Analiza technologii integracji elektrycznej wysokiego-napięcia w pojazdach nowej generacji: laminowane szyny zbiorcze napędzają ewolucję elektrycznych systemów napędowych w kierunku dużej mocy i lekkości

W miarę jak nowe pojazdy energetyczne (NEV) ewoluują w kierunku wyższych napięć, większej mocy i większej integracji, architektury elektryczne pojazdów przechodzą głęboką transformację. Od platform-wysokonapięciowego 800 V i innowacyjnych konstrukcji systemów akumulatorów po integrację elektrycznych systemów napędowych typu „wszystko-w-jednym”, wydajne, bezpieczne i kompaktowe rozwiązania w zakresie przenoszenia mocy stały się kluczowym fundamentem poprawy ogólnych osiągów pojazdu.

 

W pojazdach NEV przenoszenie mocy między akumulatorem trakcyjnym, elektrycznym układem napędowym, układem ładowania i pomocniczym wyposażeniem-wysokonapięciowego wymaga wielu elementów połączeń-wysokiego napięcia. Podczas gdy tradycyjne wiązki przewodów i standardowe szyny miedziane spełniają podstawowe potrzeby w zakresie łączności, coraz częściej stają przed wyzwaniami dotyczącymi obciążalności prądowej, kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), przestrzeni instalacyjnej i niezawodności w zastosowaniach charakteryzujących się wysokimi prądami, przełączaniem o wysokiej-częstotliwości i wysoce zintegrowanymi układami przestrzennymi.

 

Laminowane szyny zbiorcze-charakteryzujące się niską indukcyjnością pasożytniczą,-wysoką obciążalnością prądową, zwartą konstrukcją i elastyczną instalacją-okazały się kluczowym rozwiązaniem dla połączeń elektrycznych-wysokonapięciowego w pojazdach NEV. Są szeroko stosowane w zestawach akumulatorów, sterownikach silników, falownikach, modułach mocy i systemach dystrybucji energii.

 

 

 

Układy wysokiego napięcia pojazdów NEV zazwyczaj obejmują wiele modułów, w tym akumulator trakcyjny, jednostkę dystrybucji zasilania-wysokonapięciowego (PDU), sterownik silnika,-pokładową ładowarkę (OBC) i sprężarkę klimatyzacji. W miarę zmiany napięcia platform pojazdów z 400 V na 800 V lub więcej, systemy połączeń elektrycznych muszą jednocześnie spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące-przesyłania wysokich prądów, izolacji elektrycznej, bezpieczeństwa i niezawodności oraz optymalizacji przestrzeni.

 

W porównaniu z tradycyjnymi połączeniami kablowymi konstrukcje szyn zbiorczych zapewniają lepsze wykorzystanie przestrzeni i bardziej stabilną wydajność elektryczną. Dla danego pola-przekroju poprzecznego przewody miedziane zapewniają bardziej efektywną ścieżkę przesyłania prądu; co więcej, ich sztywna konstrukcja sprawia, że ​​są mniej podatne na skutki-długoterminowych wibracji pojazdu.

 

W systemach napędów elektrycznych-o dużej mocy łączność o niskiej-indukcji stała się krytycznym parametrem projektowym. Na przykład w systemach konwersji mocy wykorzystujących-szybkie urządzenia przełączające, indukcyjność pasożytnicza może powodować skoki napięcia podczas przełączania, potencjalnie zagrażając bezpiecznemu działaniu komponentów. W związku z tym minimalizacja indukcyjności rozproszenia w obwodzie połączeniowym jest niezbędna dla zwiększenia niezawodności systemu.

 

W przypadku systemów napędowych wykorzystujących moduły mocy IGBT laminowane szyny zbiorcze przeznaczone do napędów silnikowych mogą zoptymalizować układ przewodów dodatnich i ujemnych. Tworzy to bardziej zwartą pętlę prądową, redukując w ten sposób parametry pasożytnicze systemu i poprawiając wydajność konwersji mocy. Zalety konstrukcyjne i zasady projektowania-niskiej indukcyjności laminowanych szyn zbiorczych

 

Tradycyjne jednowarstwowe-szyny zbiorcze miedziane zazwyczaj wymagają znacznej przestrzeni instalacyjnej i tworzą duże pętle pola magnetycznego pomiędzy zaciskami dodatnimi i ujemnymi. Kiedy prąd zmienia się szybko, ten duży obszar pętli generuje wyższą indukcyjność pasożytniczą (rozproszoną).

Laminowane szyny zbiorcze wykorzystują strukturę kompozytową złożoną z wielu warstw przewodzących i materiałów izolacyjnych. Układając warstwy przewodzące o przeciwnej polaryzacji zgodnie ze specyficznymi wymaganiami projektowymi, prądy dodatnie i ujemne płyną w pobliżu w przeciwnych kierunkach; wykorzystuje to zasadę eliminacji pola elektromagnetycznego w celu zmniejszenia indukcyjności pętli.

 

Struktura ta nie tylko skraca ścieżkę prądu, ale także minimalizuje obszar, w którym generowany jest strumień magnetyczny, co znacznie poprawia wydajność elektryczną w-środowiskach szybkiego przełączania.

 

W falownikach pojazdów nowej generacji laminowane szyny zbiorcze do napędów silników opartych na IGBT-zapewniają stabilne ścieżki połączeń wejścia prądu stałego i wyjścia prądu przemiennego z modułami zasilania. Minimalizuje to wahania napięcia w modułach IGBT podczas-przełączania wysokiej częstotliwości i zwiększa ogólną stabilność działania systemu.

 

Dodatkowo laminowana konstrukcja skutecznie poprawia odprowadzanie ciepła. W porównaniu z tradycyjnymi wiązkami przewodów, płaska struktura przewodnika zapewnia większą powierzchnię rozpraszania ciepła, pomagając ograniczyć wzrost temperatury podczas długotrwałej-pracy wysokoprądowej.

 

 

Sterownik silnika jest głównym elementem układu napędowego w pojazdach nowych na energię; jego podstawową funkcją jest konwersja wyjściowego prądu stałego z akumulatora na prąd przemienny wymagany do napędzania silnika. Proces ten obejmuje konwersję energii o wysokiej-częstotliwości i-mocy w falowniku, co nakłada rygorystyczne wymagania na wewnętrzną strukturę połączeń.

 

Szyny zbiorcze w falowniku odpowiadają za transmisję mocy w trzech głównych sekcjach: wejściu prądu stałego, połączeniu modułów mocy i wyjściu prądu przemiennego.

 

Na stopniu wejściowym prądu stałego szyna zbiorcza jest zwykle połączona z kondensatorami filtrującymi lub kondensatorami łącza prądu stałego, aby zmniejszyć tętnienia prądu i ustabilizować napięcie. Zintegrowanie szyny zbiorczej z konstrukcją kondensatora skraca odległości połączeń, zmniejsza liczbę punktów połączeń i zwiększa zwartość systemu.

 

Łącząc struktury połączeń kondensatorów z konstrukcją szyn zbiorczych, obwód prądu stałego staje się usprawniony, a złożoność montażu jest zmniejszona.

 

W obszarze podłączenia modułu mocy laminowane szyny zbiorcze muszą być precyzyjnie zaprojektowane tak, aby pasowały do ​​układu modułu IGBT-z uwzględnieniem parametrów takich jak położenie zacisków, grubość przewodu, prześwit izolacji i metody montażu-, aby zapewnić zarówno wydajność elektryczną, jak i niezawodność mechaniczną. W przypadku zastosowań w inwerterach dużej-mocy laminowane szyny zbiorcze zaprojektowane dla wysokich prądów spełniają wymagania dotyczące przenoszenia mocy przy dużych-obciążeniach, optymalizując jednocześnie konstrukcję konstrukcyjną w celu zmniejszenia indukcyjności i oporu cieplnego; nadają się do nowych pojazdów energetycznych, urządzeń zasilających i przemysłowych układów napędowych.

 

 

 

W miarę jak nowe pojazdy energetyczne przechodzą na platformy-wysokonapięciowego 800 V, znaczenie projektowania izolacji staje się coraz ważniejsze.

 

W środowiskach wysokiego-napięcia szyny zbiorcze muszą wytrzymywać nie tylko napięcie ciągłe, ale także wibracje, wahania temperatury i skoki napięcia występujące podczas pracy pojazdu. W rezultacie wydajność materiałów izolacyjnych, drogi upływu i projekt odstępu elektrycznego stały się kluczowymi czynnikami w rozwoju szyn zbiorczych.

 

W laminowanych szynach zbiorczych zazwyczaj stosuje się metody izolacji, takie jak PET, PI, żywica epoksydowa lub malowanie proszkowe, a materiały wybiera się na podstawie wymagań konkretnego zastosowania.

 

Na przykład lakierowane izolowane szyny zbiorcze (VIB) zwiększają ochronę przewodów dzięki powłoce izolacyjnej, zachowując jednocześnie doskonałą oszczędność miejsca, co czyni je idealnymi do kompaktowych środowisk połączeń elektrycznych.

 

W porównaniu z tradycyjną izolacją oplotową, zintegrowana struktura izolacji minimalizuje zużycie miejsca, co skutkuje bardziej kompaktowym systemem połączeń wysokiego napięcia.

 

 

Układy elektryczne pojazdów nowej generacji wymagają rozwiązań zarówno w zakresie połączeń-krótkiego zasięgu-takich jak zestawy akumulatorów i elektryczne jednostki napędowe,-jak i-przesyłu energii na duże odległości pomiędzy akumulatorem trakcyjnym,-jednostką dystrybucji energii wysokiego napięcia i układem napędowym.

 

Chociaż tradycyjne kable-wysokiego napięcia zapewniają elastyczność, są one ciężkie, zajmują dużo miejsca i wymagają dużych promieni zgięcia podczas instalacji.

 

Natomiast elastyczne i kompozytowe rozwiązania w zakresie szyn zbiorczych zapewniają doskonałą zdolność adaptacji przestrzennej przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej obciążalności prądowej-. Łącząc materiały przewodzące, takie jak miedź i aluminium, można jeszcze bardziej zmniejszyć masę systemu, uzyskując optymalną równowagę między kosztem a wydajnością.

 

Koncepcje połączeń o wysokiej niezawodności, pierwotnie opracowane dla szyn zbiorczych lokomotyw elektrycznych, są coraz częściej stosowane w nowych pojazdach energetycznych, wielkoskalowych-systemach magazynowania energii i sprzęcie elektrycznym w transporcie kolejowym.

 

W przypadku złożonych systemów dystrybucji energii modułowa konstrukcja zmniejsza złożoność związaną z instalacją wielu równoległych przewodów, ułatwiając w ten sposób zautomatyzowany montaż.

 

 

Układ baterii trakcyjnej to jeden z najbardziej złożonych elementów pojazdu nowej energii, obejmujący największą liczbę połączeń elektrycznych. Wraz z ewolucją technologii konstrukcyjnych akumulatorów, takich jak CTP (Cell-to-Pack) i CTC (Cell-to-Chassis), poziom integracji ogniw stale rośnie, co stawia wyższe wymagania w zakresie rozwiązań połączeń wewnętrznych.

 

Tradycyjne metody,-takie jak kable i metalowe końcówki łączące,-często borykają się ze złożonością, niską wydajnością montażu i wyzwaniami związanymi z niezawodnością podczas łączenia dużej liczby ogniw.

 

Konstrukcje szyn zbiorczych, charakteryzujące się dużymi powierzchniami przewodzącymi i doskonałą stabilnością strukturalną, mogą jednocześnie spełniać potrzeby w zakresie obwodów przesyłu prądu i akwizycji sygnału.

 

Dzięki integracji z elastycznymi obwodami drukowanymi (FPC), czujnikami temperatury i liniami monitorowania napięcia, szyny zbiorcze umożliwiają zintegrowaną konstrukcję wzajemnych połączeń akumulatorów mocy.

 

Ponieważ w systemach akumulatorów pojazdów napędzanych energią elektryczną (NEV) coraz większy nacisk kładzie się na wysoką integrację, miniaturyzację i inteligencję, rozwiązania w zakresie szyn zbiorczych do dystrybucji energii elektrycznej będą odgrywać-bardziej krytyczną rolę w akumulatorach zasilających, dystrybucji energii-wysokonapięciowej i systemach zarządzania energią.

 

 

W miarę ewolucji pojazdów NEV w kierunku wyższej wydajności technologia szyn zbiorczych zmienia się z prostych elementów przewodzących na kompleksowe rozwiązania elektryczne na poziomie-systemu.

 

Przyszły rozwój laminowanych szyn zbiorczych skupi się na kilku kluczowych obszarach:

Pierwszy to projekt o niskiej-indukcji. Wraz z rosnącym wykorzystaniem-szybkich urządzeń zasilających, takich jak SiC (węglik krzemu), systemy wymagają krótszych, bardziej zwartych pętli prądowych, aby zminimalizować wahania napięcia podczas przełączania.

 

Po drugie, wyższa integracja. Szyny zbiorcze będą w coraz większym stopniu zawierać kondensatory, czujniki, urządzenia zabezpieczające i elementy sterujące, aby osiągnąć funkcjonalną modułowość.

 

Po trzecie, lekka konstrukcja. Zastosowanie przewodów aluminiowych, konstrukcji kompozytowych z miedzi-aluminium i zaawansowanych procesów produkcyjnych pomoże zmniejszyć masę pojazdu i wydłużyć zasięg.

 

Co więcej, szyny zbiorcze można dostosować do konkretnych zastosowań-dostosowując się do parametrów elektrycznych, przestrzeni instalacyjnej i warunków środowiskowych-w celu zapewnienia optymalnej kompatybilności systemu.
 

 

 

Trajektoria rozwoju pojazdów NEV przesuwa się z skupiania się wyłącznie na zwiększaniu pojemności akumulatorów w stronę zwiększania wydajności systemu, optymalizacji struktur i poprawy ogólnych możliwości integracji.

 

Od wewnętrznych połączeń akumulatorów i konwersji mocy falownika po dystrybucję mocy-wysokiego-pojazdu, technologia szyn zbiorczych staje się kamieniem węgielnym systemów wysokiego-napięcia NEV.

 

Kierując się zasadami projektowania kładącymi nacisk na niską indukcyjność, wysoką niezawodność i wysoki poziom integracji, zaawansowane rozwiązania przewodzące,-takie jak miedziane szyny zbiorcze dla energii alternatywnej-będą w dalszym ciągu odgrywać kluczową rolę w pojazdach NEV, systemach magazynowania energii i nowych sektorach sprzętu energetycznego. W przyszłości, napędzanej rozwojem platform 800 V,-elektrycznych systemów napędowych dużej mocy i inteligentnych systemów energetycznych,laminowane szyny zbiorczebędzie ewoluować poza zwykłe komponenty połączeniowe i stanie się kluczowym fundamentem technologicznym-wysokoefektywnych systemów zarządzania energią elektryczną w pojazdach nowych źródeł energii.