Elektrofahrzeuge und Ultraschallschweißen für Sammelschienen

May 24, 2023

Ultraschallschweißen (anknüpfend an die CLC-Technologie) Verbesserungen gegenüber konventionellem Schweißen

Da der Markt für Elektrofahrzeuge weiter wächst, werden die Hersteller nach Lösungen suchen, um die aktuellen technologischen Prozesse für Elektrofahrzeuge zu verbessernBatterieleistung B. Effizienz, Batterielebensdauer und Ladezeit. Um diese wichtigen potenziellen Faktoren zu maximieren, wird das Ultraschallschweißen bei diesen technologischen Durchbrüchen eine entscheidende Rolle spielen. Seit den 1980er Jahren ist die Automobilkabelbaumindustrie nachweislich der größte Anwender des Ultraschallschweißens.

In Elektrofahrzeugen werden große Reihen von Batteriezellen in versiegelten Packungen verschmolzen, um die erforderliche Betriebsspannung und den erforderlichen Betriebsstrom für den Antrieb des Elektromotors eines Fahrzeugs zu erreichen. Zwei Hauptprobleme bei Elektrofahrzeugen sind die Energiespeicherung und die Reichweite. OEMs gehen diese Probleme auf zwei Arten an: Sie entwickeln größere Batterien, die eine größere Reichweite ermöglichen, und entwickeln leistungsstärkere Batterien, die ein schnelleres Laden ermöglichen.

Mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen haben Hersteller herausgefunden, dass Stromschienen die ideale Lösung zur Verbesserung der Leitung in Elektrofahrzeugen sind. Sammelschienen sind abgeflachte Leiter, die die EV-Landschaft revolutionieren und in Schaltanlagen, Schalttafeln und Sammelschienengehäusen für die lokale Hochstromverteilung untergebracht sind. Eine Sammelschiene ist ein metallischer Streifen oder Stab aus Kupfer, Messing oder Aluminium, der Strom erdet und leitet.

Bei der Implementierung von Stromschienen in Elektrofahrzeugen ist ein sensibles und solides Verbindungsverfahren erforderlich, um die Leitfähigkeit sicherzustellen. Die Ultraschallschweißtechnik ist ein bewährtes Fügeverfahren, das sich laut Automobilherstellern ideal für den Einsatz in Stromschienen und Leistungselektronik eignet. Beim Ultraschallschweißen können die Parameter kontrolliert werden und die Schweißnaht wird weniger belastet, was die Schweißnähte wiederholbar und präzise macht. Ultraschallschweißen ist das bevorzugte Fügeverfahren für Stromschienen.

TECH-SONIC hat ein hochmodernes Ultraschall-Fügeverfahren namens „CLC“ (Closed Loop Control) entwickelt. Herkömmliches Ultraschallschweißen arbeitet mit einem Pneumatikzylinder, der einige Unstimmigkeiten mit der Luftschwankung aufweisen kann. Beim Closed-Loop-Control-Ultraschallschweißen von TECH-SONIC werden jedoch ein elektrischer Servomotor und Wägezellen in Verbindung mit einem Ultraschallschweißgerät verwendet. Durch diese Integration können Benutzer die aufgebrachte Kraft und Amplitude während des Schweißprozesses steuern und überwachen. TECH-SONIC nennt diesen Prozess „Mehrschrittschweißen“ und verwandelt ein einst offenes Kreislaufsystem in ein geschlossenes Kreislaufsystem. Diese Technologie bietet eine hervorragende Qualitätskontrolle mit sehr wiederholbaren Schweißergebnissen und führt zu erheblichen Kosteneinsparungen. Dies ist das ideale Fügeverfahren fürEV-Sammelschienenum eine gute und stabile Schweißnaht zu gewährleisten.

Beim Closed-Loop-Control-Ultraschallschweißen von TECH-SONIC werden ein elektrischer Servomotor und Wägezellen in Verbindung mit einem Ultraschallschweißgerät verwendet. Durch diese Integration können Benutzer die aufgebrachte Kraft und Amplitude während des Schweißprozesses steuern und überwachen. TECH-SONIC nennt diesen Prozess „Mehrschrittschweißen“ und verwandelt ein einst offenes Kreislaufsystem in ein geschlossenes Kreislaufsystem. Diese Technologie bietet eine hervorragende Qualitätskontrolle mit sehr wiederholbaren Schweißergebnissen und führt zu erheblichen Kosteneinsparungen. Dies ist das ideale Fügeverfahren für Stromschienen, um eine gute und stabile Schweißung zu gewährleisten.

Sammelschienen gibt es in verschiedenen Größen und Formen, die die maximale elektrische Strommenge bestimmen, die ein Leiter führen kann, bevor er beschädigt wird. Sammelschienen bestehen in der Regel aus korrosionsbeständigem Kupfer, Messing oder Aluminium in Voll- oder Hohlrohren. Die Form und Größe einer Sammelschiene, ob flache Streifen, massive Stäbe oder Stäbe, ermöglicht aufgrund des hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Querschnittsfläche eine effizientere Wärmeableitung. Kupferschienen oxidieren normalerweise mit der Zeit, bleiben aber leitfähig. Deshalb ist die Beschichtung der Stromschiene zum Schutz vor Oxidation wichtig. Die drei Hauptzwecke der Beschichtung von Stromschienen sind: Korrosion zu verhindern, Leitfähigkeit zu erhöhen und kosmetische Zwecke zu erfüllen. Die derzeit in Automobilanwendungen verwendeten Stromschienengrößen betragen 35, 50 und 90 mm2. Heutzutage verfügt ein Batteriepack über etwa 15–20 Stromschienen.

Mit den richtigen Materialien kann eine Sammelschiene das Wärmemanagement und die Stromverteilung in einem EV/HEV unterstützen. Das Leitermaterial einer Sammelschiene und die Querschnittsgröße der Sammelschiene bestimmen ihre Strombelastbarkeit. Laminierte Sammelschienen bestehen typischerweise aus Kupfer- oder Aluminiumleitern, die möglicherweise mit zusätzlichem leitfähigem Metall wie Silber oder Gold plattiert sind. Sammelschienen können in einer Vielzahl von Formen hergestellt werden, einschließlich flacher Streifen, massiver Stäbe und Hohlrohre, wobei flache oder hohle Formen im Allgemeinen für Hochstromanwendungen bevorzugt werden.

Der Energiebedarf eines EV/HEV kann stark variieren, wobei die größten Mengen an elektrischer Energie vom Wechselrichter und dem elektrischen Antriebsmotor benötigt werden. Ein EV-Motor verfügt über ein breites Spektrum an Leistungsstufen, vom Betrieb mit niedrigerer Spannung bei langsamen Geschwindigkeiten bis hin zum Einsatz mit höherer Leistung beim Beschleunigen oder beim Erklimmen steiler Steigungen. Stromschienen mit niedriger Induktivität können dazu beitragen, eine verlustarme Energieübertragung mit hoher Energieeffizienz von einem Batteriepaket zu erreichen, indem sie Energieverluste im Stromübertragungspfad vom Hochleistungsbatteriepaket eines Elektrofahrzeugs zum Wechselrichter und zum elektrischen Antriebsmotor minimieren.

Die Ultraschallschweißtechnologie ist ein bewährtes Verbindungsverfahren, das von Automobilherstellern zunehmend für den Einsatz in Elektrofahrzeugen für Kabel zu Anschlussverbindungen, Stromschienen, Batterieherstellung und Leistungselektronik spezifiziert wird. Das lineare Schweißen ist die traditionellere und bekanntere Technik, die von allen Geräteherstellern als Standardverfahren zum Verbinden von Drähten verwendet wird. Das lineare Schweißen bringt jedoch Größenbeschränkungen, Schwierigkeiten beim Schweißen in kleineren Bereichen, Probleme mit der Schweißausrichtung und Vibrationseffekte auf periphere Komponenten mit sich. Beim Ultraschallschweißen können die Parameter kontrolliert werden und die Schweißnaht wird weniger belastet, was die Schweißnähte wiederholbar und präzise macht.

Eine Sammelschiene kann durch ihren Widerstand und ihre Leitfähigkeit charakterisiert werden, wobei ihre elektrischen Beiträge idealerweise möglichst gleichmäßig über ihre Länge verteilt sind, um Leistungsprobleme zu vermeiden. Während in einer Sammelschiene für die Stromverteilung von Elektro- und Hybridfahrzeugen möglichst niedrige Widerstands- und Leitungswerte zu bevorzugen sind, wird bei einigen Sammelschienen für diesen Zweck auf unterschiedliche Weise Kapazität hinzugefügt, um die Ladungstragfähigkeit der Stromverteilungsstruktur zu erhöhen.

Im Gegensatz zu Stromkabeln ermöglichen Sammelschienen auch eine Stromverteilung mit hoher Leistungsdichte, indem auf ihnen aktive Komponenten zur Leistungsumwandlung, wie zum Beispiel IGBT-Halbleiter, und passive Schaltungselemente, wie zum Beispiel Kondensatoren und EMI-Filter zur Rauschunterdrückung, montiert werden Sammelschienen. In den meisten Fällen können Schaltungselemente vor dem Einbau in ein Elektro- oder Hybridfahrzeug oder als Teil des Herstellungsprozesses der Sammelschiene in eine laminierte Sammelschiene integriert werden. Der Einbau von Elektrolytkondensatoren in Stromschienen für Motorantriebe kann die Leistung verbessern und gleichzeitig das Schaltkreisvolumen einsparen. Für weitere Platzeinsparungen innerhalb eines EV/HEV sind Hybridformen von Sammelschienen mit Signalpfaden entlang der Leistungsebenen erhältlich, um Sensoren und Steuergeräte mit Bordcomputern und Fahrersteuerungen zu verbinden.