Análise da tecnologia de integração elétrica de alta-tensão para veículos de novas energias: barramentos laminados impulsionam a evolução dos sistemas de acionamento elétrico em direção a alta potência e leveza

À medida que os veículos de novas energias (NEVs) evoluem para tensões mais altas, maior potência e maior integração, as arquiteturas elétricas dos veículos estão passando por profundas transformações. Desde plataformas de alta-tensão de 800 V e estruturas inovadoras de sistemas de baterias até a integração "tudo-em-um" de sistemas de acionamento elétrico, soluções de transmissão de energia eficientes, seguras e compactas tornaram-se uma base crucial para melhorar o desempenho geral do veículo.

 

Em NEVs, a transmissão de energia entre a bateria de tração, o sistema de acionamento elétrico, o sistema de carregamento e o equipamento auxiliar de alta-tensão requer vários componentes de conexão de alta-tensão. Embora os chicotes elétricos tradicionais e os barramentos de cobre padrão atendam às necessidades básicas de conectividade, eles enfrentam cada vez mais desafios relacionados à capacidade de-condução de corrente, compatibilidade eletromagnética (EMC), espaço de instalação e confiabilidade em aplicações caracterizadas por altas correntes, comutação de alta-frequência e layouts espaciais altamente integrados.

 

Barramentos laminados-caracterizados por baixa indutância parasita, alta capacidade-de transporte de corrente, estrutura compacta e instalação flexível-surgiram como uma solução fundamental para conexões elétricas de alta-tensão em NEVs. Eles são amplamente utilizados em baterias, controladores de motor, inversores, módulos de potência e sistemas de distribuição de energia.

 

 

 

Os sistemas de-alta tensão dos NEVs normalmente abrangem vários módulos, incluindo a bateria de tração, a unidade de distribuição de energia de alta-tensão (PDU), o controlador do motor,-o carregador integrado (OBC) e o compressor de ar condicionado. À medida que as plataformas de tensão dos veículos mudam de 400 V para 800 V ou superior, os sistemas de conexão elétrica devem atender simultaneamente a requisitos rigorosos de transmissão de alta-corrente, isolamento elétrico, segurança e confiabilidade, além de otimização de espaço.

 

Em comparação com as conexões de cabos tradicionais, as estruturas de barramento oferecem uma utilização superior do espaço e um desempenho elétrico mais estável. Para uma determinada área-de seção transversal, os condutores de cobre fornecem um caminho mais eficiente para transmissão de corrente; além disso, sua estrutura rígida os torna menos suscetíveis aos efeitos da vibração-do veículo a longo prazo.

 

Em sistemas de acionamento elétrico de alta-potência, a conectividade de baixa-indutância tornou-se um parâmetro de projeto crítico. Por exemplo, em sistemas de conversão de energia que utilizam dispositivos de comutação de alta-velocidade, a indutância parasita pode desencadear picos de tensão durante eventos de comutação, comprometendo potencialmente a operação segura dos componentes. Conseqüentemente, minimizar a indutância parasita dentro do circuito de conexão é essencial para aumentar a confiabilidade do sistema.

 

Para sistemas de acionamento que empregam módulos de potência IGBT, barramentos laminados projetados para acionamentos de motor podem otimizar o layout de condutores positivos e negativos. Isto cria um loop de corrente mais compacto, reduzindo assim os parâmetros parasitas do sistema e melhorando a eficiência da conversão de energia. Vantagens estruturais e princípios de projeto de baixa{2}indutância de barramentos laminados

 

Os barramentos de cobre{0}}de camada única tradicionais normalmente exigem um espaço de instalação significativo e criam grandes loops de campo magnético entre os terminais positivo e negativo. Quando a corrente muda rapidamente, esta grande área de loop gera maior indutância parasita (distribuída).

Os barramentos laminados utilizam uma estrutura composta de múltiplas camadas condutoras e materiais isolantes. Ao empilhar camadas condutoras de polaridade oposta de acordo com requisitos específicos de projeto, as correntes positivas e negativas fluem em direções opostas nas proximidades; isso aproveita o princípio do cancelamento do campo eletromagnético para reduzir a indutância do loop.

 

Essa estrutura não apenas encurta o caminho da corrente, mas também minimiza a área onde o fluxo magnético é gerado, melhorando significativamente o desempenho elétrico em ambientes de comutação de alta-velocidade.

 

Em novos inversores de veículos de energia, barramentos laminados para acionamentos de motor baseados em IGBT-fornecem caminhos de conexão estáveis ​​para entrada CC e saída CA para módulos de potência. Isso minimiza as flutuações de tensão nos módulos IGBT durante a comutação de alta-frequência e melhora a estabilidade operacional geral do sistema.

 

Além disso, a estrutura laminada melhora efetivamente a dissipação térmica. Em comparação com chicotes elétricos tradicionais, a estrutura do condutor plano oferece uma área de superfície maior para dissipação de calor, ajudando a limitar o aumento de temperatura durante operações prolongadas de alta-corrente.

 

 

O controlador do motor é um componente central do trem de força em veículos de novas energias; sua função principal é converter a saída CC da bateria em CA necessária para acionar o motor. Este processo envolve conversão de energia de alta-frequência e alta{2}}potência dentro do inversor, impondo requisitos rígidos à estrutura de interconexão interna.

 

Os barramentos dentro do inversor são responsáveis ​​pela transmissão de energia em três seções principais: entrada CC, interconexão do módulo de potência e saída CA.

 

No estágio de entrada CC, o barramento normalmente se conecta a capacitores de filtragem ou capacitores de link CC para reduzir a ondulação de corrente e estabilizar a tensão. A integração do barramento com a estrutura do capacitor encurta as distâncias de conexão, reduz o número de pontos de conexão e aumenta a compactação do sistema.

 

Ao combinar as estruturas de conexão do capacitor com o projeto do barramento, o link CC torna-se simplificado e a complexidade da montagem é reduzida.

 

Na área de conexão do módulo de potência, os barramentos laminados devem ser projetados com precisão para corresponder ao layout do módulo IGBT-levando em conta parâmetros como posicionamento do terminal, espessura do condutor, folga do isolamento e métodos de montagem-para garantir o desempenho elétrico e a confiabilidade mecânica. Para aplicações de inversores de alta-potência, os barramentos laminados projetados para altas correntes atendem à demanda por transmissão de energia-forçada, ao mesmo tempo em que otimizam o projeto estrutural para reduzir a indutância e a resistência térmica; eles são adequados para novos veículos de energia, equipamentos de energia e sistemas de acionamento industrial.

 

 

 

À medida que os novos veículos de energia migram para plataformas de alta-tensão de 800 V, a importância do projeto de isolamento tornou-se cada vez mais crítica.

 

Em ambientes-de alta tensão, os barramentos devem suportar não apenas tensão contínua, mas também vibrações, flutuações de temperatura e picos de tensão encontrados durante a operação do veículo. Consequentemente, o desempenho dos materiais de isolamento, as distâncias de fuga e o projeto de folga elétrica tornaram-se fatores-chave no desenvolvimento de barramentos.

 

Os barramentos laminados normalmente empregam métodos de isolamento como PET, PI, resina epóxi ou revestimento em pó, com materiais selecionados com base nos requisitos específicos da aplicação.

 

Por exemplo, os barramentos isolados envernizados (VIB) melhoram a proteção dos condutores através de um revestimento isolante, mantendo ao mesmo tempo uma excelente eficiência de espaço, tornando-os ideais para ambientes compactos de conexão elétrica.

 

Em comparação com o isolamento de manga tradicional, uma estrutura de isolamento integrada minimiza o consumo de espaço, resultando em um sistema de conexão de alta-tensão mais compacto.

 

 

Os sistemas elétricos de novos veículos de energia exigem soluções para conexões de curto-alcance-como aquelas dentro de baterias e unidades de acionamento elétrico-e transmissão de energia de longo-alcance entre a bateria de tração, a unidade de distribuição de energia de alta-tensão e o sistema de acionamento.

 

Embora os cabos tradicionais de alta-tensão ofereçam flexibilidade, eles são pesados, ocupam espaço significativo e exigem grandes raios de curvatura durante a instalação.

 

Por outro lado, soluções de barramentos flexíveis e compostos oferecem adaptabilidade espacial superior, mantendo alta capacidade de-transporte de corrente. Ao combinar materiais condutores como cobre e alumínio, o peso do sistema pode ser ainda mais reduzido, alcançando um equilíbrio ideal entre custo e desempenho.

 

Conceitos de conexão de alta{0}}confiabilidade originalmente desenvolvidos para barramentos de locomotivas elétricas estão sendo cada vez mais aplicados a novos veículos de energia, sistemas de armazenamento de energia em grande-escala e equipamentos elétricos para transporte ferroviário.

 

Para sistemas complexos de distribuição de energia, o design modular reduz a complexidade associada à instalação de múltiplos condutores paralelos, facilitando assim a montagem automatizada.

 

 

O sistema de bateria de tração é um dos componentes mais complexos de um veículo de nova energia, envolvendo o maior número de conexões elétricas. Com a evolução das tecnologias estruturais de bateria, como CTP (Cell{1}}to-Pack) e CTC (Cell-to-Chassis), o nível de integração celular continua a aumentar, colocando maiores demandas em soluções de interconexão interna.

 

Métodos tradicionais-como cabos e abas de interconexão metálicas-muitas vezes enfrentam complexidade, baixa eficiência de montagem e desafios de confiabilidade ao conectar um grande número de células.

 

As estruturas de barramento, caracterizadas por grandes áreas de superfície condutora e estabilidade estrutural superior, podem atender simultaneamente às necessidades de transmissão de corrente e circuitos de aquisição de sinal.

 

Ao se integrarem a circuitos impressos flexíveis (FPCs), sensores de temperatura e linhas de monitoramento de tensão, os barramentos permitem um design integrado para interconexões de baterias de energia.

 

À medida que os novos sistemas de baterias de veículos de energia (NEVs) priorizam cada vez mais a alta integração, miniaturização e inteligência, as soluções de barramentos para distribuição de energia elétrica desempenharão um papel cada vez-mais crítico em baterias de energia, distribuição de energia de alta-tensão e sistemas de gerenciamento de energia.

 

 

À medida que os NEVs evoluem em direção a um desempenho mais alto, a tecnologia de barramentos está mudando de simples componentes condutores para soluções elétricas abrangentes no nível do sistema.{0}}.

 

Os desenvolvimentos futuros em barramentos laminados se concentrarão em diversas áreas principais:

O primeiro é um projeto de baixa-indutância. Com o uso crescente de dispositivos de energia de alta-velocidade, como SiC (carboneto de silício), os sistemas exigem loops de corrente mais curtos e compactos para minimizar as flutuações de tensão durante a comutação.

 

Em segundo lugar está uma maior integração. Os barramentos incorporarão cada vez mais capacitores, sensores, dispositivos de proteção e componentes de controle para alcançar modularidade funcional.

 

O terceiro é um design leve. O uso de condutores de alumínio, estruturas compostas de cobre{1}}alumínio e processos de fabricação avançados ajudarão a reduzir o peso do veículo e aumentar a autonomia.

 

Além disso, os barramentos podem ser personalizados para aplicações específicas-adequadas aos parâmetros elétricos, espaço de instalação e condições ambientais-para garantir a compatibilidade ideal do sistema.
 

 

 

A trajetória de desenvolvimento dos NEV está a mudar de um foco exclusivo no aumento da capacidade da bateria para o aumento da eficiência do sistema, otimização de estruturas e melhoria das capacidades globais de integração.

 

Desde conexões internas de baterias de energia e conversão de energia do inversor até distribuição de energia de-alta{1}}tensão em todo o veículo, a tecnologia de barramento está se tornando a base dos sistemas de alta-tensão NEV.

 

Impulsionadas por princípios de design que enfatizam baixa indutância, alta confiabilidade e alta integração, soluções condutivas avançadas-como barramentos de cobre para energia alternativa-continuarão a desempenhar um papel vital em NEVs, sistemas de armazenamento de energia e novos setores de equipamentos de energia. No futuro, impulsionado pelo desenvolvimento de plataformas de 800 V, sistemas de acionamento elétrico de alta-potência e sistemas de energia inteligentes,barramentos laminadosevoluirá além de meros componentes de conexão para se tornar uma base tecnológica fundamental para sistemas de gerenciamento de energia elétrica de alta-eficiência de veículos de nova energia.