Växelriktaren inom elfordonsbranschen och kraven på kontaktdon
Energihantering och intelligent strömförsörjning
Batterihanteringssystem och kraftelektronik spelar en nyckelroll för elektromobiliteten, eftersom de kopplar samman olika komponenter i elbilen. Anslutningsfunktionen inom växelriktarna sköts av kontaktdonen. Dessa måste styra och överföra signaler, data och höga strömstyrkor på ett tillförlitligt, säkert, snabbt och förlustfritt sätt trots de krävande driftsförhållandena. För detta måste kontaktdonen uppfylla vissa krav vad gäller temperaturbeständighet, kompakthet och flexibilitet samt prestanda och robusthet.
Bakgrund: Övergången till e-mobilitet
Bilindustrin har under de senaste åren genomgått en omställning mot e-mobilitet.
Denna omställning märks i form av en ökad produktion av elfordon (EV) och stigande försäljningssiffror, samt utbyggnaden av laddningsinfrastrukturen för elfordon. Konsumenternas efterfrågan på mer hållbara transportalternativ växer stadigt. Dessutom har stora investeringar gjorts i batteriteknik för att uppnå framsteg när det gäller elbilarnas räckvidd, prestanda och kostnader. Statliga incitament för införandet av elbilar, biltillverkarnas åtaganden att fasa ut förbränningsmotorn samt skärpta utsläppskrav ger fortsatt fart åt övergången till elmobilitet.
Som ett resultat av detta ökar de traditionella biltillverkarna produktionen av elbilar.
Denna omställning märks i form av en ökad produktion av elfordon (EV) och stigande försäljningssiffror, samt utbyggnaden av laddningsinfrastrukturen för elfordon. Konsumenternas efterfrågan på mer hållbara transportalternativ växer stadigt. Dessutom har stora investeringar gjorts i batteriteknik för att uppnå framsteg när det gäller elbilarnas räckvidd, prestanda och kostnader. Statliga incitament för införandet av elbilar, biltillverkarnas åtaganden att fasa ut förbränningsmotorn samt skärpta utsläppskrav ger fortsatt fart åt övergången till elmobilitet.
Som ett resultat av detta ökar de traditionella biltillverkarna produktionen av elbilar.
Växelriktare i elbilar
Omformare ansvarar för den intelligenta strömförsörjningen och energihanteringen i elfordon. De kopplar samman elfordonets batteri med de elektriska förbrukare som finns i fordonet och, vid laddning, även med det allmänna elnätet. Här krävs olika spänningsnivåer. I
elfordon används huvudsakligen två typer av omformare: DC/DC-omformare och AC/DC-omformare. DC/DC-växelriktare ändrar spänningen på likström. AC/DC-växelriktare (lik- eller växelströmsomvandlare) omvandlar likström till växelström eller tvärtom. Växelriktare omvandlar alltså den elektriska energin till den spänningsnivå och -form som krävs för respektive förbrukare för att säkerställa optimal prestanda.
Inverterare säkerställer därmed en effektiv överföring mellan batteriet och elmotorn i elfordonet för att garantera största möjliga räckvidd. Dessutom har inverterare olika skyddsfunktioner för att skydda elbilen och dess komponenter mot överbelastning, överspänning och överhettning. Sammantaget bidrar inverterare till att elbilen fungerar säkert, effektivt och tillförlitligt och uppnår hög prestanda.
elfordon används huvudsakligen två typer av omformare: DC/DC-omformare och AC/DC-omformare. DC/DC-växelriktare ändrar spänningen på likström. AC/DC-växelriktare (lik- eller växelströmsomvandlare) omvandlar likström till växelström eller tvärtom. Växelriktare omvandlar alltså den elektriska energin till den spänningsnivå och -form som krävs för respektive förbrukare för att säkerställa optimal prestanda.
Inverterare säkerställer därmed en effektiv överföring mellan batteriet och elmotorn i elfordonet för att garantera största möjliga räckvidd. Dessutom har inverterare olika skyddsfunktioner för att skydda elbilen och dess komponenter mot överbelastning, överspänning och överhettning. Sammantaget bidrar inverterare till att elbilen fungerar säkert, effektivt och tillförlitligt och uppnår hög prestanda.
Krav på växelriktare
Växelriktare måste uppfylla många olika krav. Bland annat gäller kompatibilitet, integrerbarhet och effektivitet. Det innebär att växelriktarna måste vara kompatibla med andra system i elbilen, såsom batteri, elmotor och styrenhet. Dessutom måste växelriktarna vara lätta att integrera för att förenkla tillverkningen av elbilen och spara tid och kostnader. Dessutom är hög effektivitet oumbärlig för att möjliggöra långa räckvidder.
Även tillförlitlighet, kostnadseffektivitet och överbelastningsskydd måste finnas. En tillförlitlig funktion är nödvändig för att kunna garantera en stabil drift för säker och avbrottsfri körning. Växelriktare måste vara prisvärda för elbilens ekonomiska krav. Inverter måste också vara utrustade med överbelastningsskydd för att undvika överbelastning och överspänning och för att skydda elbilen och dess komponenter.
När det gäller tekniska krav spelar temperaturbeständighet, kompakthet, prestanda och robusthet en central roll. Inverter måste alltså:
Även tillförlitlighet, kostnadseffektivitet och överbelastningsskydd måste finnas. En tillförlitlig funktion är nödvändig för att kunna garantera en stabil drift för säker och avbrottsfri körning. Växelriktare måste vara prisvärda för elbilens ekonomiska krav. Inverter måste också vara utrustade med överbelastningsskydd för att undvika överbelastning och överspänning och för att skydda elbilen och dess komponenter.
När det gäller tekniska krav spelar temperaturbeständighet, kompakthet, prestanda och robusthet en central roll. Inverter måste alltså:
- fungera inom ett brett temperaturområde och vara stabila för att kunna användas i
- ett fordon vara utrymmesbesparande och lätta, eftersom varje extra kilo minskar räckvidden för en elbil uppvisa
- hög prestanda vid ström- och dataöverföring för att uppfylla kraven från elmotorn
- och andra system vara motståndskraftiga mot miljöpåverkan, stötar och vibrationer, både under installations- och monteringsprocessen samt vid automatiserad sammanfogning och under drift.
Letar du efter rätt kontakt?
Produktlista
Krav på kontaktdon i växelriktaren
Omformare kopplar samman olika komponenter i fordonet, såsom batterilagringen och elmotorn. Omformarna måste uppfylla de krav som anges ovan för att kunna överföra data och ström i realtid på ett tillförlitligt sätt.
Det är kontaktdonen som sköter kopplingsfunktionen mellan kretskorten inuti omformarna. Kontaktdonen ska överföra signaler, data och ström på ett tillförlitligt, säkert, snabbt och förlustfritt sätt trots de krävande miljöförhållandena. Därför gäller jämförbara kvalitetskrav för kontaktdonen.
Det är kontaktdonen som sköter kopplingsfunktionen mellan kretskorten inuti omformarna. Kontaktdonen ska överföra signaler, data och ström på ett tillförlitligt, säkert, snabbt och förlustfritt sätt trots de krävande miljöförhållandena. Därför gäller jämförbara kvalitetskrav för kontaktdonen.
Temperaturbeständighet
Materialen i kontaktdonen bör tåla höga temperaturer, eftersom driftsförhållandena i bilen kräver detta. Vid valet av rätt kontaktdon finns ett stort antal plastmaterial att välja mellan för isoleringskroppen. Materialet LCP (Liquid Crystal Polymers) uppvisar dock mycket goda egenskaper i detta sammanhang. En LCP-isolering kännetecknas av enastående dimensionell och termisk stabilitet, hög styvhet även vid tunnväggiga komponenter samt en låg linjär värmeutvidgningskoefficient. Brännbarhetsklassen UL 94 V-0 ger driftstemperaturer på -55 °C till +125 °C för kontaktdon med LCP-isolering.
Kompakthet och flexibilitet
Kontaktdon med ett litet rastermått lämpar sig mycket väl för användning i växelriktare, eftersom de är utrymmesbesparande, kräver endast lite monteringsutrymme på kretskortet och därmed uppfyller kraven på kompakthet. Här används till exempel system med ett rastermått på 1,27 mm, 0,8 mm eller 0,5 mm. Men kontakterna ska inte bara vara små, utan också kunna anpassas till de mest skiftande kraven. Detta gäller till exempel de nödvändiga bygghöjderna, antalet poler eller kretskortsuppställningarna. Hos kontaktdon som One27 från ept möjliggör det stora utbudet av utföranden anslutning av kretskort i parallell, horisontell eller vinkelrät uppställning samt anslutning av flatkablar till kretskortet.
Det rätta kontaktsystemet:
One27 från ept möjliggör steglös inställning av horisontella kretskortsavstånd från 8 mm upp till 20 mm. Detta möjliggörs genom utformningen av anslutningsytan med en kontaktöverlappning på 2,4 mm. Genom att använda en kabelanslutning kan toleranser i alla riktningar kompenseras beroende på tillämpning, och de kretskortsavstånd som krävs i varje enskilt fall kan uppnås.
Mer information om produkten hittar du här:
One27 »
One27 från ept möjliggör steglös inställning av horisontella kretskortsavstånd från 8 mm upp till 20 mm. Detta möjliggörs genom utformningen av anslutningsytan med en kontaktöverlappning på 2,4 mm. Genom att använda en kabelanslutning kan toleranser i alla riktningar kompenseras beroende på tillämpning, och de kretskortsavstånd som krävs i varje enskilt fall kan uppnås.
Mer information om produkten hittar du här:
One27 »
Prestanda
Goda egenskaper vad gäller signalintegritet, som avgör kvaliteten på dataöverföringen från sändare till mottagare, samt skyddet av signalerna är en grundläggande förutsättning för användning i växelriktare. De data som överförs via kontaktdonet gör det nämligen möjligt för växelriktaren att på ett intelligent sätt och i realtid överföra data till de anslutna förbrukare. Kvaliteten på dataöverföringen beror på tre kriterier:
- Impedansförloppet: Så snart impedansen förändras i överföringsvägen reflekteras signalen, vilket försämrar kvaliteten på dataöverföringen. Redan en förändring av material eller geometri kan leda till att impedansen varierar.
- Insättningsdämpningen, även kallad insertion loss: Denna parameter hjälper till att bedöma om mottagaren entydigt kan identifiera en signal över hela överföringsvägen. Om man som kriterium för datahastigheten hos Zero8-kontakten från ept (SMT-kontakt med 0,8 mm raster och ScaleX-teknik) utgår från ett typiskt värde för infogningsdämpningen på -3 dB, blir överföringshastigheten vid 8 GHz minst 16 Gbit/s.
- Överhörning vid signalöverföring: Överhörning är den oönskade påverkan på ett signal från en signal på en annan ledning, där man beroende på typen av påverkan skiljer mellan när- och fjärröverhörning. Överhörningens styrka beror i hög grad på signal- och massbeläggningen.
Signalintegritetsegenskaperna hos en kontakt kan förbättras avsevärt genom EMC-skydd (elektromagnetisk kompatibilitet). Elektromagnetisk kompatibilitet innebär en teknisk enhets förmåga att inte störas av avsiktliga eller oavsiktliga elektriska eller elektromagnetiska effekter, eller att inte störa andra. Elektromagnetiska störningar kan minskas hos kontakter genom ett skärmningskoncept. Kopplingsinduktansen simulerar kontaktdonet både som störningskälla och som störningssänka. Med hjälp av färgförloppen och värdena för kopplingsinduktansen kan man tydligt se effekten av skärmningskonceptet i följande figur.
Genom att använda den skärmade Zero8-kontakten kan störningskällor och störningsavledare placeras närmare varandra på kretskortet, samtidigt som högre effektklasser för den elektriska apparaten kan uppnås vid de föreskrivna burst- och överspänningsprovningarna.
Förutom signalintegritetsegenskaperna är även en kontaktdonets strömbärande förmåga för effektöverföring en viktig kärnkompetens. Med hjälp av strömbelastningskurvor kan man fastställa hur mycket ström som får ledas genom en kontakt vid en given omgivningstemperatur för att inte överskrida komponentens maximalt tillåtna gränstemperatur. Följande deratingkurva visar exempelvis hur olika strömvärden per kontakt uppstår för kontaktdonet Zero8 beroende på polantal och antal strömförande kontakter.
Som framgår av figuren uppnår ett kontaktdon med 12 stift (blå kurva) en bättre strömkapacitet jämfört med ett kontaktdon med 80 stift (grön kurva). Anledningen till detta är att det bildas färre hotspots inuti kontaktdon med färre poler: här alstras mindre värme och den kan fördelas bättre. Värmen avleds ännu bättre om strömmen endast leds genom en liten del av kontakterna (röd kurva).
Som framgår av figuren uppnår ett kontaktdon med 12 stift (blå kurva) en bättre strömkapacitet jämfört med ett kontaktdon med 80 stift (grön kurva). Anledningen till detta är att det bildas färre hotspots inuti kontaktdon med färre poler: här alstras mindre värme och den kan fördelas bättre. Värmen avleds ännu bättre om strömmen endast leds genom en liten del av kontakterna (röd kurva).
Robusthet
När det gäller SMT-kontakter visar sig kontakten robusthet till exempel i utformningen av kontaktprincipen mellan kniv- och fjäderlister med dubbel kontakt, kvaliteten på kontaktbeläggningen för minimalt ytslitage eller lödfötterna, som måste utformas för optimal meniskbildning. Även vid bearbetning och hantering av SMT-kontaktdon kan det vara viktigt att dessa är så robusta som möjligt. Vid själva anslutningen möjliggör införingsfasningar och ett generöst utformat fästområde en hög toleransutjämning och tjänar till att göra hanteringen av kontaktdonen så enkel som möjligt.
Kontaktdon utsätts för kraftiga stötar och vibrationer i en växelriktare, eftersom de vanligtvis monteras nära motorn. Stötar och vibrationer äventyrar den konstanta och störningsfria kontakten mellan kretskortet och kontaktdonet, liksom mellan själva kontaktdonen. En pålitlig och hållbar kontakt mellan en kontaktdon och kretskortet uppnås t.ex. genom pressmonteringsteknik. Syftet med pressmonteringstekniken är att uppnå så stora hållkrafter som möjligt mellan kontaktdonet och kretskortet. Det är nämligen hållkrafterna som avgör den mekaniska förbindelsen, vilken i sin tur måste tåla stötar och vibrationer. Denna anslutningsteknik är en beprövad metod där en pressstift pressas in i ett hål i kretskortet och genom mekanisk deformation av stiftet skapas en gastät, korrosionsfri, lågohmsk och elektriskt säker mekanisk förbindelse, som även lämpar sig för ingjutning. ept GmbH erbjuder både katalogprodukter och kundspecifika lösningar med denna bearbetningsteknik.
Vid denna metod har pressstiftet en större diagonal än kretskortets hålgenomgång. Kontaktstiftet är flexibelt i presszonen så att kretskortet inte deformeras eller skadas av de fysiska krafterna under pressningen. Deformationen begränsas alltså till inpressningszonen. Under inpressningsprocessen uppstår en kallsvetsning mellan kontaktstiftet och det metalliserade hålet i kretskortet, vilket gör anslutningen mekaniskt mycket tålig utan att kretskortet utsätts för termisk belastning genom en lödningsprocess. Den specificeras dessutom i DIN EN 60352-5 och förblir kontaktsäker även vid mycket höga mekaniska och termiska påfrestningar, såsom vibrationer, böjning och kraftiga temperaturväxlingar, samt tål stötbelastningar på upp till 200 g. Tack vare inpressningstekniken utmärker sig Flexilink-kontaktdonet från ept genom särskilda kvalitetsegenskaper:
Vid denna metod har pressstiftet en större diagonal än kretskortets hålgenomgång. Kontaktstiftet är flexibelt i presszonen så att kretskortet inte deformeras eller skadas av de fysiska krafterna under pressningen. Deformationen begränsas alltså till inpressningszonen. Under inpressningsprocessen uppstår en kallsvetsning mellan kontaktstiftet och det metalliserade hålet i kretskortet, vilket gör anslutningen mekaniskt mycket tålig utan att kretskortet utsätts för termisk belastning genom en lödningsprocess. Den specificeras dessutom i DIN EN 60352-5 och förblir kontaktsäker även vid mycket höga mekaniska och termiska påfrestningar, såsom vibrationer, böjning och kraftiga temperaturväxlingar, samt tål stötbelastningar på upp till 200 g. Tack vare inpressningstekniken utmärker sig Flexilink-kontaktdonet från ept genom särskilda kvalitetsegenskaper:
- Liten munstyckspåverkan (dvs. deformation av ledarbana)
- Förhindrar kalla lödpunkter och kortslutningar genom lödbroar
- Hög hållfasthet och robusthet samtidigt som utmärkta fjäderegenskaper
- säkerställs Processsäker bearbetbarhet genom optimal anpassning till tillverkningstekniken
- Pålitlig reproducerbarhet i tillverkningen genom präglad formgivning
- Uppfyller de högsta kraven från ledande tillverkare inom fordonselektronik
- Högsta tillförlitlighet och driftsäkerhet beprövad miljarder gånger
Vill ni få ännu mer detaljerad fackkunskap om pressmonteringsteknik?
För utförlig information om grunderna i pressmonteringsteknik skickar vi gärna vår kostnadsfria vitbok till er:
Beställ vitboken »
För utförlig information om grunderna i pressmonteringsteknik skickar vi gärna vår kostnadsfria vitbok till er:
Beställ vitboken »
Har du några frågor?
Kontakta oss gärna!
Skicka en förfrågan via formuläret
+49 8861 2501 0
sales@ept.de
Kontakta oss gärna!
Skicka en förfrågan via formuläret
+49 8861 2501 0
sales@ept.de