Ултразвучно заваривање ( ЕВс ) Прикључне жице Сабирнице

Анализа технологије ултразвучног заваривања спојних жица електричних возила
Ја. Предности процеса
‌Висока ефикасност и поузданост‌
Ултразвучно заваривање постиже чврсту везу између атома метала кроз топлоту трења коју стварају високофреквентне вибрације. Није потребан лем или флукс. Спој за заваривање има низак отпор и одличну проводљивост, што може значајно смањити губитак енергије и ризике од грејања. Погодан је за високонапонске каблове и системе конектора.
У поређењу са традиционалним процесима пресовања или лемљења, време његовог заваривања је кратко (само неколико секунди), а чврстоћа зглоба је велика, који могу да издрже вибрације и механичка оптерећења током вожње возила.

Прилагођене различите сабирнице – круте, флексибилан

‌Широка прилагодљивост материјала‌
Ова технологија може да обрађује различите материјале као што је бакар, алуминијум и његове легуре. Посебно је погодан за потребе заваривања танких пречника вишежилних каблова и равних сабирница (као што су бакарне/алуминијумске шипке) у возилима нове енергије, испуњавање захтева за лакоћом и оптимизацијом простора.

‌Заштита животне средине и уштеда енергије‌
Карактеристике ниске потрошње енергије смањују трошкове производње, уз избегавање проблема са корозијом изазваних остацима флукса, и побољшање дугорочне поузданости кабловских свежња.

2. Типични сценарији примене
‌Високонапонска веза жичног свежња‌
Користи се за високонапонско заваривање каблова између батерија и погонских мотора како би се задовољили захтеви преноса великих струја (као што су снопови са површином попречног пресека од ≥50 мм²) и обезбеђују низак унутрашњи отпор и високу механичку чврстоћу‌.

Прилагођена флексибилна сабирница

Интеграција система сабирница
Унутар батерије, ултразвучно заваривање повезује више равних сабирница (обично бакар или алуминијум) до полова батерије, смањење заузетости простора и побољшање ефикасности дистрибуције струје‌.

‌Компоненте система за пуњење‌
Примјењује се на кључне компоненте као што су интерфејси за брзо пуњење и пиштољи за пуњење хлађени текућином како би се осигурала стабилност и издржљивост контаката током пуњења велике снаге‌.

3. Технички изазови и решења
‌Потешкоће у заваривању великих четвртастих каблова
Жичани свежањ са површином попречног пресека већим од 50 мм² захтевају опрему веће снаге (као што је ≥10кВ), а повећани притисак заваривања ће изазвати деформацију традиционалне конзолне опреме, који захтевају чвршћи структурални дизајн за побољшање ефикасности конверзије енергије‌.

Ултразвучно заваривање сабирница у примени електричних возила

‌Праћење квалитета заваривања‌
Процес заваривања треба да прати параметре као што је енергија, амплитуда, и притисак у реалном времену, и анализирајте криву заваривања кроз систем за детекцију вибрација на мрежи како бисте спречили проблеме са хладним заваривањем или одлемљивањем. На пример, решење за праћење које је развио Јиаоцхенг Ултрасониц може динамички пратити статус заваривања и побољшати стопу приноса‌.

ИВ. Тренд развоја
‌Паметна надоградња‌: У комбинацији са АИ алгоритмом за оптимизацију прилагодљивог прилагођавања параметара заваривања како би се задовољиле потребе за заваривањем нових каблова као што су композитни проводници од бакра и алуминијума и материјали за облагање‌8.
‌Истраживање и развој опреме велике снаге‌: Развити специјалну опрему веће снаге и притиска за потребе заваривања каблова веће површине попречног пресека (као што је 150 мм²) у сценаријима препуњавања.

Резиме
Ултразвучно заваривање је постало основни процес за повезивање високонапонских каблова и сабирница електричних возила са својом високом ефикасношћу, мала потрошња, и висока поузданост. Са повећањем капацитета батерије и развојем технологије брзог пуњења, ова технологија треба даље да пробије уско грло заваривања каблова великог квадрата и да обезбеди сигурност кроз интелигентно праћење квалитета‌.

Флексибилне сабирнице и чврсте сабирнице заварене на чврсте сабирнице

Индустрија за производњу каблова за аутомобиле је највећи корисник ултразвучног заваривања од касних 1980-их, првенствено користећи технологију за спајање жица. Међутим, нове примене технологије се користе као део будућих процеса који ће на крају пружити произвођачима аутомобила решења за многе недостатке данашње технологије електричних возила. Овај чланак углавном представља ултразвучно заваривање сабирница и сабирница снопа аутомобилских ожичења.

1. Тренутни пејзаж производње електричних возила
У електричним возилима, велики пакети батерија комбиновани у запечаћена паковања се користе за постизање радног напона и струје потребне за напајање електричног мотора возила. Тренутно, два главна питања у области ЕВ/ХЕВ су складиштење енергије и домет вожње. ОЕМ произвођачи решавају ова питања на два начина: прављење већих батерија за већи домет, и прављење снажнијих батерија за брже пуњење. Оба приступа имају изазове. Да, батерије могу постати веће, али они могу да достигну само одређену величину пре него што постану прескупи и тешки да би били одрживо решење.
Традиционално ожичење обично није прво место где људи траже иновације ЕВ, али недавна достигнућа имају велики утицај на причу о електричним возилима. Зато што ОЕМ-има дају две ствари које су им очајнички потребне у ЕВ архитектури: мање масе и више простора. Један од начина да се ослободи простор и смањи маса је прелазак са кружног ожичења на равне проводнике. За то служи сабирница.

Каблови заварени на оба краја чврсте сабирнице

2. Шта је електрична сабирница?
Изведено од латинске речи „омнибус,” што се преводи као „све” (као у "свим струјама у датом систему"), сабирнице су равни проводници који постају део архитектуре електричних возила. Сабирнице се обично уграђују у разводне уређаје, разводне табле и кућишта сабирница за локализовану дистрибуцију велике струје. Такође се користе за повезивање високонапонске опреме у електричним разводним постројењима и нисконапонске опреме у батеријама. Сабирнице су металне шипке или шипке од бакра, месинг, или алуминијума који се користе за уземљење и провођење електричне енергије. Електричне сабирнице могу бити обложене разним материјалима, као што су бакар, да обезбеди различите границе и варијације проводљивости. Сабирнице долазе у многим облицима и величинама, а ови облици и величине ће одредити максималну количину струје коју проводник може да носи пре него што се поквари.
данас, има до 20+ сабирнице у батеријском пакету, и овај број ће се повећавати како батерије буду све веће и/или моћније, док простор унутар батерије остаје веома тесан. Ултразвучно заваривање је пожељан процес спајања сабирница у апликацијама на електричним возилима. Али пошто су ове снажније батерије способне само за брзо пуњење, можда ћемо ускоро видети више иновација сабирница осим батерија. Пренос велике снаге са улаза за пуњење на батерију и даље на друге моторе и опрему велике снаге повећава потребу за иновативним апликацијама за ултразвучно заваривање.

3. Зашто компаније преферирају сабирнице?
На дужи рок, Сматра се да би сабирнице могле бити пожељније у односу на стандардне каблове за неке каблове у аутомобилској индустрији. Све већа популарност електричних возила, исплативости, једноставност уградње, ниски трошкови одржавања и сервисирања аутомобилских сабирница, и развој инфраструктуре за пуњење електричних возила су неки од кључних фактора који утичу на раст потражње за аутомобилским сабирницама. Надаље, Очекује се да ће технолошки развој у производњи електричних возила и инфраструктури за пуњење користити глобалном тржишту аутомобилских сабирница. Према истраживању тржишта, услед ових фактора, очекује се да тржиште генерише више од $170 милиона прихода у 2030, расте на ЦАГР од 24.6% из 2021-2030.

Чврсте сабирнице заварене на каблове

Предности коришћења сабирница:
• Смањите трошкове постројења и убрзајте инсталацију
• Могућност додавања, лако и брзо уклоните или преместите изворе напајања без застоја
• Отпоран на будућност и веома флексибилан јер се неки додаци могу искључити и поново повезати без прекида напајања
• Није потребно рутинско одржавање
• Проширење или реновирање је брже и јефтиније
• Еколошки прихватљивији јер генерално захтева мање материјала за уградњу, а утичнице се могу поново користити и лако се мењају
• Равни проводници заузимају мање простора и су 70% ниже висине
• Може подржати 15% више снаге од каблова са истом површином попречног пресека
• Мања тежина и простор за паковање, боља флексибилност. На пример, 160 мм² Флексибилни равни алуминијум (Фф-ал) каблови су иновативно и алтернативно решење за 200 мм² округли алуминијумски каблови.
• Причвршћивање вијцима, најпоузданији процес који је данас доступан и јефтинији. Али додаје додатне делове (вијци) и захтева специфичне вредности обртног момента
• Ефикасно одвођење топлоте – ефикасније од вишеструког кабла
• Различите конструкције – бакар и алуминијум, крут или флексибилан, ламинирана. види слику 1
• Унутрашња батерија не захтева електромагнетну компатибилност
• Промовишите аутоматизацију, побољшати безбедност и квалитет
Фигура 1 – Примери разних сабирница – круте, флексибилан, прилагођени дизајни

Чврсте сабирнице повезане са равним плетеним жицама

4. Значај материјала и величине сабирница
Сабирнице се обично израђују од бакра отпорног на корозију, месинга или алуминијума и смештене у чврсте или шупље цеви. Облик и величина сабирница, да ли равне траке, чврсте шипке или шипке, омогућавају ефикасније одвођење топлоте због високог односа површине према површини попречног пресека.
Иако бакар временом оксидира, остаје проводна, али то обично значи да више снаге може гурнути електричну енергију дуж површине. Иако не спречава у потпуности продужену оксидацију, у великој мери смањује ефекте. Премазивање површине сабирнице ће помоћи у спречавању оксидације.
Премази сабирница обично служе у три главне сврхе:
1. Спречити корозију
2. Побољшати електричну проводљивост
3. За козметичке сврхе
Ламиниране сабирнице се користе за избегавање циркулишућих струја у паралелним склопним уређајима у енергетским електронским колима. Поред његове важне примене у електричним возилима, такође има широку примену у прикупљању и дистрибуцији енергије сунца и ветра због својих ниских својстава индуктивности. Ефикаснији и исплативији метод је употреба изолационог епоксидног премаза у праху. Епоксидни премази у праху имају изузетно високу диелектричну чврстоћу и могу се директно везати за бакар сабирница, алуминијумски или посребрени слојеви.
Величина сабирнице зависи од њене специфичне употребе. Најчешће величине комерцијалних и индустријских сабирница су 40–60 ампера, 100 ампс, 225 ампс, 250 ампс, 400 ампс, и 800 ампс.
Тренутне величине сабирница које се користе у аутомобилским апликацијама су 35, 50 или 90 мм².

Плоснати плетени кабл учвршћен и заварен ултразвучним заваривањем

Сабирнице су доступне у два материјала: бакра и алуминијума. Главне разлике које треба узети у обзир при избору материјала су:
• затезна чврстоћа
• Носивост струје
• Отпор
• тежина
• трошак
Алуминијумске сабирнице су јефтиније и добро раде у условима високе влажности. Али алуминијум има нижу струјну способност и нижу отпорност од бакра. Бакар има боља термичка својства од алуминијума.
Произвођачи сабирница могу прегледати минималне захтеве за сабирнице за ЕВ/ХЕВ или друге апликације за дистрибуцију енергије, детаљан уступак трошкова и избора материјала са перформансама. Наравно, за ЕВ/ХЕВ апликације за дистрибуцију енергије, безбедност возача је додатна брига. Приликом избора материјала сабирница, треба постићи највећу могућу поузданост, не само да би испунили захтеве гаранције возила, али и за безбедност возача и путника.
Прорачун величине проводника је посебно важан за електричне и механичке перформансе сабирница. Захтеви за ношење струје одређују минималну ширину и дебљину проводника. Механичка разматрања укључују крутост, монтажне рупе, везе, и други елементи подсистема. Ширина проводника треба да буде најмање три пута већа од дебљине проводника. Додавањем папучица и рупа за монтажу мења се површина попречног пресека проводника, стварање потенцијалних жаришта на аутобуским баровима. Максимална струја по резу или терминацији мора се узети у обзир да би се избегле вруће тачке.

Сабирнице заварене на ЛЕОНИ спојне вијке

5. Чврсте и флексибилне сабирнице
Још једна кључна разлика која се мора узети у обзир је пуне сабирнице у односу на. флексибилне сабирнице. За аутомобилске апликације унутар ЕВ батерија, користе се чврсте сабирнице (види слику 2). Флексибилне сабирнице се користе у кратким деловима када је потребно померити одређену област ради монтаже или примене. Служи као електрични "скакач". Пример флексибилне сабирнице је приказан на слици 3.
Флексибилне сабирнице имају неколико танких слојева бакра или алуминијума и дизајниране су за ефикасну дистрибуцију енергије у АЦ или ДЦ системима. Залемите сноп бакарне фолије у зони монтаже тако да су крајеви чврсто повезани док средина остане флексибилна. Примери апликација које захтевају флексибилне сабирнице укључују:
• Електрични, хибридна возила и возила на горивне ћелије
• Расклопна постројења и трансформатори за енергетску и оффсхоре индустрију
• Примена генератора у бродоградњи
• Трансформатори и станице за пуњење
• Расклопна постројења и трафостанице у апликацијама на железници, хемијских постројења и дистрибуције електричне енергије високог напона
• Линк за напајање генератора
• Електрични прикључци у разводном ормару

Примена аутомобилских сабирница у будућности
Иновација сабирница ван батерије ће бити врућа тема у будућности, преношење велике снаге са улаза за пуњење до батерије, а затим до других мотора и опреме велике снаге (види слику 4).
Постоји све веће интересовање за сабирнице свих произвођача оригиналне опреме и нивоа 1 добављачи, углавном за апликације високог напона. данас, батерије имају приближно 15-20 сабирнице. За спољну страну паковања, потребан је аутоматизовани процес маскирања, који данас не постоји. За сада, фокус је на батерији.
Како будуће иновације повећавају коришћење спољашњих сабирница за батеријски пакет, ове нове апликације ће створити значајне могућности за ултразвучно заваривање како би се побољшао укупни квалитет будућих дизајна прикључака у структурама сабирница. Ултразвучно заваривање, посебно техника заваривања увијањем, омогућава заваривање већих димензија, нежна вибрација, и могућност спајања теже доступних подручја. Како се индустрија развија, ове могућности ће омогућити даљу имплементацију сабирница ван ЕВ батерија. Фигура 5 пружа неколико примера како се ултразвучно заваривање може применити у будућим применама електричних возила.
Компаније као што је Тесла, БМВ и Форд гурају употребу сабирница изван батерије. Недавно, глобална технолошка компанија АПТИВ купила је италијанску компанију Интерцабле за приближно $600 милиона, активно настоји да користи сабирнице за дистрибуцију велике снаге ван батерије. БМВ, један од његова три највећа клијента, показује снажне знаке вођења овог новог начина дистрибуције електричне енергије. Неколико других компанија развија заштићене сабирнице у Сједињеним Државама и Европи.

7 Изазови са којима се суочавају апликације ван батерије:
1. Сабирница изван батерије треба да буде заштићена, који тренутно није доступан – батерија има омотач који је запечаћен и заштићен од електромагнетних сметњи.
2. Постоји проблем када се сабирнице морају савијати - могу бити превише круте или се могу оштетити у угловима кривина
3. Процес завртња захтева додатне делове и специфичне вредности обртног момента. Сабирнице са рупама за завртње могу се заменити за апликације сабирница које нису батерије
4. Због корозије, алуминијумске сабирнице захтевају обложене рупе за вијке
5. Терминали су повезани на чврсту сабирницу за лаку аутоматизацију
6. Аутоматизација још није у потпуности спроведена због заштите
7. Завари и склопови могу захтевати нове стандарде и верификацију

8 Актуелне примене сабирница у ултразвучном заваривању
Технологија ултразвучног заваривања је доказани процес спајања који произвођачи аутомобила све више користе за повезивање каблова са терминалима у електричним возилима, сабирнице, производња батерија и енергетска електроника. Линеарно лемљење је традиционалнија и добро позната техника коју користе сви произвођачи опреме и стандардни је процес за спајање жица. Међутим, као и многи други процеси спајања, линеарно заваривање има ограничења величине, тешкоће заваривања у мањим површинама и у специфичним геометријама, питања оријентације заваривања, и утицај вибрација на периферне компоненте.
Телсониц Твист СОНИКТВИСТ® и ПоверВхеел® технологије пружају иновативна решења за апликације за повезивање електричних возила које су раније биле немогуће. Ове иновативне технологије омогућавају многе дизајне прикључака који се односе на примене сабирница где линеарно заваривање не би било могуће. Већ постоје мање апликације сабирница које користе ултразвучно заваривање за спојеве. Ултразвучно заваривање је пожељан процес спајања за многе сабирнице, као што су флексибилне равне сабирнице до 160 мм². У будућности, биће много нових апликација које користе ултразвучно заваривање у имплементацији каблова за сабирнице. Неке од постојећих употреба ултразвучног заваривања у апликацијама сабирница описане су у наставку.

9 Очвршћавање флексибилних сабирница
Флексибилне сабирнице захтевају сушење на спојном делу да би се причврстиле (приложити) на стандардне каблове или конекторе. У неким случајевима, повезивање и учвршћивање каблова или терминала може се постићи у једном кораку лемљења. У зависности од укупних димензија флексибилне сабирнице, ултразвучно заваривање метала може бити висококвалитетно, економично решење. Коришћењем процеса заваривања увијањем, пресеци материјала до 200 мм² може се заварити. Ова техника заваривања спречава стврдњавање спојног материјала, што може довести до кртости материјала и уочљивих промена својстава материјала. Додатно, коагулација се може аутоматизовати помоћу Телсониц уређаја као што је ТТ7 ПоверВхеел®, као што је приказано у апликацијама на сликама 6 и 7.

Фигура 6 – ТТ7-Тониц Повер Вхеел®

Фигура 7 – Заваривање чврстих флексибилних сабирница и чврстих сабирница на чврсте сабирнице користећи ТТ7 Телсониц ПоверВхеел®

10 сабирнице заварене на стандардни кабл
У неким апликацијама, сабирнице су залемљене на наранџасти кабл, који ће бити залемљен на струјни конектор. Фигура 8 приказује пример кратког кабла завареног за уплетени кабл. Заваривање кратких каблова на оба краја може довести до недоследног квалитета завара јер први завар може постати слабији услед вибрација изазваних другим заваром. УСЦАР-38 захтева тестирање каблова мање од 500 мм дужине. Коришћење торзионог заваривања обезбеђује тако нежне вибрације да су студије то показале, у зависности од дизајна терминала, утицај на уплетене каблове и флексибилне сабирнице је много мањи (види слику 9). Ово омогућава да краћи каблови и одговарајући конектори буду залемљени заједно.

Фигура 8 – Пуна сабирница заварена на стандардни кабл

Фигура 9 – Кратак кабл (200 мм) залемљени на оба краја

11 Заваривање равних плетених каблова
У неким случајевима, произвођачи користе равне оплетене каблове уместо наранџастих каблова. Равно плетени каблови се заварују и аутоматски секу на делове одређене дужине и заваре на оба краја (види слику 10). Оплетени каблови са завареним спојевима на оба краја називају се и шантови. Предност коришћења ултразвучног заваривања за производњу шанта је у томе што је потребна минимална топлота приликом производње шанта и заваривања шанта на сабирницу (види слику 11). Ово спречава ломљиве нити и настајање неуобичајено танких нити узроковано топлотом која се ствара отпорним заваривањем (друга техника која се може користити).

Фигура 10 – Пуне сабирнице повезане на равне плетене краткоспојнике

Фигура 11 – Равни плетени кабл очвршћен и заварен ултразвучним заваривањем

12- Могућност примене торзионог заваривања сабирница
Флексибилне фолије сабирница су ламиниране/превучене материјалима као што је бакар да би се спречила оксидација. За чврсте сабирнице, прикључци рупа за вијке морају бити обложени. За алуминијумске чврсте сабирнице, прикључни контакти морају бити бакарни. Стога, бакарне подлошке се користе и спајају на сабирнице лемљењем увијањем (види слику 12). Доказана СОНИКТВИСТ® технологија као и Телсониц ТСП апарат за заваривање (Фиг. 13) може се користити за ову апликацију.

Фигура 12 – Бакарна навртка заварена на Ал сабирницу помоћу Телсониц апарата за заваривање СОНИКТВИСТ®

Фигура 13 – Телсониц СОНИКТВИСТ® ТСП
Британски произвођач аутомобила Јагуар тренутно користи могућности заваривања СОНИКТВИСТ® и ПоверВхеел® за склопове сабирница за дистрибуцију енергије. Компанија је користила сабирнице уместо бакарних каблова како би значајно смањила тежину и цену Ф-ТИПЕ спортског аутомобила (види слику 14). Свака сабирница проводи напајање од батерије у пртљажнику возила до електричне опреме у моторном простору. Пошто је релативна густина алуминијума знатно нижа од бакра, тежина алуминијумских шипки је само 40% до 60% традиционалних бакарних каблова. Ово може уштедети до 3 кг само у погледу повезивања батерије.
Фигура 14 – ЛЕОНИ спојни вијци заварени на сабирнице

13 Закључак
Иновативно и брзо растуће тржиште електричних возила захтева нова решења која се развијају како би одговорила на будуће изазове. Ускоро, употреба високонапонских сабирница ће заменити неке тренутне примене високонапонских кабловских завршетака. Како се индустрија креће ка коришћењу сабирница изван батерије, нови изазови ће се појавити пре него што се успостави стандардизација сабирничких свежња у аутомобилској индустрији. Како нове примене захтевају иновативнија решења за заваривање, изазови ће се појавити на свим нивоима, укључујући произвођаче опреме за заваривање. Али нови процеси и концепти ће обезбедити ефикаснија и економичнија решења за каблове на тржишту електричних возила. Торзионо заваривање је постало важан процес спајања у индустрији. Поред решења за завршетак каблова батерија за разне конекторе, технологија такође пружа решења за заваривање за контролу тежине електричних возила, паковање батерија, сабирнице, производња батерија и енергетска електроника. Функционалност апликације се проширила изван онога што се раније мислило.
Како се дизајнери производа и процесни инжењери упознају са процесом заваривања увијањем и његовим могућностима, технологија ће помоћи да се индустрија електричних возила подигне на следећи ниво. Ближи радни односи између ОЕМ-а, Тиер 1 добављачи и добављачи опреме су неопходни за покретање коришћења сабирница. Дефинитивно ћемо научити више и увести иновативне идеје на време. Али ултразвучно заваривање ће несумњиво бити део решења за циљеве нижих трошкова материјала, смањење тежине и простора, и радно интензивних производних процеса.