حماية من التداخل الكهرومغناطيسي لحزمة بطارية السيارة باستخدام رغوة موصلة

تُعدّ حزم بطاريات المركبات الكهربائية من أكثر المجالات تحديًا في تصميم التوافق الكهرومغناطيسي. تركز هذه المقالة على أربعة تطبيقات أساسية: إحكام غلق غلاف البطارية، وحماية لوحة أخذ عينات AFE، وعزل قضبان التوصيل عالية الجهد، وحماية الموصلات الخارجية. كما تشرح كيفية اختيار الرغوة الموصلة المناسبة لتطبيقات حزم بطاريات السيارات.

تُعد حزمة البطارية واحدة من أغلى المكونات وأكثرها حساسية في السيارة الكهربائية.

قد تشكل حزمة بطاريات بسعة 80 كيلوواط/ساعة ما يقارب 30-40% من التكلفة الإجمالية للمركبة. كما أنها تحتوي على مئات الخلايا، التي يجب مراقبة كل منها وحمايتها بدقة. ويمكن أن يؤثر التداخل الكهرومغناطيسي، الذي يُدخل أخطاءً في قياسات الجهد، على تقدير حالة الشحن، وموازنة الخلايا، ووظائف الحماية.

تُعدّ البيئة الكهرومغناطيسية داخل حزمة البطاريات بيئةً بالغة الصعوبة. فالفولتية العالية، وتيارات الشحن التي تصل إلى مئات الأمبيرات، وكثافة أسلاك الاستشعار، وتصميمات الوحدات المدمجة، والتداخل الناتج عن عاكس الجر والشاحن المدمج، كلها عوامل تُساهم في تحدّي التوافق الكهرومغناطيسي.

للحصول على نظرة عامة حول تقنية الرغوة الموصلة، انظر ما هي الرغوة الموصلة؟ استخداماتها وتطبيقاتها وفوائدها في الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي .

تركز هذه المقالة على أربعة تطبيقات خاصة بحزم البطاريات تتطلب اهتمامًا خاصًا:

1. حماية لوحة أخذ عينات AFE
2. إحكام غلق غلاف البطارية
3. عزل قضبان التوصيل عالية الجهد وخطوط الاستشعار
4. حماية الموصل الخارجي

وقد تم بالفعل استخدام منتجات الرغوة الموصلة من شركة كونليدا والمخصصة للسيارات في مشاريع حزم البطاريات لكبرى شركات تصنيع البطاريات ومصنعي المعدات الأصلية للسيارات في الصين.

1. تحديات التوافق الكهرومغناطيسي داخل حزم بطاريات السيارات الكهربائية

التحدي الأول: إشارات أخذ العينات ضعيفة للغاية

يجب أن يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) بدقة جهد كل خلية من خلايا البطارية على حدة. تتراوح متطلبات دقة قياس الجهد عادةً بين ±1 ملي فولت و ±5 ملي فولت.

مع ذلك، قد تمتد أسلاك الاستشعار لعدة أمتار داخل حزمة البطارية، وقد تمر بالقرب من موصلات ذات تيار عالٍ. وهذا يجعلها عرضة للضوضاء المشعة والموصلة.

عندما يحدث تداخل في خطوط الاستشعار، قد يتلقى نظام إدارة البطارية معلومات غير دقيقة عن الجهد. ويمكن أن تؤثر الأخطاء الناتجة على تقدير حالة الشحن، وموازنة الخلايا، والحماية من الشحن الزائد أو التفريغ الزائد.

التحدي الثاني: يجب أن يوفر الغلاف كلاً من العزل والحماية.

يجب أن يفي غلاف البطارية عادةً بمتطلبات الحماية البيئية الصارمة، مثل IP67 أو IP68، مع الحفاظ أيضًا على استمرارية الحماية الكهرومغناطيسية.

يُؤدي هذا إلى مشكلة معقدة في وصلات الغلاف. يجب أن تُعوض مادة منع التسرب التفاوتات الميكانيكية والتمدد الحراري مع الحفاظ على اتصال كهربائي موثوق.

وهنا تبرز فائدة الرغوة الموصلة: إذ يمكن لمكون واحد أن يوفر كلاً من الضغط المرن والاستمرارية الكهربائية.

التحدي الثالث: قضبان التوصيل ذات التيار العالي تولد مجالات كهرومغناطيسية قوية

يمكن لقضبان التوصيل عالية الجهد داخل حزمة البطارية أن تحمل مئات الأمبيرات. ويمكن أن تتداخل المجالات الكهرومغناطيسية المحيطة بها مع أسلاك الاستشعار القريبة، خاصةً عندما تكون هذه الأسلاك متوازية.

لذا فإن الحفاظ على مسافة كافية في حزمة بطارية صغيرة الحجم يمثل تحديًا رئيسيًا في تصميم التوافق الكهرومغناطيسي.

التحدي الرابع: عمر خدمة طويل ونطاق درجة حرارة واسع

صُممت بطاريات السيارات عمومًا لتدوم من 8 إلى 10 سنوات أو أكثر. وقد تنخفض درجات الحرارة الداخلية إلى حوالي -30 درجة مئوية في الظروف الباردة، وتصل إلى 60-80 درجة مئوية أثناء التشغيل تحت أحمال عالية أو الشحن السريع.

يجب أن تحافظ مادة الحماية على استقرار الضغط والاستعادة والتوصيل الكهربائي طوال دورات درجة الحرارة هذه.

يجمع حل شركة كونليدا، المصمم خصيصًا للاستخدام في صناعة السيارات، بين قلب من السيليكون وطبقة من البولي إيميد الموصلة والمطلية بالذهب. وبحسب تصميم المنتج، يمكن للمادة العمل في درجات حرارة تتراوح بين -40 درجة مئوية و280 درجة مئوية، مع تحقيق استعادة تزيد عن 90%، ومقاومة 1000 دورة من الصدمات الحرارية.

2. أربعة تطبيقات رئيسية للرغوة الموصلة في حزم البطاريات

التطبيق 1: حماية لوحة أخذ عينات AFE

تُعدّ وحدة الإدخال التناظري (AFE) واحدة من أكثر الأجزاء حساسية في نظام إدارة البطارية. فهي تتصل مباشرة بخطوط استشعار جهد الخلية وتحول الإشارات التناظرية منخفضة المستوى إلى بيانات رقمية.

حتى الكميات الصغيرة نسبياً من التداخل الكهرومغناطيسي يمكن أن تؤثر على دقة القياس.

حلول الحماية الموصى بها

لماذا نستخدم رغوة موصلة متعددة الاتجاهات حول مكونات AFE؟

غالباً ما تكون المساحة المتاحة حول مكونات AFE تتراوح بين 1 و3 ملم فقط. وفي الوقت نفسه، لا تتحمل لوحة أخذ العينات قوة ضغط مفرطة.

يمكن للرغوة الموصلة متعددة الاتجاهات أن تُنشئ مسارًا كهربائيًا منخفض المقاومة تحت ضغط صغير جدًا مع توفير مسارات موصلة في الاتجاهات X و Y و Z.

وهذا يجعلها مناسبة لتطبيقات الحماية من المجال القريب المدمجة.

للمزيد من المعلومات، انظر حشية رغوية موصلة متعددة الاتجاهات مقابل حشية رغوية موصلة قياسية .

لماذا يُعد هذا الأمر مهمًا أثناء الشحن السريع؟

يمكن للشحن السريع أن يدفع مستويات التيار إلى مئات الأمبيرات، مما يزيد بشكل كبير من المجال الكهرومغناطيسي داخل حزمة البطارية.

إذا لم تكن دائرة أخذ العينات في وحدة التحكم التناظرية الأمامية محمية بشكل كافٍ، فقد تُظهر إشارات القياس زيادة في التشويش وعدم الاستقرار. في الحالات القصوى، قد يتسبب ذلك في تفسير نظام إدارة البطارية (BMS) لحالة الخلية بشكل خاطئ أو تفعيل إجراءات حماية غير ضرورية.

لذلك، يعتبر التدريع المحلي الفعال جزءًا مهمًا من الحفاظ على سلامة القياس أثناء التشغيل بتيار عالٍ.

التطبيق 2: إحكام إغلاق وصلة غلاف البطارية

يُعد مفصل الغلاف مسارًا محتملاً لتسرب التداخل الكهرومغناطيسي وواجهة مانعة للتسرب بيئيًا بالغة الأهمية.

يمكن للحشية الموصلة الحفاظ على الاستمرارية الكهربائية مع تعويض التفاوتات في الأبعاد والحركة الميكانيكية.

مزايا الرغوة الموصلة لإحكام إغلاق العلب

التعويض المرن: تتعرض أغلفة البطاريات لتغيرات في الأبعاد نتيجة لتغيرات درجة الحرارة والاهتزاز. ويحافظ الرغوة على التلامس مع الهيكل أثناء حركته.

وظيفتان في مكون واحد: يمكن لنفس الحشية أن توفر الحماية الكهربائية والختم الميكانيكي.

سهولة الصيانة: على عكس المواد المانعة للتسرب الموصلة المعالجة، يمكن عمومًا إزالة حشية الرغوة واستبدالها أثناء الصيانة أو إعادة العمل.

تخصيص الطول الطويل

يمكن أن يصل طول حاويات البطاريات إلى 1.5-2 متر، مما يخلق مسارات إحكام طويلة ومستمرة.

تشغل شركة كونليدا 30 خط إنتاج للرغوة الموصلة ومعدات تشكيل آلية مستمرة قادرة على إنتاج شرائط مانعة للتسرب طويلة ذات أبعاد وأداء كهربائي ثابتين. كما يمكن تطوير مقاطع عرضية مخصصة وفقًا لهندسة الغلاف.

التطبيق 3: عزل قضبان التوزيع عالية الجهد وخطوط الاستشعار

تنقل قضبان التوصيل ذات الجهد العالي تيارات كبيرة بين وحدات البطاريات ومكونات أخرى عالية الطاقة. ويمكن أن تتداخل مجالاتها الكهرومغناطيسية مع خطوط الاستشعار القريبة.

يُعد هذا الأمر إشكاليًا بشكل خاص عندما تمتد أسلاك الاستشعار بالتوازي مع قضبان التوصيل لمسافات طويلة.

لماذا تحتاج خطوط الاستشعار إلى حماية إضافية؟

يمكن أن تمتد أسلاك استشعار الخلايا لعدة أمتار من خلايا البطارية إلى لوحة AFE. وعلى طول هذا المسار، قد تمر بالقرب من قضبان التوصيل، والمرحلات، والصمامات، ومصادر التشويش الأخرى.

بدون حماية كافية، يمكن أن تصل الضوضاء المستحثة إلى عشرات أو حتى مئات من الميلي فولت - وهو أعلى بكثير من متطلبات قياس نظام إدارة البطارية النموذجية البالغة ±5 ملي فولت.

يوفر غلاف من القماش الموصل طبقة حماية مرنة حول الحزام، بينما يمكن للرغوة الموصلة إنشاء وصلة التأريض المطلوبة.

للاطلاع على مقارنة مفصلة بين الرغوة الموصلة، ورقائق النحاس، ورقائق الألومنيوم، والنسيج الموصل، انظر الرغوة الموصلة مقابل رقائق النحاس مقابل رقائق الألومنيوم مقابل النسيج الموصل .

التطبيق 4: موصلات البطارية الخارجية

يجب أن تمر موصلات خرج الجهد العالي وواجهات الاتصال ذات الجهد المنخفض عبر فتحات في غلاف البطارية.

يمكن أن تصبح هذه الفتحات نقاط تسرب للتداخل الكهرومغناطيسي ونقاط ضعف محتملة في منع التسرب البيئي.

يمكن تركيب حشية رغوية موصلة على شكل حلقة بين شفة الموصل وعلبة البطارية.

عند إحكام ربط الموصل، تنضغط الحشية وتشكل واجهة كهربائية وميكانيكية مستمرة بزاوية 360 درجة.

لماذا لا نستخدم ببساطة حشية مطاطية موصلة؟

يُستخدم المطاط الموصل على نطاق واسع في تطبيقات السيارات. ومع ذلك، يمكن أن توفر الرغوة الموصلة العديد من المزايا حيث تكون قوة الضغط المنخفضة ومرونة التركيب مهمة:

• قوة ضغط أقل
• تجميع أسهل
• اتصال كهربائي جيد عند ضغط منخفض
• تعويض التفاوتات المرنة
• استبدال أسهل أثناء إعادة العمل

ينبغي في النهاية اختيار المادة المناسبة وفقًا لتصميم الغلاف، ونطاق الضغط، والمتطلبات البيئية، وأداء الحماية المطلوب.

3. متطلبات خاصة لرغوة موصلة لحزمة البطارية

تتطلب تطبيقات حزم البطاريات متطلبات أعلى فيما يتعلق بحشوات الحماية مقارنة بالعديد من الأجهزة الإلكترونية التقليدية.

النقطة الأساسية هي أن الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي في السيارات لا تقتصر على تحقيق مقاومة منخفضة فحسب، بل يجب أن تحافظ المادة على التوصيل الكهربائي تحت الضغط والاهتزاز والرطوبة وتغيرات درجات الحرارة، وأن تدوم لفترة طويلة.

4. دليل اختيار رغوة موصلة لحزمة البطارية

5. لماذا تختار شركة كونليدا للحماية من التداخل الكهرومغناطيسي لحزم بطاريات السيارات الكهربائية؟

1. إدارة الجودة على مستوى صناعة السيارات

تعمل شركة كونليدا بموجب نظام إدارة الجودة المعتمد وفقًا لمعيار IATF 16949 وتحافظ على إمكانية التتبع من دفعات المواد الخام وحتى المنتجات النهائية.

بالنسبة لتطبيقات البطاريات ذات الأهمية البالغة للسلامة، تعتبر إمكانية التتبع جزءًا أساسيًا من تأهيل الموردين وإدارة الجودة.

2. الأداء على مستوى المواد

تتطلب حزم البطاريات مقاومة أكبر لدرجة الحرارة والرطوبة والأكسدة والتقادم البيئي مقارنة بالعديد من التطبيقات الإلكترونية القياسية.

يمكن استخدام رغوة موصلة من كونليدا، مصممة خصيصًا للاستخدام في صناعة السيارات، مع قلب من السيليكون وطبقة من البولي إيميد الموصلة المطلية بالذهب. وبحسب النوع المختار، تتحمل هذه المادة درجات حرارة تتراوح بين -40 درجة مئوية و280 درجة مئوية، وتحقق استعادة لأكثر من 90% من خصائصها، وتجتاز اختبارات الصدمات الحرارية ورذاذ الملح.

3. الإنتاج بكميات كبيرة

قد تستخدم حزمة بطارية واحدة عشرات من الموصلات الصغيرة للوحات BMS و AFE، بالإضافة إلى عدة أمتار من مواد إحكام إغلاق الغلاف.

بفضل 30 خط إنتاج للرغوة الموصلة وطاقة إنتاجية يومية تصل إلى مليوني قطعة، فإن شركة كونليدا مجهزة لدعم برامج السيارات ذات الحجم الكبير.

4. اختبارات التوافق الكهرومغناطيسي والموثوقية

يمكن لمختبر التوافق الكهرومغناطيسي التابع لشركة كونليدا توفير اختبارات فعالية الحماية من 30 ميجاهرتز إلى 10 جيجاهرتز، إلى جانب اختبارات الموثوقية مثل:

• الصدمة الحرارية
• اختبار درجة الحرارة والرطوبة
• اختبار رذاذ الملح
• اختبار الضغط والاستعادة
• اختبار ضغط التثبيت

في تطوير حزم البطاريات، تُعدّ البيانات المقاسة أكثر قيمة من المواصفات العامة للمواد. يسمح الاختبار للمهندسين بتقييم الأداء الفعلي للحشية المختارة في ظل ظروف التطبيق المحددة.

5. دعم التصميم والنماذج الأولية السريعة

غالباً ما تتضمن برامج بطاريات السيارات دورات تطوير طويلة، ولكن يمكن تسريع عمليات تصميم البطاريات بسرعة بمجرد توفر النماذج الأولية.

تستطيع شركة كونليدا توفير نماذج أولية في غضون أربع ساعات فقط. كما يمكن لفريقها الهندسي المشاركة خلال مرحلة التصميم للمساعدة في تحسين هندسة الحشية، والضغط، ومسارات التأريض، واختيار المواد.

6. الأسئلة الشائعة

س1: هل يمكن للرغوة الموصلة أن تحل محل المادة المانعة للتسرب تمامًا في إحكام إغلاق غلاف البطارية؟

ليس في كل التطبيقات.

تُستخدم الرغوة الموصلة والمادة المانعة للتسرب لحل مشاكل هندسية مختلفة. توفر الرغوة تعويضًا مرنًا، واستمرارية كهربائية، وسهولة في إعادة العمل، بينما توفر المادة المانعة للتسرب التصاقًا قويًا وعزلًا بيئيًا مستمرًا.

لذلك تستخدم بعض حزم البطاريات نهجًا هجينًا: حيث يوفر مانع التسرب الحماية الأساسية من الماء، بينما تحافظ الرغوة الموصلة على الحماية الكهربائية عند نقاط التماس الحرجة.

يعتمد التكوين النهائي على هيكل العلبة وتصنيف الحماية المطلوب (IP).

س2: أيهما أفضل للحماية من التسرب الهوائي: الرغوة متعددة الاتجاهات أم رغوة FOF؟

بالنسبة للحماية الموضعية حول مكونات AFE الحساسة، فإن الرغوة الموصلة متعددة الاتجاهات غالباً ما تكون الخيار الأفضل لأنها يمكن أن توفر استمرارية كهربائية تحت ضغط صغير جداً.

لا تزال رغوة FOF مفيدة لواجهات التأريض الأكبر حيث تتوفر مساحة تركيب أكبر.

يعتمد الاختيار الصحيح على المساحة المتاحة، وقوة الضغط، وهندسة التأريض، ومتطلبات الحماية.

س3: ماذا يحدث إذا كان التدريع الكهرومغناطيسي لحزمة البطارية غير كافٍ؟

يتمثل الخطر الأكثر إلحاحاً في تدهور دقة القياس.

يمكن أن يؤثر التشويش المقترن بدوائر استشعار AFE على قياسات جهد الخلية، وبالتالي يؤثر على تقدير حالة الشحن وقرارات الحماية.

تشمل العواقب المحتملة ما يلي:

• إنهاء الشحن قبل الأوان
• نطاق قابل للاستخدام مخفّض
• قرارات خاطئة بشأن موازنة الخلايا
• الكشف المتأخر عن التفريغ الزائد
• التحكم غير المستقر في الشحن

لذلك ينبغي النظر في الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي جنبًا إلى جنب مع تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، والترشيح، والتأريض، وتوجيه الكابلات، وتصميم التوافق الكهرومغناطيسي على مستوى النظام.

س4: هل ينبغي استخدام النسيج الموصل أو رقائق النحاس في أسلاك استشعار البطارية؟

تعتبر الأقمشة الموصلة أكثر عملية بشكل عام لأحزمة الاستشعار المرنة.

يمكنه الالتفاف حول الكابلات واتباع مسارات التوجيه المعقدة دون إحداث التجاعيد الدائمة المرتبطة بالانحناء المتكرر لرقائق معدنية رقيقة.

يمكن أن توفر رقائق النحاس أداءً ممتازًا في الحماية، ولكن يجب مراعاة مرونتها الميكانيكية وخصائص تركيبها بعناية.

س5: ما هي خبرة شركة كونليدا في تطبيقات حزم البطاريات؟

تم استخدام منتجات Konlida من رغوة SMT الموصلة المطلية بالذهب، وشرائط إحكام إغلاق حاوية FOF، ومنتجات الرغوة الموصلة متعددة الاتجاهات في مشاريع حزم البطاريات لكبرى شركات تصنيع البطاريات ومصنعي المعدات الأصلية للسيارات في الصين.

للحصول على نظرة أشمل حول الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي في أنظمة قيادة المركبات الكهربائية، وأنظمة إدارة البطاريات، وإلكترونيات الطاقة، انظر حماية المركبات الكهربائية من التداخل الكهرومغناطيسي: حشوات رغوية موصلة في نظام القيادة الكهربائية ونظام إدارة البطارية .

من هي كونليدا؟

تأسست شركة Suzhou Konlida Precision Electronics Co., Ltd. في عام 2006 وهي متخصصة في البحث والتطوير وتصنيع مواد الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي وإدارة الحرارة.

القدرات التصنيعية

• مرافق تصنيع بمساحة 45000 متر مربع
• 30 خط إنتاج رغوة موصلة
• 24 آلة قطع القوالب الدوارة
• طاقة إنتاجية يومية تصل إلى مليوني قطعة
• معدات التغليف والتشكيل الآلية من الجيل الرابع داخل الشركة
• شهادات IATF 16949 وISO 13485 وISO 9001
• إنتاج غرف نظيفة من الفئة 1000

القدرات التقنية

• خبرة تقارب 20 عامًا في مواد الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي
• قدرات متكاملة بدءًا من تطوير المواد وحتى تصنيع المنتج النهائي
• مختبرات التوافق الكهرومغناطيسي والموثوقية
• قدرات الاختبار لفعالية الحماية والموثوقية البيئية
• تطوير داخلي للأقمشة الموصلة فائقة الرقة ومواد الرغوة الموصلة عالية الأداء
• إنجاز النموذج الأولي في غضون أربع ساعات فقط
• خبرة في الإنتاج الضخم لخدمة كبرى شركات الإلكترونيات الاستهلاكية والسيارات

خاتمة

لا تُعدّ الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي في حزمة بطاريات السيارات الكهربائية مشكلةً أحادية المكون. يجب أن يُراعي التصميم الموثوق سلامة إشارة AFE، وإحكام إغلاق الغلاف، وعزل قضبان التوصيل، وواجهات الموصلات، والتأريض، والمتانة البيئية كنظام واحد.

توفر الرغوة الموصلة طريقة فعالة للجمع بين التوصيل الكهربائي، والحماية من التداخل الكهرومغناطيسي، والمرونة الميكانيكية، والعزل في هياكل حزم البطاريات المدمجة.

بالنسبة للمهندسين الذين يختارون مادة الحماية، لا تقتصر المعايير الأساسية على مقاومة السطح أو فعالية الحماية فحسب، بل يجب تقييم قوة الضغط، وسرعة الاستعادة، ونطاق درجة الحرارة، ومتانة الطلاء، ومقاومة الظروف البيئية، وتناسق الأبعاد، والموثوقية على المدى الطويل، وذلك وفقًا لتصميم حزمة البطارية الفعلي.

تُستخدم حلول الرغوة الموصلة من كونليدا بالفعل في العديد من برامج إنتاج بطاريات السيارات الكهربائية بكميات كبيرة. سواء كنت بحاجة إلى مكونات قياسية للتسليم السريع أو حشية مُخصصة لهيكل بطارية معقد، يُمكن تطوير اختيار المواد ودعم التصميم بما يتناسب مع متطلبات التطبيق الفعلية.