Ламинираните шини ли са най-добрата избор за компактни батерийни пакети с висок ток?

Когато пространството е ограничено в корпусите, които трябва да пренасят високи токове, традиционното решение – снопове кръгли жици или цели изработени от метал шини – вече не е достатъчно. Ламинираните шини са се наложили като многообещаваща алтернатива. Но дали те са оптималното решение за компактни приложения с висока мощност? Както при много технологии, приложимостта зависи от това колко добре се удовлетворяват изискванията по няколко параметъра: ефективност на използването на пространството, термичен мениджмънт, плътност на мощността и производствена цена. В Kinto сме доставяли ламинирани шини за широк спектър от проекти в областта на енергийните хранилища и електрификацията и сме забелязали последователни закономерности относно областите, в които тази технология се отличава.

Токопроводимост без допълнителен обем

Батериите с висок ток изискват големи напречни сечения на проводниците, за да се поддържа повишаването на температурата в управляеми граници. Макар че цялостните шини и кабелните снопове изглеждат прости, те губят значително пространство поради необходимите разстояния между проводниците и другите конструкции, за да се предотврати пробив и да се подобри отводът на топлината. Ламинираните шинни системи заменят един или повече масивни проводникови листа с редуващи се тънки проводящи плочи, което увеличава общото налично проводимо напречно сечение в изключително тънък корпус. Тъй като отрицателният и положителният проводник могат да бъдат поставени много близо един до друг, противоположните им магнитни полета частично се неутрализират. Това ефективно намалява променливотоковото съпротивление — особено в батерийни пакети с бързи инвертори — и минимизира загубите на мощност от пулсиращия ток. Ламинирана шина, способна да изтегля много по-голям ток от еквивалентно оценен набор успоредни кабели, може да заеме само една пета от наличното вертикално пространство, което освобождава значително място в батерийната кутия за допълнителен ред батерийни клетки или по-дебел и по-ефективен термичен интерфейсен материал.

Термична стабилност при продължително натоварване

Генерирането на топлина е част от свързването към високи токове. Обаче начина, по който управлявате тази топлина, определя колко добре ще работи връзката в дългосрочен план. Ламинираните шини осигуряват отлична топлинна производителност. Благодарение на своята конструкция те имат големи повърхности за разсейване на топлината в сравнение с кръгъл проводник с еднакво напречно сечение. Тъй като са плоски и широки, те разчитат на естествена конвекция, както и на топлопроводност на проводника при закрепване към топлоотвод или корпус на батерийния пакет. Диелектрикът, който разделя проводниците, обикновено се избира не само за електрическа изолация, но и за топлопроводност, за да разпространява равномерно топлината от ламинираната шина през цялата й дебелина. По този начин се намаляват максималните температури, което минимизира термичното напрежение върху клемните връзки при цикли на нагряване и охлаждане. При изключително компактните проекти на днешните батерийни пакети, където има минимално пространство за вентилация и принудителен въздушен поток, способността за директно отвеждане на топлината към корпуса на пакета, служещ като топлоотвод, или към охладителни плочи може да е от решаващо значение. Поговорихме с много клиенти на Kinto, които са преминали от традиционно кабелно свързване към ламинирани шини и съобщиха, че успешно са намалили температурата на шините в сборката значително, без да е необходимо увеличаване на общия размер на корпуса.

Ниска индуктивност за по-чисто подаване на енергия

Вероятно най-убедителното техническо предимство на ламинираните шини в приложения с висок ток е тяхната вродена ниска разсейваща индуктивност. В системи с много бързи промени на тока – независимо дали при импулсно разреждане или регенеративно спиране – всяка паразитна индуктивност в междинните връзки може да причини вълни на напрежение, които могат да повредят силовите полупроводникови елементи или електролитни/филмови кондензатори. При ламинираните шини токът тече успоредно в двата проводника, разделени от тънък изолационен слой; по този начин те са силно свързани магнитно. Това компенсира значителна част от магнитните силови линии и намалява значително индуктивността на контура, като по този начин се получава много по-чисто напрежение в постояннотоковата връзка с минимални или изобщо без вълни и пулсации. За проектирането на компактно подредени батерийни блокове това електрическо предимство предоставя по-голяма гъвкавост при разполагането на шините по-близо до високочестотната управляваща електроника и намалява общото електромагнитно излъчване/електромагнитна съвместимост (EMI/EMC); в някои случаи дори позволява по-меки изисквания към демпфиращите вериги или филтрирането на шинните проводници.

Производствена прецизност и ефективност на сглобяването

Най-доброто електрическо проектиране е от малка полза за крайния потребител, ако изисква значително време и разходи за производство и надеждна инсталация. Ламинираните шини се произвеждат чрез прецизен ламинационен процес: проводниците и изолаторите се подреждат в правилните си позиции, след което се нагряват и пресоват, за да се получи цялостен, обединен продукт. Ламинационният процес означава, че размерните допуски – като например позиционирането на отворите, дефиницията на ръбовете и дори общата плоскост – могат да се контролират с голяма точност. Това е от съществено значение, когато ламинираната шина трябва да се подравни точно с твърдите батерийни терминали или интерфейса за свързване. В Kinto нашите машинни центрове позволяват всички ламинирани шини да се формират с пълна геометрична точност според клиентските проекти, избягвайки несъответствията, които често са свързани с ръчно огънати кабели или лити части. Когато ламинираната шина пристигне на сборъчната линия, тя действа просто като един самостоятелен, самоподравняващ се модул и изисква минимални операции с фиксиращи елементи за инсталиране, в сравнение с безбройните отделни връзки при кабелите.

Заключение

И така, връщаме се към първоначалния въпрос: подходят ли ламинираните шини за всяка батерийна система? Разбира се, че не. Въпреки това, във всички батерийни приложения, изискващи висок ток в компактно пространство, малко технологии могат да конкурират по толкова много параметри: висока електропроводимост в плосък формат, отлично топлинно поведение, значително намалена паразитна индуктивност и лесна монтажна осъществимост – всичко това са основни изисквания при проектирането на батерийни системи. Ако едно решение не може да се побере в наличното пространство, да изтегли необходимия ток или да управлява топлинните натоварвания, то просто не е жизнеспособно. Изключението представляват простите нисковолтови и малкотокови приложения, при които по-високата производствена цена на ламинирана шина може да не е оправдана – в такива случаи по-просто решение може да предложи по-ниска начална цена. Това обаче не променя факта, че за решения с по-висока плътност ние в Kinto продължаваме да инвестираме в напреднало ламиниращо оборудване и строг контрол на качеството, за да гарантираме, че нашите ламинирани шини отговарят на постоянно променящите се изисквания към най-компактните и мощни батерийни системи на утрешния ден.