罗杰斯史维:高温与轻量化ROLINX® 新型复合母排—新能源汽车动力系统解决方案

NE时代新能源

阅读 2015    更新于2022-10-03 20:18:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

罗杰斯全球研发总监兼亚洲区销售总监,史维以“高温与轻量化ROLINX® 新型复合母排—新能源汽车动力系统解决方案”为主题做了一系列分享。

以下为现场实录:

大家下午好,我是来自罗杰 斯的史维,负责全球研发以及亚洲区的销售。罗杰斯是一家美资公司,到今天为止有190年历史,于1959年开始母线排的设计和生产。1969年在比利时根特做针对高铁和风能太阳能光伏发电系统母排的生产。2004年开始在苏州母线排的设计、研发和生产。

我们所属罗杰斯先进电子解决方案事业部,产品包括IGBT里面的陶瓷线路板、母线排和5G应用的高频线路板材。刚才提到轻量化的问题,对于母线排来说,轻量化最早是2012到2013年的时候日本铁路提出来的,当时我们觉得挺有意思,机车头有45到70吨,母线排减重了10到20公斤,看似意义不大,但是我们还是系统地做了这方面的工作。2009年深入进入汽车领域的时候发现,其实母线排的减重全套方案可以在电动汽车上有非常广泛的应用,这也带来了如何实现轻量化这个问题。

大家都知道,母排在一般在电动汽车里的应用就是电池组、变流器、电机以及中间连接。 母排轻量化有几个方向: 第一, 提高电压,高电压带来的电流减少,对减少母线截面积很有帮助 。第二, 选择轻量化的材料 ,原来的材料是铜,现在选用铝。不过这个涉及到另外一个问题,因为存在技术上的壁垒,所以在特斯拉Model3大批量使用之前,铝的母线排在车载方面应用很少,大部分电力电子、风能、太阳能上也用得都比较少。第三, 设计的简化 ,可以大幅度降低母排以及相对应产品的重量。最后,提高电流密度,让同样导体情况下承载更多的电流密度,这又带来另外一个问题,就是工作温度升高。

从材料上来说,传统的铜母排很好用。但是有两个问题,太贵和太重,还需要表面的处理。铝价格便宜,重量也比较轻,只有铜的三分之一,但也存在缺点。第一,导电率最高只有62%,大概是铜的三分之二。第二,铝是导体,但是一旦氧化之后变成了氧化铝,就是绝缘体。铝的表面一定要经过处理,铝加表面电镀处理费用很高;而且铝电镀有很多问题。另外越是高导电铝,纯度越高,从而发生机械蠕变,导致电气连接出现一些问题,特别是大导体尺寸。即使使用了抗蠕变铝,但也有其他的技术难题。第一,合金导电率在53到54%之间。第二,价格昂贵。第三,无法避免电镀的问题。对此,罗杰斯研发了新一代产品。在同样一根母排上主体选用了高导电率铝,接触端子采用了抗蠕变的铝并加上电镀,扩展上使用了铜硬或者软的连接。这有三个好处,第一,轻量化。第二,降本。第三,取消电镀成本。综合来看,一根母排有两种甚至三种不同合金的组合,包括不同的处理方法,既能够提高母排的可靠性,又可以降低成本,同时用铜代铝,即使是加厚导体截面积以提供导电率,也可以节省40到50%重量。另外,既可以是铜的软连接或者硬连接,也可以是铝的硬连接。主干部分可以用高导电的合金铝,用特别的焊接技术做成一个整体,导体单层也可以做成多层。主干母排要用柔性连接,主要有三个原因。第一,减震、在有热膨胀的情况下还可以吸收一部分热膨胀。第二,铜或铝软连接端能消除安装上的误差。第三,最关键的部分有表面处理,可以保证长期的可靠性。我们非常推荐刚性和柔性一体化,刚性的主干可以保证尺寸的准确性,大批量生产下易于机器人的抓取和存储,便于产线员工操作。柔性接口可以保装配公差、震动、热膨胀,还可以保证整体性。

第二,通过设计来解决重量的问题。我们有一个典型案例,很多欧洲客户原来是做传统汽车设计的,他们对于母排的理解就是把电缆做扁做方。这是和IGBT连接PDU和输出的方案,客户想用几个铜条,但不好装配。又想用螺丝固定在一起,安装了很多塑料件。最后做成了好多个5mm厚度的导体,两个过渡铜块,螺丝拧在一起,没有办法优化,重量降不下来,温升达不到要求,而且装配的时候一直会有批量装配的问题。我们提供的新方案只用2层2毫米的母排导体和3个导体就解决了,不需要使用过渡铜块。当时预估能节省50%装配时间,实际上更高。这个产品的重量从2.7公斤降到了1.2公斤,BOM材料的成本也大幅降低。总之,除了产品材料,也可以从产品的设计上做轻量化改变。

第三,高温上的应用。如果提高电流密度,如何应对工作温度的上升。20年前,电力电子都应用在风能、太阳能、机车上的,有很好的通风和空间条件,那个时候最高就是105度,现在电芯连接母排一般都在105度,PDU和变流器的母排现在可以快速达到105到130度。以前硅基的IGBT对电感要求不高,工作节温也不高,140度左右,用铜条就可以。现在对电感的越来越高,这也是一个趋势。针对电机,扁线电机在连接端子也可以改成母排设计。第一,耐高温,可耐220度以上。第二,有强大的减震或耐震能力。第三,对ATF波箱油耐用。温度在持续上升,母排作为一个小的配件怎么改变,这里有三个渠道,第一,在设计阶段不管是通过热仿真还是设计优化均摊电流密度,将热点取消。第二,如果条件允许,最好能用水冷板或者风能、热管,把热量分散出去一部分。第三,硬扛。使用绝缘材料可耐130、150度,这需要大量的时间来做验证。我们很早就开始做加速老化试验,重新做点测试、抗耐压,做闭环的验证,看材料是不是加速老化。我们有两种不同的材料,一种是PET级的,大量地用在-40度或者105度的条件下,延展性很好,可以做大量的折弯,对复杂母排的适应性也很高,而且多种膜厚等级,价格会下降很多。另外,以前没有碳化硅的时候对电感的要求不是那么高,今天随着800V系统和碳化硅模块电压的升高,局部放电是一个问题,电感就是一个问题。这种材料可以保证更好地爬行距离,其阻燃性也很好,这是第一个可以使用的材料,可满足130度以下温度。其实罗杰斯还有硅胶材料部门,所以针对-50度到210度的温度,也可以使用硅胶材料。有以下几点好处,一是可长期耐高温,性能良好。第二,具有一定弹性,高震动情况下不会出现硬碰硬的疲劳情况。第三,和注塑不一样,在导体之间可以做得很薄,运用预成型技术,不会出现裂痕、针孔的问题,电气的可靠性很高。不管是CTI等级还是防火等级都是很好的,和PET差不多。最后耐受化学品性能非常好,无论放在柴油、冷却液里面,都可以长期耐受。现在业界想把驱动器做在电机外面共享冷却系统,不管将来在走哪一个方向,这都是一个比较好的解决方案。这是我们对于耐高温方面的见解。

罗杰斯在汽车方面的解决方案,包括电机电控,再加上中央连接,可覆盖范围广。我们和主机厂长期合作,产品虽然比较新,但是已经大量生产,从研发角度来说也得到了充分验证,另外从使用角度来说,在客户端也得到了充分验证。虽然大家都在谈轻量化,但是罗杰斯很愿意多走一步,轻量化我们有现成的解决思路,有足够的经验。轻量化带来了直接材料和整个系统的降本,这是我们给客户带来的价值。

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