Analyse der elektrischen Hochspannungsintegrationstechnologie für Fahrzeuge mit neuer Energie: Laminierte Stromschienen treiben die Entwicklung elektrischer Antriebssysteme hin zu hoher Leistung und geringem Gewicht voran

Da sich New Energy Vehicles (NEVs) in Richtung höherer Spannungen, höherer Leistung und stärkerer Integration entwickeln, unterliegen die elektrischen Fahrzeugarchitekturen einem tiefgreifenden Wandel. Von 800-V-Hochspannungsplattformen und innovativen Batteriesystemstrukturen bis hin zur „All{3}}in-Integration elektrischer Antriebssysteme sind effiziente, sichere und kompakte Energieübertragungslösungen zu einer entscheidenden Grundlage für die Verbesserung der Gesamtleistung des Fahrzeugs geworden.

 

In NEVs erfordert die Stromübertragung zwischen der Traktionsbatterie, dem elektrischen Antriebssystem, dem Ladesystem und den Hochspannungshilfsgeräten zahlreiche Hochspannungsverbindungskomponenten. Während herkömmliche Kabelbäume und Standard-Kupfersammelschienen grundlegende Verbindungsanforderungen erfüllen, stehen sie zunehmend vor Herausforderungen hinsichtlich der Strombelastbarkeit, der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), des Installationsraums und der Zuverlässigkeit in Anwendungen, die durch hohe Ströme, Hochfrequenzschaltungen und hochintegrierte räumliche Anordnungen gekennzeichnet sind.

 

Laminierte Sammelschienen-die sich durch niedrige parasitäre Induktivität, hohe Strombelastbarkeit-, kompakte Struktur und flexible Installation auszeichnen-haben sich als Schlüssellösung für elektrische Hochspannungsverbindungen-in NEVs herausgestellt. Sie werden häufig in Batteriepacks, Motorsteuerungen, Wechselrichtern, Leistungsmodulen und Stromverteilungssystemen eingesetzt.

 

 

 

Die Hochspannungssysteme von NEVs umfassen typischerweise mehrere Module, darunter die Traktionsbatterie, die Hochspannungs-Stromverteilereinheit (PDU), die Motorsteuerung, das Bordladegerät (On-Board Charger, OBC) und den Klimakompressor. Da sich die Spannungsplattformen der Fahrzeuge von 400 V auf 800 V oder höher verschieben, müssen elektrische Verbindungssysteme gleichzeitig strenge Anforderungen an die Hochstromübertragung, elektrische Isolierung, Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie Platzoptimierung erfüllen.

 

Im Vergleich zu herkömmlichen Kabelverbindungen bieten Sammelschienenstrukturen eine bessere Raumausnutzung und eine stabilere elektrische Leistung. Bei einer gegebenen Querschnittsfläche bieten Kupferleiter einen effizienteren Weg für die Stromübertragung; Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer starren Struktur weniger anfällig für die Auswirkungen langfristiger Fahrzeugvibrationen.

 

In elektrischen Hochleistungsantriebssystemen ist die Konnektivität mit niedriger-Induktivität zu einem entscheidenden Designparameter geworden. Beispielsweise kann in Stromumwandlungssystemen, die Hochgeschwindigkeitsschaltgeräte verwenden, eine parasitäre Induktivität bei Schaltvorgängen Spannungsspitzen auslösen, die möglicherweise den sicheren Betrieb der Komponenten gefährden. Daher ist die Minimierung der Streuinduktivität innerhalb des Verbindungskreises für die Verbesserung der Systemzuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung.

 

Bei Antriebssystemen mit IGBT-Leistungsmodulen können laminierte Stromschienen für Motorantriebe die Anordnung der positiven und negativen Leiter optimieren. Dadurch entsteht eine kompaktere Stromschleife, wodurch parasitäre Systemparameter reduziert und die Effizienz der Leistungsumwandlung verbessert werden. Strukturelle Vorteile und Konstruktionsprinzipien laminierter Sammelschienen mit geringer Induktivität

 

Herkömmliche einschichtige Kupfersammelschienen benötigen typischerweise viel Installationsraum und erzeugen große Magnetfeldschleifen zwischen den Plus- und Minuspolen. Wenn sich der Strom schnell ändert, erzeugt dieser große Schleifenbereich eine höhere parasitäre (verteilte) Induktivität.

Laminierte Stromschienen nutzen eine Verbundstruktur aus mehreren leitenden Schichten und Isoliermaterialien. Durch das Stapeln von leitfähigen Schichten entgegengesetzter Polarität gemäß den spezifischen Designanforderungen fließen die positiven und negativen Ströme in der Nähe in entgegengesetzte Richtungen. Dabei wird das Prinzip der elektromagnetischen Feldunterdrückung genutzt, um die Schleifeninduktivität zu reduzieren.

 

Diese Struktur verkürzt nicht nur den Strompfad, sondern minimiert auch den Bereich, in dem der Magnetfluss erzeugt wird, wodurch die elektrische Leistung in Hochgeschwindigkeitsschaltumgebungen erheblich verbessert wird.

 

In Wechselrichtern für neue Energiefahrzeuge sorgen laminierte Sammelschienen für IGBT--basierte Motorantriebe für stabile Verbindungspfade für den Gleichstromeingang und den Wechselstromausgang zu Leistungsmodulen. Dies minimiert Spannungsschwankungen in IGBT-Modulen während Hochfrequenzschaltungen und verbessert die Betriebsstabilität des Gesamtsystems.

 

Darüber hinaus verbessert die laminierte Struktur effektiv die Wärmeableitung. Im Vergleich zu herkömmlichen Kabelbäumen bietet die planare Leiterstruktur eine größere Oberfläche zur Wärmeableitung und trägt so dazu bei, den Temperaturanstieg bei längerem Hochstrombetrieb zu begrenzen.

 

 

Die Motorsteuerung ist eine Kernkomponente des Antriebsstrangs in Fahrzeugen mit neuer Energie; Seine Hauptfunktion besteht darin, den Gleichstromausgang der Leistungsbatterie in den zum Antrieb des Motors erforderlichen Wechselstrom umzuwandeln. Dieser Prozess beinhaltet die Umwandlung von Hochfrequenz- und Hochleistungsenergie innerhalb des Wechselrichters, wodurch strenge Anforderungen an die interne Verbindungsstruktur gestellt werden.

 

Die Sammelschienen im Wechselrichter sind für die Stromübertragung über drei Hauptabschnitte verantwortlich: Gleichstromeingang, Leistungsmodulverbindung und Wechselstromausgang.

 

Auf der DC-Eingangsstufe ist die Sammelschiene normalerweise mit Filterkondensatoren oder Zwischenkreiskondensatoren verbunden, um Stromwelligkeiten zu reduzieren und die Spannung zu stabilisieren. Durch die Integration der Sammelschiene in die Kondensatorstruktur werden die Verbindungsabstände verkürzt, die Anzahl der Verbindungspunkte reduziert und die Systemkompaktheit erhöht.

 

Durch die Kombination von Kondensatoranschlussstrukturen mit dem Sammelschienendesign wird der Gleichstromzwischenkreis rationalisiert und die Montagekomplexität verringert.

 

Im Anschlussbereich des Leistungsmoduls müssen laminierte Sammelschienen genau auf das IGBT-Modullayout abgestimmt sein {{0}und dabei Parameter wie Klemmenpositionierung, Leiterdicke, Isolationsabstand und Montagemethoden berücksichtigen-, um sowohl die elektrische Leistung als auch die mechanische Zuverlässigkeit sicherzustellen. Für Hochleistungs-Wechselrichteranwendungen erfüllen laminierte Sammelschienen, die für hohe Ströme ausgelegt sind, den Bedarf an Hochleistungs-Stromübertragung und optimieren gleichzeitig das strukturelle Design, um Induktivität und Wärmewiderstand zu reduzieren. Sie eignen sich für Fahrzeuge mit neuer Energie, Antriebsanlagen und industrielle Antriebssysteme.

 

 

 

Mit der Verlagerung neuer Energiefahrzeuge auf 800-V-Hochspannungsplattformen wird die Bedeutung des Isolationsdesigns immer wichtiger.

 

In Hochspannungsumgebungen müssen Stromschienen nicht nur Dauerspannung, sondern auch Vibrationen, Temperaturschwankungen und Spannungsspitzen während des Fahrzeugbetriebs standhalten. Folglich sind die Leistung von Isoliermaterialien, Kriechstrecken und die Gestaltung der elektrischen Luftstrecke zu Schlüsselfaktoren bei der Entwicklung von Sammelschienen geworden.

 

Bei laminierten Stromschienen kommen in der Regel Isolationsmethoden wie PET, PI, Epoxidharz oder Pulverbeschichtung zum Einsatz, wobei die Materialien auf der Grundlage spezifischer Anwendungsanforderungen ausgewählt werden.

 

Beispielsweise verbessern lackierte isolierte Sammelschienen (VIB) den Leiterschutz durch eine isolierende Beschichtung und sorgen gleichzeitig für eine hervorragende Platzeffizienz, was sie ideal für kompakte elektrische Anschlussumgebungen macht.

 

Im Vergleich zur herkömmlichen Schlauchisolierung minimiert eine integrierte Isolationsstruktur den Platzverbrauch, was zu einem kompakteren Hochspannungsverbindungssystem führt.

 

 

Die elektrischen Systeme von Fahrzeugen mit neuer Energie erfordern Lösungen sowohl für Verbindungen mit kurzer{0}}Reichweite-z. B. innerhalb von Batteriepaketen und elektrischen Antriebseinheiten-als auch für die Energieübertragung mit großer-Reichweite zwischen der Traktionsbatterie, der Hochspannungs--Stromverteilungseinheit und dem Antriebssystem.

 

Herkömmliche Hochspannungskabel bieten zwar Flexibilität, sind jedoch schwer, nehmen viel Platz ein und erfordern bei der Installation große Biegeradien.

 

Im Gegensatz dazu bieten flexible und zusammengesetzte Sammelschienenlösungen eine hervorragende räumliche Anpassungsfähigkeit bei gleichzeitig hoher Strombelastbarkeit. Durch die Kombination von Leitermaterialien wie Kupfer und Aluminium kann das Systemgewicht weiter reduziert werden, wodurch ein optimales Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung erreicht wird.

 

Hochzuverlässige Verbindungskonzepte, die ursprünglich für Stromschienen von Elektrolokomotiven entwickelt wurden, werden zunehmend auf Fahrzeuge mit neuer Energie, große Energiespeichersysteme und elektrische Ausrüstung für den Schienenverkehr angewendet.

 

Bei komplexen Stromverteilungssystemen reduziert der modulare Aufbau die Komplexität, die mit der Installation mehrerer paralleler Leiter verbunden ist, und erleichtert so die automatisierte Montage.

 

 

Das Traktionsbatteriesystem ist eine der komplexesten Komponenten eines New-Energy-Fahrzeugs und umfasst die meisten elektrischen Anschlüsse. Mit der Entwicklung von Batteriestrukturtechnologien wie CTP (Cell-to-Pack) und CTC (Cell-to-Chassis) steigt der Grad der Zellintegration weiter an und stellt höhere Anforderungen an interne Verbindungslösungen.

 

Herkömmliche Methoden-wie Kabel und Verbindungslaschen aus Metall- haben bei der Verbindung einer großen Anzahl von Zellen oft mit Komplexität, geringer Montageeffizienz und Zuverlässigkeitsproblemen zu kämpfen.

 

Sammelschienenstrukturen, die sich durch große leitende Oberflächen und überlegene strukturelle Stabilität auszeichnen, können gleichzeitig die Anforderungen an Stromübertragungs- und Signalerfassungsschaltungen erfüllen.

 

Durch die Integration mit flexiblen gedruckten Schaltkreisen (FPCs), Temperatursensoren und Spannungsüberwachungsleitungen ermöglichen Sammelschienen ein integriertes Design für Leistungsbatterieverbindungen.

 

Da Batteriesysteme für neue Energiefahrzeuge (NEV) immer mehr Wert auf hohe Integration, Miniaturisierung und Intelligenz legen, werden Sammelschienenlösungen für die Stromverteilung eine immer wichtigere Rolle bei Strombatterien, Hochspannungs-Stromverteilungs- und Energiemanagementsystemen spielen.

 

 

Da NEVs immer leistungsfähiger werden, verlagert sich die Sammelschienentechnologie von einfachen leitfähigen Komponenten hin zu umfassenden elektrischen Lösungen auf Systemebene.

 

Zukünftige Entwicklungen bei laminierten Stromschienen werden sich auf mehrere Schlüsselbereiche konzentrieren:

Erstens handelt es sich um ein Design mit niedriger -Induktivität. Durch den zunehmenden Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Leistungsbauelementen wie SiC (Siliziumkarbid) erfordern Systeme kürzere, kompaktere Stromschleifen, um Spannungsschwankungen beim Schalten zu minimieren.

 

Zweitens ist die höhere Integration. Sammelschienen werden zunehmend Kondensatoren, Sensoren, Schutzgeräte und Steuerungskomponenten enthalten, um funktionale Modularität zu erreichen.

 

Drittens ist ein leichtes Design. Der Einsatz von Aluminiumleitern, Kupfer-Aluminium-Verbundstrukturen und fortschrittlichen Herstellungsprozessen wird dazu beitragen, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und die Reichweite zu erhöhen.

 

Darüber hinaus können Stromschienen für bestimmte Anwendungen angepasst werden {{0}auf elektrische Parameter, Installationsraum und Umgebungsbedingungen zugeschnitten-, um eine optimale Systemkompatibilität zu gewährleisten.
 

 

 

Der Entwicklungsverlauf von NEVs verschiebt sich von einem reinen Fokus auf die Erhöhung der Batteriekapazität hin zur Verbesserung der Systemeffizienz, Optimierung von Strukturen und Verbesserung der Gesamtintegrationsfähigkeiten.

 

Von internen Batterieanschlüssen und Wechselrichter-Stromumwandlung bis hin zur fahrzeugweiten Hochspannungs--Stromverteilung wird die Sammelschienentechnologie zu einem Eckpfeiler von NEV-Hochspannungssystemen.

 

Basierend auf Designprinzipien, die niedrige Induktivität, hohe Zuverlässigkeit und hohe Integration betonen, werden fortschrittliche leitfähige Lösungen-wie Kupfer-Sammelschienen für alternative Energien- weiterhin eine wichtige Rolle in NEVs, Energiespeichersystemen und neuen Energieausrüstungssektoren spielen. Angetrieben durch die Entwicklung von 800-V-Plattformen, Hochleistungs-Elektroantriebssystemen und intelligenten Energiesystemen,laminierte Stromschienenwird sich über bloße Verbindungskomponenten hinaus zu einer wichtigen technologischen Grundlage für die hocheffizienten elektrischen Energiemanagementsysteme von Fahrzeugen mit neuer Energie entwickeln.