.

Debljina prevlake je važna koliko i metal. Sloj nikla od 3-5 µm pokriva tipične zahtjeve protiv korozije; ispod toga, poroznost omogućava kiseoniku da dopre do bakra i zaštita naglo opada. Srebro od 2-4 µm je uobičajeno za power šipke. U specifikaciji za oplatu treba navesti minimalnu debljinu na površini, a dobavljač bi je trebao mjeriti po seriji, a ne samo po narudžbi.

Mogućnosti izolacije i premaza

Većini sabirnica je potrebna izolacija preko dijela ili cijele dužine, a izbor ovisi o rasporedu pakovanja, naponu i toplinskom okruženju.

Termoskupljajuća cijev{0}je najčešće rješenje za ravne dijelove i jednostavne oblike. Jeftin je, lako se primjenjuje u proizvodnji i dostupan je u nizu boja za kodiranje polariteta. Ograničenje je geometrija: na šipkama u obliku slova L- ili složenim, nabori na uglovima se skupljaju zbog topline, a izolovani dio može migrirati pod vibracijama.

Praškasti premaz (epoksid)daje ujednačen sloj{0}}bez rupica na složenim oblicima, sa dobrom dielektričnom čvrstoćom i otpornošću na habanje. To je standard za šipke baterijskog paketa gdje je izolacija dio sigurnosnog dizajna. Debljina premaza je tipično 100-300 µm, a proces dodaje korak pečenja koji mora biti kompatibilan sa pločom ispod.

Nomex ili poliesterska folijakoristi se tamo gdje je potrebna tanka,-izolacija visoke temperature, a oblik šipke je ravan. Odgovara modulu-nivo barova gdje je prostor na omotnici malo.

Prelivanje od polipropilenaje premium opcija za složene šipke: izolacija se oblikuje oko šipke u drugom koraku procesa, dajući preciznu pokrivenost, karakteristike montaže i rasterećenje naprezanja u jednom dijelu. Troškovi alata su veći, tako da je prelijevanje opravdano po zapremini ili tamo gdje izolacija mora nositi mehaničke funkcije.

Bez obzira na put izolacije, specifikacija bi trebala navesti dielektrični ispitni napon (obično 1,5-3kV za automobilske paketne šipke, ovisno o naponu pakiranja), metodu ispitivanja i minimalni put puzanja ako šipka premošćuje visokonaponske dijelove.

Kapacitet i{0}}dimenzioniranje poprečnog presjeka

Poprečni presjek sabirnice -pokreće trenutni, dozvoljeni porast temperature i ambijent. Za prvu procjenu, bakarna sabirnica može nositi otprilike 1,5-2,5 A/mm² poprečnog presjeka pri porastu temperature od 60-70 stepeni u slobodnom zraku, a broj opada u zatvorenim paketima gdje toplina nema gdje otići. Proračun treba uključiti tačke spajanja, jer vijčani spoj ili zavar dodaju otpor koji može dominirati nad vlastitim otporom šipke.

Za baterijski paket potrebne su i vršna i stalna struja. Šipka veličine za kontinuiranu struju i dalje se može pregrijati tokom vršnog događaja ako je toplinska masa mala, a šipka veličine za vršnu struju nosi nepotrebne troškove i težinu bakra. Cilj dizajna je obično-temperatura u postojanom stanju ispod granice preklapanja (kalaj: 100 stepeni; nikl i srebro: 150 stepeni) sa vršnom tranzijentom koji se održava u okviru izolacije.

Dužina je također bitna, manje za otpor nego za pad napona. Na strujama-nivoa paketa, duga traka može pasti dovoljno volta da utiče na očitanja balansiranja ćelije, tako da raspored treba održavati kratke puteve smisla i snage ili specificirati srebro za najvišu-konstrukciju struje.

Metode povezivanja: Vijcima, ultrazvučno i lasersko zavareno

Spoj je mjesto gdje dizajn sabirnice ne uspijeva, a metoda povezivanja postavlja ograničenja dizajna.

Vijčani spojevidominiraju servisne veze: modul-na-veze modula, pakovanje-za-veze invertera i jedinice za isključivanje baterije. Varijable dizajna su veličina i moment zavrtnja, tip podloške i površinska obrada za kontrolu otpora kontakta. Belleville podloške ili opružne podloške se obično navode jer vibracije i termički ciklusi opuštaju obične podloške tokom vremena. Izbor obloge utiče na obrtni moment: limene i srebrne ploče imaju različite koeficijente trenja, a specifikacija obrtnog momenta treba da bude usklađena sa završnom obradom.

Ultrazvučno zavarivanjeje standard za povezivanje ćelija-na-sabirnica-u prizmatičnim i torbicama. On proizvodi čvrsti- spoj bez topljenja bakra, čime se izbjegavaju krhki intermetalni problemi nekih puteva lemljenja. Ograničenja dizajna su pristup za trubu za zavarivanje i dovoljno preklapanje jezičaka za područje zavara.

Lasersko zavarivanjekoristi se tamo gdje je ultrazvučni pristup nepraktičan ili gdje je broj zglobova dovoljno nizak da se vrijeme postavljanja lasera isplati. Laserski zavari na bakru zahtijevaju dovoljnu pripremu spoja kako bi se izbjegla poroznost; raspored zavarivanja se obično potvrđuje na kuponima prije proizvodnje.

Svaki tip veze mijenja geometriju sabirnice-šame rupa i pristup momentu za vijke, geometriju jezičaka za zavarivanje-tako da odluka o povezivanju treba donijeti prije finalizacije geometrije šipke, a ne poslije.

Tolerancije dimenzija i savijanje

Štancane sabirnice drže manje tolerancije od ekstrudiranih ili obrađenih dijelova po nižoj cijeni, ali tolerancije još uvijek moraju biti realno specificirane. Položaj rupe unutar ±0,1 mm je dostižan u štancanju; Ukupna dužina i uglovi savijanja zavise od dizajna matrice i broja koraka oblikovanja. Radijus savijanja treba da prati debljinu materijala: mali radijus savijanja na debelom C1100 rizikuje pucanje na savijanju, a prihvaćeno pravilo je radijus savijanja od najmanje jedne debljine materijala za većinu vrsta bakra.

Ravnost je skriveni zahtjev u šipkama baterijskog paketa. Šipka koja nije dovoljno ravna može opteretiti terminale ćelije na koje se povezuje, što se kasnije pokazuje kao napukli zavar ili labav spoj. Specifikacija ravnosti (na primjer, 0,3 mm preko 100 mm) treba da bude navedena na crtežu, a dobavljač bi trebao to provjeriti nakon oblaganja, jer procesi oblaganja i oblaganja mogu dovesti do izobličenja.

Kontrola kvaliteta: Otpornost, Hi-lonac i slani sprej

Plan kvaliteta za program sabirnice trebao bi pokriti načine kvara, a ne samo dimenzije. Tri testa su najvažnija.

Merenje kontaktnog otporana obloženim površinama i spojevima, koristeći četvero-miliommetar sa definisanom ispitnom strujom. Prihvatljiva vrijednost se postavlja iz aplikacije: spoj razvodne šipke obično treba mjeriti u desetinama mikro-oma, a test hvata probleme sa pločom, labavo zavijanje i kontaminaciju.

Hi{0}}pot (dielektrično) ispitivanjena izolovanim šipkama, na specificiranom ispitnom naponu, potvrđuje da je izolacija kontinuirana i bez{0}}uboda. Ovo je test sigurnosti, a ne test performansi, i trebao bi se izvoditi na svakoj proizvodnoj seriji.

Slani sprej i ispitivanje vlažnostivalidirati kombinaciju obloge i izolacije u odnosu na radno okruženje. Za automobilske šipke uobičajeno je 96-500 sati slanog spreja u zavisnosti od specifikacije kupca; aplikacije za skladištenje u moru i na otvorenom potiču više. Kriterijum prihvatanja je da nema korozije na obloženoj površini iznad definisanih granica i da nema oštećenja izolacije.

Shanyova linija sabirnice izvodi ove testove u-kući i bilježi rezultate u odnosu na šifru praćenja serije, tako da revizija kupaca može izvući očitanja debljine oplate, mjerenja otpora i visoke-rezultate za bilo koju isporučenu seriju.

Kontrolna lista dizajna i uobičajene greške

Greške koje se vraćaju sa terena dovoljno su konzistentne da se napravi kontrolna lista:

• Dimenzionisanje šipke za kontinuiranu struju i ignorisanje vršnog prolaznog stanja, koji pregreva spoj u uslovima kvara.
• Određivanje sloja bez minimalne debljine, što omogućava poroznost da smanji zaštitu od korozije.
• Korištenje pogrešnog momenta ili podloške za završnu obradu, što omogućava da se vijčani spoj olabavi pod termičkim ciklusom.
• Zaboravljamo pravilo radijusa savijanja na debelom bakru, koji puca na šipkama na radijusu matrice tokom štancanja ili u radu.
• Tretiranje ravnosti kao kozmetičke dimenzije, koja opterećuje terminale ćelija u baterijskim paketima.
• Ostavljanje specifikacije izolacije do kraja, što dovodi do promjene geometrije kasno u programu.
• Naručivanje mašinski obrađenih uzoraka bez potvrđivanja rute proizvodnje, što odlaže program kada se pokaže da je oblik{0}}neprijatan za žigosanje.

Pokretanje dizajna prema ovoj listi prije citiranja čuva ciklus prototipa i većinu promjena u kasnoj-fazi. Ista kontrolna lista važi bez obzira da li je šipka jednostavna veza modula ili složeni preliveni sklop.

Kako Shanyo podržava Bus Bar programe

Shanyo's Qingdao objekt pečati, ploče i ispitne sabirnice u-kući, sa istom infrastrukturom kvaliteta-IATF 16949 kontrolama, sljedivosti parcele i-kućnim testiranjem-koje se koriste za njegovu metalnu kupolu, niz kupolastih ploča i FPC linije. Programi obično počinju sa obrađenim ili utisnutim uzorcima za validaciju, a zatim prelaze na progresivnu-proizvodnju matrica sa opcijama oplata i izolacije o kojima smo gore govorili. Tim prodajnog inženjeringa će pregledati crtež i vratiti-provjeru izvodljivosti štancanja, preporuku za materijal i oplatu, kao i vrijeme isporuke uzorka, obično u roku od dva radna dana.

Za kupce koji grade svoj prvi program sabirnice, slanje trenutnog-zahtjeva za nošenje i crteža kućišta umjesto samo konačnog CAD-a često daje bolji rezultat, jer se razgovor o dizajnu odvija prije nego što se geometrija zaključa. Za programe u proizvodnji, sljedivost serije i zapisi o ispitivanju čuvaju dokumentaciju spremnom za revizije.

Shanyo je proizvođač preciznih komponenti sa sjedištem u Qingdao-ovoj snabdijevanjubakrene sabirnice, metalne kupole, kupolaste ploče, silikonske tastature, membranski prekidači i FPC sklopovi za EV, pohranu energije, industrijsku, medicinsku i potrošačku elektroniku kupaca širom svijeta. Za pregled dizajna sabirnice ili ponudu, kontaktirajte Shanyo inženjerski tim s vašim trenutnim zahtjevima, temperaturom i pakovanjem.